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国内外聚丙烯薄膜的差异及对电容器设计的影响

 

    O 引言
    随着高电压、大容量输电技术的迅速发展,用户对电容器的各项指标要求越来越高,新材料、新介质的应用为电容器各项指标的提升提供了有力保证。高品质聚丙烯薄膜(以下简称PP膜)的广泛应用使电容器的性能大大提高.,近年来越来越多国内电容器生产厂家更是选用价格昂贵的进口膜作为电容器设计的首选材料,我公司也不例外,然而在使用过程中笔者了解到,国内、外PP膜在某些方面存在着差异,因而对电容器的设计产生了一定的影响。
 
   1 国内外两种薄膜测试方法的差异
   1.1 国内粗化型PP膜测量厚度通常采用叠层法(千分尺法)
设膜的试样数为4,每个试样叠成10层,在施加一个恒定力F,直接测得膜的叠层厚度,并计算出一个试样每层膜平均厚度,然后取4个试样的平均厚度即为本批膜的叠层法厚度。
    1.2国外粗化型PP膜测量厚度通常采用重量法(质量密度法)
    1)设膜的试样数为N,粗化膜表示的粗糙度R。约为0.25~0.65μm,膜的密度为ρ=0.90~0.91,每个试样面积为S(国外膜取2 m×2 m),试样质量为mi,质量密度法测得的一个试样膜厚度,然后取N个试样的平均厚度即为本批膜的质量密度法厚度。
    2)质量密度法另一种测量方法是测膜的平均厚度。先测量膜卷重量,减去卷芯的重量,再测量该卷膜的长度,根据净重、宽度和长度计算出该卷膜的平均厚度。
    2 粗化膜的空隙率在国内、外两种膜厚上的差异
    空隙率是由粗化膜表面粗糙引起的,是用叠层法测得的厚度超过质量密度法测得的厚度的增量的百分数表示,表示方法如下:
 
 
式中,
 
    国内膜的厚度不涉及空隙率这一概念,而国外膜的厚度需通过空隙率这一概念才能转化成国内膜厚的表示方法。
由上述可知:①国内采用的叠层法测厚度,仅以试样中测得的个别点的平均值代表试样厚度,国外采用的质量密度法测得的厚度代表了试样的平均厚度;②用叠层法测量厚度时因测试点的不同,会存在一定的分散性,国外采用的质量密度法测量厚度是称重多层2 m×2 m膜后计算出的厚度,其所得值相比叠层法测得值更接近膜的真实厚度;③以国内的经验设计电容器时国内膜厚度可直接测得,国外膜厚间接获得。
3国内外两种不同的膜厚测试方法对电容器设计的影响
1)国内无论是PP膜生产厂家还是电容器制造厂家均首选叠层法测量膜厚度,并以此数据作为设计电容器的依据,已有成熟的经验。生产出同一批电容器的电容值最大与最小的比值不会超过1.02,基本满足用户对电容量偏差的要求。
    2)针对国外PP膜采用质量密度法测量膜厚度,并以此数据控制电容器的电容量,无现成经验可借鉴,只能通过反复的试验、验证,并与本厂的工艺、工装相结合才能找出其规律性。
    3)因国内设计电容器习惯采用叠层法厚度设计电容器,若采用国外膜设计电容器则需通过空隙率间接得到所需膜厚,因而在设计过程中加大了误差.
    4 设计生产试验单元进行比较
    为了比较国内外PP膜之间的差异以及对电容器设计的影响,特设计制造并联电容器BAMll/√3-334-1w试验心组,本心组共36个元件,其中国产膜卷制18个元件,膜介质叠层法标称厚度为1层13μm和2层12μm,芬兰膜卷制18个元件,膜介质质量密度法标称厚度为3层11.2μm。因此本试验单元的介质厚度设计值:国产膜12+12+13=37,芬兰膜11.2×(1+10%)×3=36.96(厂家提供空隙率10%),两种介质总厚度差为(37—36.96)/36.96=0.1%。本心组36个元件除膜产地有差别外,其余参数均相同,均由美国西尔顿全自动卷制机卷制而成,卷制过程中参数未做任何调整。每个元件串有内熔丝,采用12并3串结构压装成一个心组,上部是芬兰膜下部是国内膜。
4.1 国内膜和芬兰膜厚度及击穿场强的差异国内膜和芬兰膜厚度测试结果见表1和表2。
 
