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摘要：自愈式电容器具有无油、低噪声和储能密度高等优点，尤其适合于城市和清洁能源应用场合。为了获得自愈式电容器在运行情况下的温度场分布，在Fluent15.0中建立了自愈式电力电容器承受400V交流电压，环境温度为55℃情况下的温度场计算模型；采用有限体积法计算获得了其外壳和内部心子等的温度场分布并对计算结果进行了系统分析。计算结果表明：外壳最高温度在大侧面，大侧面温度高于小侧面。外壳和心子的平均温升分别为3℃和5℃左右，心子温度比外壳温度高2～3℃。
关键词：温度；电压；自愈式；电力电容器；场分布
现在主流干式自愈式电力电容器的介损能达到万分之一的水平，但由于没有油流散热，容量较大，同时缺乏像电力变压器一样的散热装置，自愈式电力电容器的温升问题显得更加严重且使其寿命也偏短。温度是自愈式电力电容器寿命的主要影响因素，同时也影响其进一步推广应用和设备的高压化、大型化。因此，研究自愈式电力电容器温度场分布将会为自愈式电容器运行维护进而提出降温措施奠定基础。目前也有一些文献涉及并联电力电容器温升问题的研究，包括高压全膜电容器和自愈式电力电容器。现有主流研究主要根据发热与散热相等这一平衡条件来计算温升，在具体计算时通常对传导、对流和辐射过程及相关系数进行一些简化，得到一些根据发热功率、电容器结构和材料参数组成的温升的简化计算公式，方便于现场使用，但精度需要进一步核实而且只能获得最大温升而无法获得电容器芯子及外壳的温度分布，也不能为后续基于外壳关键点的电容器芯子最高温度预测奠定基础。随着科技的发展，采用大型数值计算软件分析电气设备的温度场分布逐渐开始应用。但关于自愈式电力电容器采用大型数值计算软件对其温度场分布的研究未见报道，也并未获得其内部细致的温度分布。为了分析环境温度和承受电压对电容器温升和温度场分布的影响，在Fluent15.0中基于有限体积法建立并求解了自愈式电力电容器温度场模型，获得了外壳、芯子和截面上温度分布情况，然后基于以上建模方法系统地研究了环境温度和电容器承受电压对温升的影响规律。所得结果对自愈式电力电容器运行维护，甚至结构优化等具有一定的参考价值。
一、自愈式电容器结构及自愈原理
自愈式电容器是由电容器心子、外壳、套管、铜箔引线、绝缘灌封胶和其他附属件组成。电容器心子由若干元件组合而成，它占据整个电容器大部分区域，元件是构成电容器的核心单元。电容元件由一定厚度和层数的金属化聚丙烯薄膜围绕绝缘芯棒卷绕而成。在元件的端部采用喷金工艺实现电容器电极的引出，左右两侧的喷金层分别与两个金属电极相连。若干个电容元件通过焊接铜箔引线，串、并联起来从而形成整个电容器心子。在完成电容器心子之后，将心子置于电容器外壳中，抽真空灌注绝缘胶，从而实现电容器对外壳的绝缘。在绝缘胶上方为空气层。介质薄膜生产过程中难以避免缺陷及杂质，进而产生“电弱点”，工作过程中该处首先击穿形成局部放电，产生的焦耳热使薄金属层蒸发扩散，其蒸发面积大于绝缘击穿面积，绝缘得以恢复，完成自愈。
二、温度场分布结果及分析
环境温度设置为35℃，承受电压为有效值为400V的交流电压，后续电压均为交流有效值。利用基于有限体积法的计算流体力学软件包Fluent15.0对自愈式电容器温度场进行仿真计算，在计算过程中观察计算结果的收敛情况，在经过100000次迭代之后，温度场趋于稳定。为了进一步显示温度分布给出了电容器不同截面温度分布，环境温度设置为35℃，承受电压为有效值为400V的交流电压时电容器最大温升为7℃左右，电容器最热点位于芯子内部，芯子温升比外壳温升高3℃左右。外壳大侧面温度高于小侧面，外壳的最热点在大侧面。由芯子中心向芯子外侧温度逐渐下降，到芯子外部的聚氨酯绝缘胶温度进一步下降，到外壳处温度最低。
