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金屬化膜電容器元件自愈失敗過程研究
王荀1、陳偉2,徐夢蕾1、徐志鈕1，王子建1，尹婷3,周志成4 (1.華北電力大學河北省輸變電設備安全防御重點實驗室，河北保定071003；2.國家電網有限公司，北京100031；3.中國電力科學研究院有限公司，北京100191；4.國網江蘇省電力有限公司，南京211103)
摘 要：金屬化膜電容器的自愈性雖能在發生局部擊穿時自動恢復絕緣，但持續性放電引發自愈失敗仍能導致災難性故障的發生。為探其自愈失敗過程，對電容器元件施加較高直流電壓，通過并聯電容間接測量擊穿點處的電壓和電流，分析自愈失敗時的發展過程，推導其擊穿點的阻抗特性。試驗結果表明：自愈失敗是以一個較大的自愈過程為先導，在元件徹底擊穿之前，會有持續時間為幾毫秒的頻繁自愈過程，這些自愈電流的峰值隨電壓的減小而下降；在元件徹底擊穿的過程中，隨著持續放電的進行，擊穿點的等效電阻在逐漸減小，阻值最小值已基本接近完全短路。本文通過對自愈失敗過程的研究，為熔絲保護和安全膜設計提供參考。 關鍵詞：金屬化膜電容器；自愈失敗；阻抗特性
0 引言金屬化膜電容器的自愈特性是電容器在“電弱點”發生擊穿時，絕緣性能可重新恢復且維持正常的工作狀態。如果擊穿過程中的金屬電極不完全蒸發或絕緣介質中的碳沉積促進了電容器的持續放電，將導致電容器徹底擊穿即自愈失敗。了解金屬化膜電容器自愈失敗時的發展過程和阻抗特性，通過設計改進，可提高電容器的可用性，避免災難性故障的發生。 對金屬化膜電容器的研究一般側重于其自愈特性，Kammermaier J等人提出有機介質等離子體感應自愈模型并進行相應數學分析研究；孔中華等人用兩種試品膜來研究金屬化膜電容器的自愈特性：隨著施加電壓增加，自愈能量與自愈面積不斷增大，增大壓強，自愈能量、自愈電流和自愈面積從急劇減小到漸漸趨于緩和；文獻在干式和浸油的兩種情況下，研究金屬化膜電容器發生局部擊穿時，金屬層厚度、電容量和外施電壓等多種因素對自愈性能的影響；文獻對自愈電弧熄滅的關鍵參數進行研究，提出電流密度、電場和功率密度判據，經過數學推導與計算得出可用于解釋自愈電弧的熄滅功率密度判據；文獻通過對不同方阻、不同種類的金屬電極進行蒸發試驗，研究自愈電弧燃燒過程中的動態特性，并根據實驗結果建立了自愈電弧等效模型，用等效電路來代替自愈過程中電弧弧道電阻大小變化的方法實現對自愈電弧的理論計算；文獻研究提出自愈物理化學模型，分析計算了自愈過程中形成石墨的厚度，認為電極越厚，外施電壓越大，在自愈過程中形成的石墨層也越厚，自愈越難成功。綜上所述，國內外對金屬化膜電容器的自愈特性研究已經較為完善。文獻通過簡單試樣的模擬試驗分析了高場強下金屬化膜自愈失敗原因，認為在自愈過程中，自愈點注人能量的大小是決定自愈能否成功的關鍵因素，闡述了注入能量過大引起自愈失敗的機理。文獻在T型金屬化膜自愈失敗仿真中認為，自愈失敗過程中的短路擊穿電阻在相當長的一段時間內維持在幾歐姆到幾百兆歐姆的數值上。可見針對金屬化膜電容器自愈失敗過程的理論分析和數理模型涉及較少，因此對其研究仍有待完善。 本文通過對金屬化膜電容器元件施加直流電壓來進行自愈失敗試驗研究，間接測量并聯支路的電流和電壓得到實際通過擊穿點處的電流和兩端電壓，分析自愈失敗時的發展過程，推導其擊穿點處的阻抗變化特性，為熔絲保護和安全膜設計提供參考。 1 試驗原理與回路1.1 試驗原理金屬化膜電容器元件的自愈失敗，通常是自愈過程縱向發展的結果，即在某一層金屬化膜上發生的自愈引發其相鄰層金屬化膜在同一位置上也發生自愈,這一過程的擴散導致在較小范圍內和較短時間內連續多次發生擊穿，金屬層蒸發產生的金屬蒸汽和聚丙烯膜分解產生的石墨蒸汽在一個較小的范圍內集中，最終發生自愈失敗，導致元件徹底擊穿短路。 對自愈失敗過程的研究無法通過研究金屬化膜搭接形成的膜電容來實現，對于兩層金屬化膜構成的膜電容而言，無論施加多高的電壓，產生多么嚴重的自愈過程，最終均可通過增大自愈面積產生足夠的沿面放電距離來阻止持續擊穿放電的發生。因此，研究自愈失敗，只能在元件兩端施加高電壓使其徹底擊穿，擊穿發生時元件電容對擊穿點進行放電，采用在被測電容器元件C0兩端并聯另一個電容Cp的方式，通過測量并聯電容上流過的電流Ip，進而推算流過擊穿位置的電流Im。對于這兩個電流的關系，可以用式（1)表示。這一計算公式同樣適用于測得的自愈電流。
對于并聯電容兩端的電壓Up和流過并聯電容的電流Ip，應滿足如式(2)所示的關系式。
1.2 試驗電路 將4個額定電壓為1000 V、電容量為40μF
