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基于国产粒子的BOPP膜性能测试及高压电容器试验研究

2024-10-20 270 上传者：管理员

摘要：聚丙烯薄膜是电力电容器核心材料之一，其原材料聚丙烯粒子全部依赖国外进口，为解决这一“卡脖子”问题，近年来多家高校、企业都针对电容器产业链国产化开展了许多研究。本文测试了不同聚丙烯粒子制备的聚丙烯粗化薄膜电气强度、相容性、老化性能等，测试结果表明，国产粒子制备的聚丙烯薄膜与进口粒子制备的聚丙烯薄膜性能相当，在直流电场作用下国产粒子薄膜的击穿场强高于进口粒子薄膜，但分散性较大。基于国产粒子薄膜研制的电容器通过第三方检测机构的试验认证，主要技术指标方面与进口材料电容器性能相当，表明国产粒子制备的聚丙烯粗化薄膜能满足电容器使用需求，有望替代进口粒子实现国产化。

关键词：
介电强度
国产聚丙烯粒子
电容器
老化试验
聚丙烯薄膜
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电力电容器是一种重要的基础工业产品[1]，在电力系统、工业领域、高压试验和军事领域应用十分广泛，主要承担无功补偿、滤除谐波、电压支撑、储能等作用[2-4]。聚丙烯薄膜是电力电容器核心原材料之一。根据薄膜表面粗糙度和空隙率大小，可分为光膜和粗化膜，其中粗化膜为单面或双面粗糙、空隙率大于等于5%的薄膜[5]，主要用来制作油浸式电容器[6]，用于电力系统无功补偿或无源滤波器等。

与包装级聚丙烯薄膜不同，电容器使用的电工级聚丙烯薄膜属于高端薄膜，要求聚丙烯粒子具有极高的纯净度、较高的等规度、良好的耐温性能和电气绝缘强度等[7]。目前电工级聚丙烯粒子全部由国外企业供货[8]，国内企业生产的聚丙烯粒子尚不能满足电工膜的需求，存在“卡脖子”问题[9]。为打破国外企业垄断现状，打造自主可控安全的电容器产业链，近年来多家高校、企业都针对电容器产业链国产化开展了研究[10-14]。中原石化研制的电容器薄膜用聚丙烯粒子PPH-FC03，总灰分含量低于0.003%，等规度达到98%[10]。铜峰电子储松潮等人对比了国产化聚丙烯粒子和进口粒子生产的薄膜、电容器性能差异，认为国产化聚丙烯粒子灰分还需进一步下降，结晶度还需提高[7]。清华大学王昕劼等人对比了不同聚丙烯粒子、不同厂家生产的电容器用聚丙烯薄膜的综合性能，结果显示国产化聚丙烯薄膜仍存在结晶度偏低、薄型膜质量较差的问题[15]，采用国产化聚丙烯薄膜生产的电容器产品性能还需进一步试验验证。

本文对比测试了不同聚丙烯粒子生产的粗化聚丙烯薄膜的电气强度、与苄基甲苯相容性，以及电容器产品的老化性能，并且研制了基于国产聚丙烯粒子的全国产化高压并联电容器，与进口材料电容器主要测试数据进行了对比。

1、电工级聚丙烯粒子和薄膜

聚丙烯（PP）是丙烯通过加聚反应而成的聚合物，化学式（C3H6)n，其外观呈白色，密度0.90～0.91g/cm3，熔点164～170℃，是一种性能优良的热塑性合成树脂[16]。通过双向拉伸工艺生产的聚丙烯薄膜具有质量轻、透明度高、绝缘性能好、机械强度高和耐磨加工性能好等特点，广泛应用于食品、包装、汽车、电子器件等领域[17]。

电容器用聚丙烯薄膜对原材料聚丙烯粒子的要求很高，粒子的性能直接影响薄膜的成型、耐温性能、机械性能及绝缘强度等，进而对电容器的整体性能产生影响。电工级聚丙烯粒子主要参数包括灰分含量、熔融指数、等规度等[18]。灰分反映的是聚丙烯粒子的纯净度，聚丙烯在聚合时通常要添加各类催化剂，会形成Al、Mg、Ti等金属杂质残留[19]，这些金属杂质构成聚丙烯薄膜的电弱点，影响薄膜的电气绝缘强度。电工级聚丙烯粒子纯净度要求极高，灰分含量最好在30 PPM以下[20]，而国产非电工级聚丙烯粒子灰分含量超过100 PPM[7]，因此灰分含量是制约电工聚丙烯粒子国产化的关键因素之一[21]。熔融指数反映的是材料的流动性，对薄膜的加工性能有重要影响，电工级聚丙烯粒子的熔融指数一般控制在3.0 g/10 min左右。等规度反映的是等规聚丙烯在整个聚丙烯中的比例，高等规指数使薄膜拉伸强度高、耐热性能好、膜层表面硬度提升，但是不利于薄膜拉伸和加工，容易发生破裂或断裂。

