高场强下金属化膜脉冲电容器特性的试验研究

高场强下金属化膜脉冲电容器特性的试验研究T est and Research o n Pro perties of M etalized Film Pulsed Capacitors under High Electric Stress华中理工大学(武汉430074)　代　新　林福昌　姚宗干　李　劲　黄　斌摘　要　介绍了金属化膜电容器的工作原理,研究了金属化膜脉冲电容器与箔式电容器工作特性的差别。

并结合金属化膜电容器试品的解剖分析结果,对在高场强下金属化膜脉冲电容器的试验特性进行了分析与探讨Abstract T his paper presents so me ba sic pr inciple of metalized film pulse capacito rs.T he differ neces o f w or king pro per ties betw een t hem and film-fo il capacitor s are studiedthr ough la rg e quant ity o f ex periment s.T he ex perimental pro per ties of m etalized film pulse capacito rs under hig h electr ic st ress ar e discussed and studied in refer ence to dissection analy sis of mo del capa citor s.关键词　金属化膜　脉冲电容器　高场强Key words metalized film pulse capacitor s hig h electric stress中图分类号　T M 53 文献标识码　A0　引　言金属化膜电容器目前主要用于低压领域,其工作场强很低。

目前已开始应用于高压领域,如高压补偿电容器和耦合电容器[1]。

这种电容器与箔式电容器相比,具有很多不同的特性,其中最突出的是具有“自愈性”。

金属化膜电容器一般以有机薄膜做介质,由于膜在生产过程中带有缺陷或杂质,使得这些区域的耐电强度低于周围地方的耐电强度,这些区域称为“电弱点”。

随着外施电压的升高,在电弱点处薄膜会击穿,电荷通过击穿点形成大电流,引起局部高温。

击穿点处的薄金属层会迅速蒸发和向外扩散使绝缘恢复,局部击穿不会影响到整个电容器,这一过程称为“自愈”,见图1。

自愈后电容器承受更高的电压(场强),但由于生产工艺条件和电容器附近介质层对自愈过程的影响[2],电容器的最高场强达不到图1　自愈过程原理图单块金属化薄膜所能到达的最高场强。

金属化膜电容器存在一些新的问题,包括物理、化学特性对自愈的影响,电老化对金属层的腐蚀以及电容器端部的电接触等。

在高场强(几百kV /m m )下,这些问题愈发突出。

本文以最常用的金属化聚丙烯膜脉冲电容器为例,对金属化膜脉冲电容器的电容量、介损等参数在高电场强度下的变化特性进行研究和分析。

1　试品及装置1.1　试品为使电容器试验的结果具有普遍性,用上百个试品进行试验。

试品有A 、B 两种,A 类为单个元件;B 类为内串式结构元件,均为金属化膜脉冲电容器,油浸结构,介质为聚丙烯薄膜。

1.2　试验条件及装置本文试品的试验条件均为:3～6s 放电间隔,振荡放电,反峰系数 为20%,振荡周期为500 s 。

图2为充放电试验回路;图3为典型的电容器放电时电压波形图,图中放电起始电压为U 0,第一个反峰电压为 U 0。

图2　试验装置原理图图3　放电时电容电压的波形图2　试验结果及分析2.1　电容量与充放电次数的关系图4所示即为在不同的工作场强下,A 类电容量与充放电次数的关系;图5为A 类介质损耗与充・17・2000年4月 高电压技术 第26卷第2期 放电次数的关系。

图中1为200kV /mm ,2为250kV /mm ,3为292kV /mm 。

从图4可看出,随工作电压的增加,金属化膜电容器的电容量下降得越快。

当电容量下降在一定范围内时,电容器的性能还是稳定的,其介质损耗上升也很小。

但一旦超出一定的界限,电容器的性能便急剧恶化,介质损耗迅速上升,电容量也迅速衰减。

对于工作在高场强下的储能电容器,当电容量损失超过5%时,每次充放电造成的电容量损失会大大上升,使得电容器的性能不再可靠,因此以5%的电容量损失为其工作寿命终止的指标[2]。

对脉冲电容器而言,由于和脉冲电源的其它部件配合使用,当其性能不稳定时,会使整个电源系统难以正常工作。

因此,对于金属化膜脉冲电容器,其工作寿命应指其在性能稳定时的充放电次数,通常指电容变化量在5%以内时的重复充放电次数。

图4　电容量与充放电次数的关系图5　介质损耗与充放电次数的关系2.2　工作电压、反峰电压系数与电容器寿命的关系如前所述,对金属化膜脉冲电容器,其寿命指标衡量方法与普通箔式脉冲电容器有所不同,工作寿命应当以电容器的电容量在一定的变化范围(通常为5%)以内的重复充放电次数来衡量。

A 、B 类试验表明,金属化膜脉冲电容器的平均工作寿命随工作电压的升高而下降,在10%和20%反峰下的试验结果也与箔式电容器的试验结果一致[3],见表1、2。

表1、2中的试验均是在3s 放电间隔和500 s 放电周期下进行。

需要说明的是,电容器试品的试验结果跟具体制作工艺有关,表1、2中箔式电容器和金属化膜电容器试品来自不同的试制单位,其数据不能说明金属化膜电容器的性能较箔式电容器差。

