金属化膜电力电容器研究

金属化膜低压电力电容器研究
金属化膜电容器具有自愈功能，因此也称为自愈式电容器，相比于传统的箔式电极电容器，自愈式电容器具有工作场强高、损耗低、体积小等优点，并且可以做成干式结构，因而受到大家的普遍欢迎。

目前低压电力电容器大部分实现了干式无油化生产，高压并联电容器在上世纪末本世纪初在国内也出现过一个小高潮，后来在运行过程中出现了很多问题，全部被生产厂家召回，给电容器行业留下了一个惨痛的教训和阴影。

自愈式电力电容器出现的质量问题主要表现：
1、电容量衰减比较快，有些电容器运行一年左右甚至更短的时间电容量就出现明显衰减；
2、鼓肚，有些电容器运行一段时间后，外壳膨胀变形，甚至扭曲；
3、爆裂，有些电容器运行一段时间后，顶盖裂开甚至与壳体分离；
4、燃烧，有些电容器顶盖裂开后，起火燃烧，引起火灾，存在严重的安全隐患。

上述问题低压自愈式电力电容器经常发生，绝大部分品牌的电容器都或多或少发生过以上质量问题。

因此如何避免或减少电容器出现以上质量问题，特别避免出现爆炸、燃烧的质量事故，一直是电容器行业努力探讨的主要课题。

一、质量问题发生的原因
1、电容量衰减
通常认为，自愈式电力电容器的电容量衰减是由自愈、氧化、电化学腐蚀等原因造成的。

(1)、自愈对电容量衰减的影响
我们多次重复了以下试验：
①、试验场强：82.5VAC/μm，②、烘箱温度：60℃，③、试验时间：1000小时。

试验后，电容量衰减＜0.5%，损耗角正切增加0.0001～0.0002。

试验后解剖芯子，发现在外面几十圈～几百圈有一些自愈点。

由于电力电容器的工作场强大多低于60VAC/μm，因此电容器实际运行时发生自愈的概率很低，
即使在极端情况下电容器出现过电压而发生自愈，由于自愈而造成的电容量衰减也是微不足道的。

(2)、氧化、电化学腐蚀对电容量衰减的影响
目前自愈式电力电容器大多采用微晶蜡、植物油、黑胶、环氧树酯或电子树脂(聚氨酯)作为灌封材料，这些材料都或多或少存在一定的缺陷。

①、微晶蜡
微晶蜡对聚丙烯薄膜有一定的熔胀作用，电容器运行一段时间后，金属镀层会慢慢脱落，从而导容量衰减。

②、植物油
植物油（如蓖麻油）填充材料含有微量水分和酸性物质，对薄膜的金属镀层有一定的腐蚀作用，从而导容量衰减。

③、环氧树酯或电子树脂(聚氨酯)由双组分及稀释剂组成，其中的固化剂大多由具有一定的酸性或碱性，酸性或碱性固化剂以及稀释剂都对薄膜的金属有一定的腐蚀作用，如果配方或都灌封工艺掌握不好，就会对薄膜边缘金属层造成腐蚀。

环氧树酯或电子树脂(聚氨酯)包封层对于水汽和空气来说都属于半密封结构，不能完全杜绝水汽和空气的流通，而水汽和空气的存在，会对薄膜的金属层造成严重的腐蚀，从而使电容量下降。

我们多次重复了以下试验，将电容器芯子装进塑料外壳中，用环氧树酯灌封后，放在室内半年，然后取出进行试验，试验场强和温度同上，试验时间96小时。

试验后，电容量衰减了20%以上，有些样品甚至衰减了50%以上，损耗角正切增加了0.01以上。

试验后解剖芯子，发现薄膜金属层大片脱落，
从而造成电容量衰减。

综上所述，自愈式电力电容器电容量衰减的是由于薄膜金属层发生了氧化或电化学腐蚀而造成的，自愈对电容量衰减可以忽略不计。

2、鼓肚、爆裂、燃烧
自愈式低压电力电容器在运行过程中会发热使电容器内部温度升高，所用的石化类（微晶蜡）填充材料对薄膜有一定的熔胀作用，植物油类（如蓖麻油）和树脂类填充材料含有微量水分和酸性物质，对薄膜的金属镀层有一定的腐蚀作用。