本文所述国产聚丙烯粒子与进口粒子主要参数的对比见表1。与进口粒子相比，国产粒子熔融指数略低，等规度较高，总灰分不超过30 PPM，与进口粒子还有一定差距，介电常数与进口粒子基本一致。

表1聚丙烯粒子主要参数

本文研究时选用了同一拉膜厂家生产的4种粗化聚丙烯薄膜，薄膜编号、规格及主要参数见表2。采用国产粒子的聚丙烯薄膜力学性能数据和进口粒子产品差异较大，拉伸强度优于进口粒子产品，断裂伸长率则小于进口粒子产品。电气性能方面，采用国产粒子的聚丙烯薄膜在常温下的介电强度高于进口粒子产品，体积电阻率、介电常数与进口粒子产品差异较小，但介质损耗因数差异较大。

表2聚丙烯薄膜主要参数

2、试验与结果分析

为了进一步研究国产粒子和进口粒子生产的聚丙烯薄膜性能差异，对表2所述的4种粗化聚丙烯薄膜进行了电气强度试验、与苄基甲苯相容性试验以及老化试验。

2.1 电气强度试验

依据GB/T 13542.2—2009，使用50点电极法进行直流试验[22]。通过单层薄膜试样进行试验，把试样放置在上下两个电极之间，控制升压速度为0.2～1.0 kV/s，连续升压至薄膜击穿，均匀等距离地移动电极，共测量50点，记录击穿电压数值。依据标准规定的试验结果分析方法，在50个点的测试数据中，去掉5个最大值、5个最小值，计算剩余40点的算术平均值，并找出最小值，用标称厚度计算薄膜击穿场强的平均值和最低值。同时，借助威布尔分布对该测试结果进行分析。

按照GB/T 13542.2—2009规定的方法计算得到的4种薄膜击穿场强平均值和最小值见表3。结果显示，在直流电场作用下，A-1和A-3两种薄膜击穿场强平均值、最小值均高于A-2、A-4两种薄膜。聚丙烯薄膜直流击穿场强的威布尔分布（置信区间为95%）见图1,A-1、A-3两种薄膜的特征击穿场强分别为627.0kV/mm和629.1kV/mm，高于A-2、A-4两种薄膜的特征击穿场强582.6kV/mm和603.9kV/mm。

表3聚丙烯薄膜的直流击穿场强

图1聚丙烯薄膜直流击穿场强的威布尔分布

2.2 相容性试验

绝缘油浸渍将使薄膜发生一定程度的溶解和膨胀，薄膜的溶解，不可避免地将杂质带入油中，对绝缘油的电气性能产生影响。薄膜吸油可以填补微小缺陷，提高薄膜性能，但过多吸油会使薄膜过度膨胀，有可能阻塞薄膜间油隙，影响电容器的局部放电性能[23-24]。因此本试验研究了不同粒子聚丙烯薄膜和苄基甲苯绝缘油的相互作用。

2.2.1 浸渍剂的变化

取4种薄膜样品各1份，放入盛有苄基甲苯的密封容器中，1组空白苄基甲苯油样作对比，5份试样分别编号Y-1、Y-2、Y-3、Y-4和Y-5。5份试样均放入电热烘箱，烘箱设置为100℃，保持96 h。测试试验前和试验后油样的tanδ、重量、耐压值，其中tanδ在不同的电压下进行测试。

试验前后绝缘油重量及耐压变化情况见表4，根据数据变化情况分析得知，试验结束后，5份绝缘油试样重量均有所减少，耐压值均降低。试样Y-5为无薄膜的空白油样，与试样Y-5相比，浸渍薄膜后的试样Y-1、Y-2、Y-3、Y-4耐压值降低幅度更大。4种试样重量变化率相当，耐压值变化率相当，表明国产粒子和进口粒子聚丙烯薄膜对绝缘油的影响没有明显差异。

表4试验前后绝缘油重量及耐压值变化率

不同电压下绝缘油损耗变化情况见图2。

图2不同电压下绝缘油损耗变化情况

试验前Y-5空白油的损耗值最大，试验后空白油样及含薄膜的油样，损耗均有所降低，试验后试样Y-1和Y-2损耗为0.07%～0.1%，试样Y-3和Y-4损耗为0.02%～0.05%，国产粒子和进口粒子聚丙烯薄膜对绝缘油的影响没有明显差异。