但是,在金属化膜电容器的试验中还发现一些与普通箔式电容器不同的地方。

如图5所示,金属化膜电容器的介损在开始时是随充放电次数的增加而降低,随后才逐渐加大。

而箔式电容器的介损则是持续增加的。

此外,金属化膜电容器先在相对低压下经过耐压或短时充放电后再做高压下的充放电试验,其寿命比直接在高压下做充放电试验的次数要高20%～40%。

表1　工作场强与电容器寿命的关系场强/(kV ・mm -1)　250　300310箔式电容寿命353006075130场强/(kV ・mm -1)　225　250292A 类电容寿命/次40792091878B 类电容寿命/次57503748173表2　反峰系数与电容器寿命的关系反峰系数/%1020寿命/次箔式电容55692280B 类电容3748　454 自愈过程中电弱点吸收能量一般可表示为:W ∝Ct 2E 4(1)式中:C 为电容量;t 为蒸镀金属层厚度;E 为外施电压。

对于蒸镀金属层厚度一定的电容器,在直接加上高压时,会使有些电弱点(耐电强度最差的区域)在局部击穿时吸收的能量过高,远超过使其自愈所要求的能量,使击穿时产生的热量无法散失,导致击穿点附近发生粘连而失去自愈能力,致使电容器失效。

2.3　对金属化膜脉冲电容器端部接触的分析由于金属化膜已较好地解决了介质薄膜的电弱点问题,在保证电容量的情况下,电容器端部接触的好坏直接影响到电容器的质量。

特别是应用于电磁发射等领域的高储能密度脉冲电容器,由于其工作在很高的场强(300～400kV /mm )下,其端部往往要通过很大的脉冲电流,此外还要求电容器能承受短时故障情况下的高幅值和高电压反峰的故障电流。

端部接触不好,会增大端部的接触电阻,加大电・18・ Apr.2000 HIGH VOLTAGE ENGINEERING Vol.26No.2容器的损耗,端部的发热更为严重;另一方面,端部的电流分布更加不均匀,使局部接触点或面的工作环境更为恶化,大大降低金属化膜电容器的工作潜力,缩短其工作寿命。

本文所做的试验中就有一批电容器,在并不太高的场强(200kV/mm)下工作时,在充放电次数并不多的情况下,电容量却下降得很厉害,多达50%以上。

如此高的电容损失率难以用自愈现象加以解释,而且在解剖此类电容器时,并没有在膜上发现很多自愈的痕迹,却发现其端部喷金层的连接变得极为松散,很容易剥落。

金属化膜电容器端部的接触受很多因数的影响,包括电容器所用的介质材料、金属膜端部的方阻值、电容器芯子热处理的温度、金属喷枪喷出的金属粉末的速度等。

当放电条件(振荡频率、放电反峰等)一定时,电容器端部的线电流密度仅取决于电容器芯子的有效高度和电容器的工作场强,而与电容量无关。

因此,合理选取电容器的有效高度和工作场强可以控制端部电流。

同时,改进电容器的设计,如减小金属膜边缘的方阻等,也可改善电容器端部的接触。

2.4　试品解剖情况的分析将电容器的失效分为两种:一种是由于电容器膜中间出现大面积的无法自愈的击穿点(往往是蜂窝状或筛状)而使绝缘电阻很低;另一种是由于电容器端部松动或脱落而使电容量大幅降低或完全失效。

后一种情况伴随着在端部附近发现大面积连成一片的击穿孔,约占到后者的60%左右。

这可能是由于在端部发生击穿后,流过端部喷金层的放电电流过大,油受热分解产生气体,使端部脱落或松动。

此外,电容器试品的试验电压越高,后一种原因导致电容器失效所占比率越大。

这说明工作场强越高,电容器端部的线电流密度越大,也越有可能因为端部的接触问题而使电容器失效。

在跟踪电容量变化时,发现有部分试品电容量下降得很厉害,甚至充放电数次就造成相当的电容损失。

同样,解剖时没有在膜上发现很多自愈的痕迹,但发现其端部喷金层的连接极为松散,很容易剥落。

说明端部接触的好坏将直接影响电容器的性能。

当今,电容器越来越趋向小型和轻量化,金属化膜电容器不仅降低了尺寸和重量,同时通过充分利用金属化介质的自愈特性增加了电容器的稳定性。

可以看到,金属化膜电容器在脉冲电容器领域的应用将越来越广泛。

3　结　论a.金属化膜脉冲电容器工作寿命应以在电容量损失控制在一定范围内的充放电次数来表示。

b.金属化膜脉冲电容器的工作寿命受电压、放电反峰等因数的影响,条件不同,其寿命也不同。

c.端部的接触对提高金属化膜脉冲电容器的性能,发挥金属化膜的潜力有很大的影响。

特别是对高储能密度脉冲电容器,端部的接触起到非常重要的作用。

参考文献1　Y o shida Y et al.P ow er capacito rs.IEEE T sans on Electrical I nsula tion,1986,21(6):9632　Sar jeant W J et al.Ener gy stor age capacit or s:A ging and diagnostic appro aches for life validatio n.IEEE T rans on M a gnetics,1997,33(1):5013　代　新等.全膜脉冲电容器寿命特性的试验研究.高电压技术,1998,24(3):65(收稿日期　2000-01-12)代　新　1976年生,博士生,从事高电压技术研究。