电容器组合介质介电常数与压紧系数关系分析
电力电容器的介质结构通常采用固体介质和液体介质组合的方式。由于压紧系数的不同，会导致组合介质的介电常数发生变化。本文通过对组合介质介电常数和元件电容量计算公式的分析，得出了不同介质结构情况下压紧系数变化与组合介电常数之间，以及元件电容与压紧系数之间的关系，对电容器的设计起到一定的指导作用。
电容器中的介质类型主要有固体介质、液体介质或气体介质。固体介质是电力电容器的主要介质材料，液体介质和气体介质在电力电容器中用作浸渍剂，以填充固体介质中的空隙。电容器中的介质通常是由两种或多种介质材料组成的，即组合介质。组合方式多种多样，如浸渍纸、浸渍膜纸、浸渍膜的组合介质等。由于液体介质具有击穿场强高、介电常数大、析气性好等优点，能够提高组合介质的耐电强度，改善局部放电特性和散热条件等，因此是现阶段电容器设计制造的主要介质组合。
1、影响组合介质电气性能的因素
组合介质的电气性能和许多因素有关。内部因素主要取决于所用的介质材料(纸、薄膜以及浸渍剂)的成份，不同材料的选取直接影响到介电常数、耐电强度等指标；而外部因素则包括温度、电场强度、频率、压力等。此外制造工艺对它的电气性能也有很大的影响。
在诸多衡量电气性能的指标中，一个重要指标就是介电常数ε。为了使电容器做到容量大，而尺寸小、重量轻，采用高介电常数的介质是很重要的一个方面。影响组合介质介电常数ε的因素主要有两个方面：一是温度，温度的影响主要取决于各单一介质ε随温度的变化，这点在真空技术网(http：//www.chvacuum.com/)前面发布的许多资料中都有介绍，本文不再讨论；二是组合介质中各个材料本身的ε及在组合介质中所占的比例，现有资料多数介绍的是油浸电容器纸或油浸膜纸组合介质，而目前电力电容器行业普遍采用的是油浸薄膜，所以本文主要分析这种组合介质的介电常数。
2、电容器的压紧系数
电力电容器是由多个元件串并联而成的，对于油浸薄膜介质的电容器，元件在设计制造中绝大多数采用的是铝箔凸出折边的，是压扁式结构，如图1所示。
1-极板(铝箔)；2-薄膜
图1 元件结构图
在压扁式元件中，各介质层和铝箔由于其弹性，彼此间不是严密紧贴而是留有一定空间的，改变元件压紧程度，此空间便会变化。同时元件厚度、介质的介电常数ε、介质损耗角正切(tanδ)及其他特性也会改变。压紧程度可用压紧系数K来表示。对于油浸薄膜组合介质，其示意图如图2所示。
1-极板；2-薄膜；3-电容器油
图2 油浸薄膜组合介质示意图
压紧系数K可用下面的公式计算：
K=dm/d(1)
式(1)中，dm为极板间薄膜介质的厚度；d为两极板间的介质总厚度。
3、组合介质介电常数分析
3.1、组合介质介电常数与压紧系数的关系
对于电力电容器，总希望所用介质的介电常数越大越好，这样在相同体积里可以获得更大的电容量，产生更多的效益。对于油浸薄膜介质，通常认为只要增大其中某一介质的介电常数，则组合介质的介电常数就增大，而提高压紧系数就能增大介电常数。实际情况真是如此吗?我们就根据这种组合介质介电常数的计算公式分析如下。油浸薄膜介质的介电常数εf的计算公式：
式(2)中，εm为膜的介电常数；εy为液体介质的介电常数；K为压紧系数。由电容器设计中的基本公式(2)得出，影响ε的因素，并不只有εm、εy，还有前面提到的压紧系数K。如果已经确定了组合介质材料，即组合介质中各个材料本身的ε已确定，影响组合介质ε的主要是压紧系数K。
将式(2)的分母重新整理，得到：
对式(3)进行分析，压紧系数K的取值在0～1之间，如果εm和εy值给定，得出以下结果：
1)当εy>εm时若K=1，εf最小，其值为εm，即组合介质为单一的膜；若K=0，εf最大，其值为εy，即组合介质为单一的油。这两种情况在实际中不可能出现，εf的值只能在εm和εy之间，且随K反向变化。
2)当εy<εm时若K=1，εf最大，其值为εm，即组合介质为单一的膜；若K=0，εf最小，其值为εy，即组合介质为单一的油。同样，这两种情况在实际中也不可能出现，εf的值仍介于εm和εy之间，但随K正向变化。如果介质组合是已知的，则εm和εy就变成固定数值了。目前电力电容器所用的固体介质主要是聚丙烯薄膜，液体介质主要为苄基甲苯，这两种介质的介电常数分别为2.2和2.65(25℃时)，将这两个数值代入式(3)中，可以确定εf和K之间的关系。对于全膜介质考虑到其膨胀，采用0.75≤K≤0.90。我们在这两个值之间每间隔0.02取K值，由此建立εf和K之间的关系曲线如图3所示。
图3 组合介电常数εf和压紧系数K的关系曲线
从图3中可以看出，在聚丙烯薄膜浸渍苄基甲苯的情况下，随着K值的增大其组合介质的介电常数将减小，但电容量是否会随之减小，还需进一步分析。
3.2、元件电容量与压紧系数的关系
对于油浸薄膜介质电容器，其元件的电容量可用下面的公式计算：
式(4)中，Cy为元件的电容量；εf为组合介质的介电常数；bjb为铝箔极板的厚度；Dp为元件卷绕心轴直径；ωy为元件卷绕圈数；K为压紧系数；dm为极板间薄膜介质的厚度。对于设计好的电容器元件，其bjb、Dp、ωy和dm均为固定值。将这些值与式(4)的数字统一合并为常数A，式(4)可转换为：
Cy=AεfK(5)
再将式(3)代入式(5)，得到：
同样，以聚丙烯薄膜浸渍苄基甲苯分析，将它们的介电常数代入式(6)中，得到：
对于式(7)，继续间隔0.02在0.75～0.90选取K值，由此建立Cy/A和K之间的关系曲线如图4所示。
图4 元件电容量Cy/A与压紧系数K的关系
从图4可以看出，随着压紧系数的增大，元件电容量确实是向增大的方向变化的。但这并不意味着K值越大越好，K值过大，可能造成元件浸渍不良，导致介质强度下降、局部放电等问题的产生，因此在设计时，一定要根据实际情况进行计算，选取适当的K值。
4、结论
从以上分析，可以得出如下结论：
1)压紧系数K对ε的影响主要取决于εm和εy的关系，并不是压紧系数K越大ε越大，或者压紧系数K越小ε越大，需根据具体的εm和εy的数值进行分析；
2)在聚丙烯薄膜浸渍苄基甲苯的情况下，随着K值的增大其组合介质的介电常数将减小；
3)在聚丙烯薄膜浸渍苄基甲苯的情况下，随着K值的增大元件电容量将增大。