2.2.2 薄膜重量变化

取4种薄膜样品各2份放入盛有苄基甲苯的密封容器中，1份置于室温环境下，1份放入烘箱中，烘箱温度60℃，选取测试时间点为：1 h后、2 h后、1天后、1周后以及1个月后。在规定的测试时间点，从容器中取出薄膜样品并用无水酒精擦拭干净，测试薄膜的重量，分析随着时间推移薄膜的重量变化情况。

薄膜浸油后，开始是油分子向膜中扩散，表现为薄膜吸油，重量增加，接着膜中非结晶、非等规部分逐渐被溶解；随着浸渍时间的增加，吸油和溶解都会逐渐于饱和。在室温条件下，分子运动缓慢，温度升高后，分子运动加剧，吸油和溶解也加剧。室温和60℃条件下薄膜溶胀后重量变化分别见图3和图4。依据该曲线，随着时间推移，国产粒子和进口粒子聚丙烯薄膜重量变化特性基本一致，未见明显差异。

图3室温下薄膜溶胀后重量变化

图4 60℃薄膜溶胀后重量变化

2.3 老化试验

设计小容量样机作为老化试验试品，使用编号A-3、A-4的薄膜制作试品各3台，额定电压4.2 kV，额定容量84 kvar，额定电容15.2μF，设计场强77.8 kV/mm（按重量法厚度计算，为电容器设计场强限值的1.2倍以上），内部元件连接方式4串2并，按照正常生产工艺进行试制和生产。

依据GB/T 11024.2—2019规定的试验程序[25]，对6台试品进行1 000 h老化试验，试验前后测量电容值并进行对比，测量介损值tanδ和局部放电量。试验结束后，使用直流电源对样机的每个串联段进行击穿试验，用示波器记录击穿电压值，升压速率为400～500 V/s。

老化试验前后电容器电容变化率见图5，试验前后电容变化率不大于2.2%，没有元件击穿，表明6台试品均通过了1 000 h老化试验的考验。国产材料产品电容变化率为2.0%～2.2%，进口材料产品电容变化率为1.2%～1.3%。试验后产品损耗角正切tanδ小于0.02%，局部放电量小于30 pC，满足标准要求。

图5电容器的电容变化率

电容器元件击穿场强区间图见图6，其中击穿场强按重量法厚度计算得到。根据试验结果，在相同的试验环境下经过1 000 h老化试验后，国产材料电容器元件平均击穿场强为365.44 kV/mm，击穿场强最低值为290.37 kV/mm，进口材料电容器元件平均击穿场强为356.67 kV/mm，击穿场强最低值为343.70 kV/mm。经过老化试验后，国产粒子生产的聚丙烯薄膜的击穿场强略高于进口粒子，但分散性较大。

图6电容器元件击穿场强区间图

3、产品验证与应用

基于国产聚丙烯粒子，研制了BAM11/3-334-1W型全国产化高压并联电容器，在第三方检测试验机构通过了型式试验和老化试验，与进口材料电容器主要测试数据对比见表7。试验数据显示，两种电容器产品在电容偏差、损耗角正切、最热点温度等技术指标方面性能相当，产品均通过了1 700次过电压周期试验和1.4 Un、1 000 h老化试验的考核。

目前，同样的产品正在某变电站挂网运行。

表5电容器试验测试数据（部分）

4、结语

本文测试了不同聚丙烯粒子制备的粗化聚丙烯薄膜电气强度、与苄基甲苯相容性，以及电容器产品的老化性能，并且研制了基于国产聚丙烯粒子的全国产化高压并联电容器，得出如下结论：

1）电气强度试验结果显示国产粒子制备的聚丙烯粗化薄膜的直流击穿场强高于进口粒子。国产粒子和进口粒子制备的聚丙烯薄膜对绝缘油的影响没有明显差异，吸油后聚丙烯薄膜重量变化特性基本一致，未见明显差异。老化试验后，国产粒子聚丙烯薄膜的平均击穿场强略高于进口粒子，但分散性较大；

2）研制的基于国产聚丙烯粒子的高压并联电容器主要性能指标与进口材料制备的电容器在电容偏差、损耗角正切、最热点温度等技术指标方面性能相当，产品通过了1 700次过电压试验以及1.4Un、1 000 h老化试验考核。

现有研究结果表明，国产粗化聚丙烯薄膜能满足电容器使用需求，有望替代进口粒子实现全国产化。当然，目前的研究尚无法充分证明国产电工膜用聚丙烯粒子的可用性和可靠性，工程应用中关注的产品寿命和一致性等问题，还需要在工程中批量化应用得以验证。后续研究工作应聚焦于不同应用场景的电容器研制，以及小批量挂网运行测试，为国产粒子聚丙烯粗化薄膜全面推广应用积累更多数据。

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