三、环境温度的影响
自愈式电容器经常安装在室外，大气温度变化很大，这也会影响电容器周围温度。因此，非常有必要研究电容器周围温度对其温升的影响。考虑到自然界的温度变化和电容器发热会使其周围温度升高，同时考虑到一定的裕度。电容器周围温度设置为－25～55℃范围内变化(每20℃一个仿真点)。随着环境温度的升高电容器(芯子)和外壳最大温升明显下降。当温度从－25℃增加到55℃时芯子和外壳的最大温升分别均减少为原来的一半左右。这是由于随着环境温度的升高电容器对应温度也会升高，外壳的辐射换热系数与温度4次方成正比，它的影响明显大于外壳的对流换热系数。因此，环境温度越高电容器散热能力越强，温升越小。环境温度在－25～55℃范围内变化时芯子和外壳的最大温升在6.86～11.00℃和4.08～8.16℃范围内变化。
四、施加电压的影响
高压并联电力电容器承受电压经常发生波动，国标GB/T12747.1—2004规定它可以在1.05倍额定电压电压下长期运行，可以在1.1～1.3倍电压下短期运行。因此，非常有必要研究电容器承受电压对其温升的影响。考虑电容器承受电压在额定值0.9～1.3倍(360～520V)范围内变化，考虑到无论是介质损耗还是金属损耗都与电压的平方成正比。1.3倍额定电压下芯子和外壳的最大温升分别是0.9倍额定电压下对应值的1.81和1.85倍。也就是说随着施加电压幅值的增加电容器(芯子)和外壳最大温升增加速度快于线性但慢于电压增速的平方。这可能是因为虽然发热密度随电压的增加成平方规律增大，但外壳的对流和辐射换热系数随温度增加也有所增大，最终温升是两个因素共同作用的结果。承受电压在0.9～1.3倍范围内变化时芯子和外壳的最大温升在5.84～10.58℃和3.45～6.37℃范围内变化。
并联电力电容器是电力系统中应用非常广泛且必不可少的电气设备，它在电力系统中起着无功补偿、降低功率损耗和维持电压稳定的作用。在并联电容器中高压全膜电容器具有最为广泛的应用。随着油浸全膜式电容器技术的日趋成熟，人们对电力电容器也提出了更高的要求，如:对环境无污染、体积更小、重量更轻、储能密度更大、安全可靠性更高等。在这些新的要求下，国内外研究学者纷纷开展高压电力电容器更新换代技术的研究，其中高压自愈式电容器(也称为金属化膜电容器)以其独有的特点成为了最重要的发展方向之一。由于该电容器具有自愈特性而具有储能密度高、价格低等优势，尤其是其中的干式能满足城市变电所设备无油化的迫切要求，其应用越来越广泛。总之，在Fluent15.0中数值分析获得了自愈式电容器承受交流电压下的外壳和芯子的温度场分布，并分析了环境温度和施加电压幅值对电容器温度场分布的影响，计算结果表明:所有情况下外壳大侧面温度高于小侧面，外壳最高温度在大侧面。随着环境温度的增加电容器最大温升明显下降，外壳和芯子的温度分布定性上没有变化。施加电压为400V，环境温度在－25～55℃范围内变化时电容器最大温升在6.86～11.00℃范围内变化。随着施加电压幅值的增加电容器(芯子)和外壳最大温升增加速度快于线性但慢于电压增速的平方，外壳和芯子的温度分布定性上没有变化。环境温度为55℃，承受电压在0.9～1.3倍范围内变化时电容器最大温升在5.84～10.58℃范围内变化。
参考文献：
[1]李大建.油浸式变压器温度场分析与油流对内部温升影响因素研究[D].西南交通大学,2013.
[2]陶梅,江钧祥.自愈式并联电容器加速寿命试验方法探讨[J].电力电容器与无功补偿,2007(1):41-43.
作者简介：
雒芳艺(1985-)，助理工程师，身份证号：15012419851010xxxx