電容器組合介質介電常數與壓緊系數關系分析
電力電容器的介質結構通常采用固體介質和液體介質組合的方式。由于壓緊系數的不同，會導致組合介質的介電常數發生變化。本文通過對組合介質介電常數和元件電容量計算公式的分析，得出了不同介質結構情況下壓緊系數變化與組合介電常數之間，以及元件電容與壓緊系數之間的關系，對電容器的設計起到一定的指導作用。
電容器中的介質類型主要有固體介質、液體介質或氣體介質。固體介質是電力電容器的主要介質材料，液體介質和氣體介質在電力電容器中用作浸漬劑，以填充固體介質中的空隙。電容器中的介質通常是由兩種或多種介質材料組成的，即組合介質。組合方式多種多樣，如浸漬紙、浸漬膜紙、浸漬膜的組合介質等。由于液體介質具有擊穿場強高、介電常數大、析氣性好等優點，能夠提高組合介質的耐電強度，改善局部放電特性和散熱條件等，因此是現階段電容器設計制造的主要介質組合。
1、影響組合介質電氣性能的因素
組合介質的電氣性能和許多因素有關。內部因素主要取決于所用的介質材料(紙、薄膜以及浸漬劑)的成份，不同材料的選取直接影響到介電常數、耐電強度等指標；而外部因素則包括溫度、電場強度、頻率、壓力等。此外制造工藝對它的電氣性能也有很大的影響。
在諸多衡量電氣性能的指標中，一個重要指標就是介電常數ε。為了使電容器做到容量大，而尺寸小、重量輕，采用高介電常數的介質是很重要的一個方面。影響組合介質介電常數ε的因素主要有兩個方面：一是溫度，溫度的影響主要取決于各單一介質ε隨溫度的變化，這點在真空技術網(http：//www.jbb188188.com/)前面發布的許多資料中都有介紹，本文不再討論；二是組合介質中各個材料本身的ε及在組合介質中所占的比例，現有資料多數介紹的是油浸電容器紙或油浸膜紙組合介質，而目前電力電容器行業普遍采用的是油浸薄膜，所以本文主要分析這種組合介質的介電常數。
2、電容器的壓緊系數
電力電容器是由多個元件串并聯而成的，對于油浸薄膜介質的電容器，元件在設計制造中絕大多數采用的是鋁箔凸出折邊的，是壓扁式結構，如圖1所示。
1-極板(鋁箔)；2-薄膜
圖1 元件結構圖
在壓扁式元件中，各介質層和鋁箔由于其彈性，彼此間不是嚴密緊貼而是留有一定空間的，改變元件壓緊程度，此空間便會變化。同時元件厚度、介質的介電常數ε、介質損耗角正切(tanδ)及其他特性也會改變。壓緊程度可用壓緊系數K來表示。對于油浸薄膜組合介質，其示意圖如圖2所示。
1-極板；2-薄膜；3-電容器油
圖2 油浸薄膜組合介質示意圖
壓緊系數K可用下面的公式計算：
K=dm/d(1)
式(1)中，dm為極板間薄膜介質的厚度；d為兩極板間的介質總厚度。
3、組合介質介電常數分析
3.1、組合介質介電常數與壓緊系數的關系
對于電力電容器，總希望所用介質的介電常數越大越好，這樣在相同體積里可以獲得更大的電容量，產生更多的效益。對于油浸薄膜介質，通常認為只要增大其中某一介質的介電常數，則組合介質的介電常數就增大，而提高壓緊系數就能增大介電常數。實際情況真是如此嗎?我們就根據這種組合介質介電常數的計算公式分析如下。油浸薄膜介質的介電常數εf的計算公式：
式(2)中，εm為膜的介電常數；εy為液體介質的介電常數；K為壓緊系數。由電容器設計中的基本公式(2)得出，影響ε的因素，并不只有εm、εy，還有前面提到的壓緊系數K。如果已經確定了組合介質材料，即組合介質中各個材料本身的ε已確定，影響組合介質ε的主要是壓緊系數K。
將式(2)的分母重新整理，得到：
對式(3)進行分析，壓緊系數K的取值在0～1之間，如果εm和εy值給定，得出以下結果：
1)當εy>εm時若K=1，εf最小，其值為εm，即組合介質為單一的膜；若K=0，εf最大，其值為εy，即組合介質為單一的油。這兩種情況在實際中不可能出現，εf的值只能在εm和εy之間，且隨K反向變化。
2)當εy<εm時若K=1，εf最大，其值為εm，即組合介質為單一的膜；若K=0，εf最小，其值為εy，即組合介質為單一的油。同樣，這兩種情況在實際中也不可能出現，εf的值仍介于εm和εy之間，但隨K正向變化。如果介質組合是已知的，則εm和εy就變成固定數值了。目前電力電容器所用的固體介質主要是聚丙烯薄膜，液體介質主要為芐基甲苯，這兩種介質的介電常數分別為2.2和2.65(25℃時)，將這兩個數值代入式(3)中，可以確定εf和K之間的關系。對于全膜介質考慮到其膨脹，采用0.75≤K≤0.90。我們在這兩個值之間每間隔0.02取K值，由此建立εf和K之間的關系曲線如圖3所示。
圖3 組合介電常數εf和壓緊系數K的關系曲線
從圖3中可以看出，在聚丙烯薄膜浸漬芐基甲苯的情況下，隨著K值的增大其組合介質的介電常數將減小，但電容量是否會隨之減小，還需進一步分析。
3.2、元件電容量與壓緊系數的關系
對于油浸薄膜介質電容器，其元件的電容量可用下面的公式計算：
式(4)中，Cy為元件的電容量；εf為組合介質的介電常數；bjb為鋁箔極板的厚度；Dp為元件卷繞心軸直徑；ωy為元件卷繞圈數；K為壓緊系數；dm為極板間薄膜介質的厚度。對于設計好的電容器元件，其bjb、Dp、ωy和dm均為固定值。將這些值與式(4)的數字統一合并為常數A，式(4)可轉換為：
Cy=AεfK(5)
再將式(3)代入式(5)，得到：
同樣，以聚丙烯薄膜浸漬芐基甲苯分析，將它們的介電常數代入式(6)中，得到：
對于式(7)，繼續間隔0.02在0.75～0.90選取K值，由此建立Cy/A和K之間的關系曲線如圖4所示。
圖4 元件電容量Cy/A與壓緊系數K的關系
從圖4可以看出，隨著壓緊系數的增大，元件電容量確實是向增大的方向變化的。但這并不意味著K值越大越好，K值過大，可能造成元件浸漬不良，導致介質強度下降、局部放電等問題的產生，因此在設計時，一定要根據實際情況進行計算，選取適當的K值。
4、結論
從以上分析，可以得出如下結論：
1)壓緊系數K對ε的影響主要取決于εm和εy的關系，并不是壓緊系數K越大ε越大，或者壓緊系數K越小ε越大，需根據具體的εm和εy的數值進行分析；
2)在聚丙烯薄膜浸漬芐基甲苯的情況下，隨著K值的增大其組合介質的介電常數將減��；
3)在聚丙烯薄膜浸漬芐基甲苯的情況下，隨著K值的增大元件電容量將增大。