 
    4.2试验心组浸渍前元件电容量的差异(见表3)
    通过测试数据可以看出,芬兰膜卷制出的元件在相同情况下是国内膜卷制元件电容量的1.0178倍。经过仔细计算和分析,笔者认为引起以上差别的主要原因是膜的空隙率差别。
    国内膜生产厂家在质量检验报告中标出空隙率的范围为7%一11%,芬兰膜生产厂家针对11.2μm的膜标出的空隙率为8.5%~11%,膜的标称平均空隙率差别不大。由于每批膜采用千分尺法测量厚度存在误差,尤其是12μm及以下的膜。而且电容器生产厂家在设计时大多会参照膜生产厂家提供的标称空隙率,并结合千分尺法测试膜厚度得出电容器的设计介质厚度。因此,当电容器电容量要求偏差为±1%时,若在设计中对的实际厚度和空隙率不加以考虑是很难达到的。
  
  4.3试验心组浸渍后元件电容量的差异(见表3)
 
    将试验心组装入电容器油箱,采用电容器卧式浸渍苄基甲苯后,取出心组对试验元件进行电容量测试。
    表3数据显示,由于我公司长期使用国内某公司生产的PP膜,且其各项指标比较稳定,对电容器设计中的压紧系数、空隙率、膜厚度偏差经验比较丰富,因而在元件电容量控制上为标称值的±1%。本批芬兰膜卷制的元件与国产膜卷制的元件为同一种设计、生产方式,元件容量偏差为标称值的1%~4%。因此,当选用芬兰膜进行电容器设计时,掌握其特殊性是非常有必要的。
4.4 浸渍后元件击穿电压和击穿场强的差异(见表4)
 
 
    1)将试验心组放入苄基甲苯油槽中加直流电压直至元件完全击穿,测试国内外两种元件的击穿电压和击穿场强。
    通过对实验心组的测试并结合表l的测试结果得出此批芬兰膜的实际空隙率为8.3%,不是制造厂建议的10%的平均空隙率。
    2)考虑芬兰膜空隙率的偏差,将此批薄膜按实际空隙率8.3%计算试验元件的击穿场强,则芬兰膜的实际平均击穿场强为222.9 v/μm,而国内膜的实际平均击穿场强为233.6 V/μm。去除测量偏差,本试验心组中,国内、外两种膜卷制的元件在击穿场强上存在差异,因此采用国外膜设计生产电容器时,应将这些差异考虑进去。
   5 结论
    1)实践证明并不是最好的材料就能设计生产出最好的产品,要想生产出高质量的产品,只采用好的材料是远远不够的,必须充分了解这种材料的各方面性能,并结合生产厂家自身的工艺水平才能做设计制作出高质量、高品质的产品。
    2)当国内、外两种膜同时使用时,应避免在同一产品中混用,即使电容器生产厂家在使用原材料时,根据实测厚度将正、负偏差的材料搭配使用,因实际空隙率和性能的差别,要得到用户要求电容量偏差小于±1%时,会存在操作上的困难。
    3)在实际使用过程中采用国内外不同生产厂家的PP膜,由于执行标准的不同,即使在标称厚度相同的情况下其性能也会有很大差别,尤其是当膜的空隙率波动范围很大时(标准规定为5%~17%).,若一味按标称厚度进行设计,事必引起每层膜上实际场强的增加从而影响电容器的性能,因此在生产大批产品时,有必要对膜的实际空隙率进行测试。
4)若国外膜与国内工艺水平相结合,没有明显的优势,在现在这种国内电容器没有价格优势的前提下,一味的追求进口材料,无形中增加了电容器制造成本,是不可取的。
 
 (信息来源:中国电器工业协会电工器材行业信息中心)
 

 

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