随着运行时间的延长，电容器介质——聚丙烯薄膜在以上因素作用下，会慢慢老化，绝缘性能劣化，因而出现自愈失败（即击穿）的现象，击穿时薄膜分解成小分子气体(主要成分为H2、CH4、CO等)，同时内部电容器内部温度急剧升高，使电容器内部压力迅速升高导致电容器爆炸甚至燃烧。

为了防止电容器爆炸，电容器内部通常都装了防爆保护结构，主要有机械防爆（主要是压力防爆）保护和电子防爆保护两种结构，其中压力防爆又主要分为顶盖防爆和侧拉防爆两种方式，电子防爆保护主要有过温保护、过流保护、过温和过流混合保护三种方式。

无论哪种防爆保护结构，都存在一定的局限性，不能完全阻止电容器发生爆炸。

压力防爆结构的原理是利用电容器内部压力升高，使电容器向顶盖或侧面变形，带动防爆结构动作，达到切断电源的目的。

自愈式电容器内部压力升高的“源泉”，一是电容器内部温度升高使内部压力增大，二是电容器自愈过程和自愈失败时，产生的气体使内部压力增大，后一种是内部压力增大的主要“源泉”。

电容器自愈过程或自愈失败时产生的气体主要是H2、CO、CH4等，这三种气体占98%以上，这三种气体都是可燃可爆气体，它们在空气中的浓度达到一定比例时，遇到火星就会爆炸。

电容器的防爆线断开的瞬间，断口处产生电弧，这时如果上述三种气体与内部空气的比例正好达到爆炸点时，内部就会发生爆炸，将电容器的顶盖炸开。

另外，如果电容器芯子击穿瞬间产生的气体足够多，内部压力足够大，虽然防爆线已经断开，但还是不能阻止电容器爆炸。

过温保护结构是在电容器内部串接温控器，当内部温度升高时温控器断开从而使电容器与电源断开，防止电容器爆炸。

由于电容器内部空间较大，温控器安装位置很难与内部最热点吻合，因而保护的灵敏度很难保证。

过流保护结构，对电容器的防爆基本没有什么作用，因为金属化电容器运行时，电流是逐渐衰减的，即使在自愈失败时，击穿点是薄膜熔融后变成的半导体，也不会短路，仍然有一定的电阻，这时候芯子
相当于一个容量衰减后的电容和一个电阻的组合体，电流也会降低。

极端情况下，当电容器内部芯子击穿导致芯子端面引线焊点脱落，碰到另一相引线发生相间短路，或其它原因导致内部相间短路时，发生相间短路瞬间将产生巨大的冲击波，这时候所有的防爆保护结构都无法阻止电容器发生爆炸甚至燃烧。

综上所述，电容器发生爆炸的原因主要有三种：
（1）、电容器内部发生相间短路；
（2）、电容器内部可燃气体发生爆炸；
（3）、电容器内部芯子击穿瞬间产生大量的气体。

二、应对策略
1、防止电容量衰减
①、电容器芯子在硅油中进行热定型，定型后，芯子端面浸满的硅油，这芯子而言，相当于一层油封，对薄膜起到良好的保护。

②、使用黑胶作填充料，在众多的填充料中，黑胶与薄膜有良好的相容性，而且价格低、工艺简单。

按以上工艺生产的电容器，容量长期（10年）可以保持稳定。

2、防止爆炸
①、电容器采用非密封结构，防止内部气体的积聚，同时利于电容器散热；
②、采用合适的过温保护结构，电容器内部芯子在自愈失败前，过温保护结构已经动作，避免电容器发生相间短路而引起的爆炸。

采用此结构的电容器，发生爆炸的概率小于十万分之一。

三、总结
金属化电容器宜在硅油中定型，采用黑胶作填充料，用过过温保护结构，产品外壳增加防爆孔（透气孔），这样可保证电容量稳定，避免电容器爆炸。