圖1 試驗等值電路圖
圖中:C0為試品電容器元件；Cp為4個串聯電容器的等效電容；R為自愈失敗時擊穿點的等效電阻；Ip為并聯電容Cp對擊穿點的放電電流；I0為試品元件對擊穿點的放電電流；Im為流過擊穿點的總電流。 2 試驗結果2.1自愈失敗電壓與電流在發生自愈失敗時，電源保護會很快跳閘。整個過程基本是試驗元件和并聯電容對擊穿處電阻放電的過程。并聯電容兩端的電壓波形如圖2所示，流過并聯電容的電流如圖3所示。
圖2 并聯電容兩端電壓
圖3 流過并聯電容電流
由電壓、電流波形可以看出，在未發生自愈之前，電容兩端電壓保持在2780V左右。在10ms時刻發生了一次幅值較大的自愈，此時電容兩端的電壓為2762 V。而后在10～15ms內發生了多次連續的自愈過程，電壓開始小幅度緩慢下降。在15ms時刻之后，元件徹底擊穿,產生了一個幅值較大、持續時間較長的放電電流，此時電壓開始快速下降直至為零，在23ms時刻左右放電停止。從擊穿放電開始的15ms到電壓下降到500V的22ms時刻的時間范圍內，在擊穿放電電流中仍然混有大量的自愈電流。隨著放電過程的進行，電容器兩端電壓逐漸減小，這些自愈電流的幅值也隨之減小直至自愈 過程不再發生。 2.2 擊穿前自愈過程對電流波形進行分析，可以認為，元件擊穿是由10?15ms內連續多次的自愈過程引起的。對于10ms時刻發生的自愈而言，之前至少10ms的時間范圍內，元件沒有發生任何自愈。因此，連續的自愈過程明顯是以10ms時刻的峰值較大的首次自 愈為直接誘因。 對于這一自愈過程，其測得的電流峰值達到40A，持續時間為0.03ms，該電流波形如圖4所示。則流過金屬化膜電容器元件自愈點處的自愈總電流峰值為208.8A,持續時間為0.03ms。對自愈能量進行計算得到的結果為9280 mJ,為電容器總儲能的4.5%，計算公式為
這一自愈過程中的自愈電流峰值和自愈能量均遠大于金屬化膜搭接形成的膜電容上的自愈過程結果。因此,基本可以推斷，這一自愈過程是在多層膜上的同一點處同時發生的自愈過程相疊加，較大的能量集中在很小的范圍內，進而引發了之后的連續多次自愈和擊穿放電。
圖4 首次自愈電流
對于10?15ms內連續多次的自愈過程,其電流峰值基本不超過25A,則流過自愈點的電流不超過130A。在這一時間段內，消耗的能量為65074mJ,為電容器總儲能的31.8%，平均有功功率高達13kW。 可見，在第一次自愈發生后，雖然元件尚未徹底擊穿，但自愈位置附近的結構已經遭到嚴重破壞，絕緣性能大幅下降，使得自愈過程在同一位置附近頻繁發生,熱量在較小的空間范圍內持續大量地累積，最終導致此處的絕緣遭到徹底破壞，使得元件擊穿。 2.3 擊穿放電電流對測量到的電流進行濾波處理，濾除高頻分量，得到的波形基本可以認為是元件擊穿時并聯電容對擊穿處放電的電流。處理后的電流波形如圖5所示。
圖5 擊穿故電電流
處理后的電流波形峰值為42.9A，則擊穿放電總電流的峰值為223.9A,持續時間在8ms左右。根據電壓波形與處理后的電流波形計算放電過程中消耗的能量，得到的結果為195.1J,平均熱功率 接近20kW，總電容值為52.2μF 2.4 擊穿點等效電阻將測得的流過并聯電容的電流換算為流過擊穿點的電流，以對應時刻的電壓與之相除，可以計算得出各時刻擊穿點的等效電阻值。在擊穿放電過程的15～23ms時間范圍內，得到的等效電阻的變化曲線如圖6所示。
圖6 擊穿點等效電阻
可以看出，自愈失敗擊穿點的等效電阻是呈現下降趨勢的，在擊穿剛發生時等效電阻是比較大，最高接近25000Ω。隨著擊穿放電過程的發展，擊穿部分被持續破壞，等效電阻也隨之下降，在接近放電過程結束時，等效電阻的大小已經低于20在放電過程中等效電阻會有增大變化，但整體是成下降趨勢。其原因在于，雖然擊穿點部分在熱功率的作用下絕緣是在被破壞的，但部分已經導通的位置也可能在高溫的作用下融化而重新斷開，使得等效電阻在部分時段出現一定的上升。 3 結束語根據金屬化膜電容器元件自愈失敗試驗的結 果，得出以下結論： 1）金屬化膜電容器元件發生自愈失敗之前，會有持續時間在幾毫秒的頻繁自愈過程，而這一過程 又是以一個較大的自愈過程為先導的。 2）對于自愈失敗的放電過程，其前半部分會伴隨頻繁自愈過程，這些自愈的電流峰值大小隨電壓下降而隨之下降，直至電壓降為約500V左右停止。 3）濾除自愈電流得到并聯電容放電電流的波形，其在接近放電過程結束的時刻達到峰值42.9A，計算得到對應的擊穿放電總電流的峰值為223.9A，放電過程的平均功率接近20kW。 4）根據電壓電流波形計算放電過程中的擊穿點等效電阻，得到等效電阻隨時間的變化曲線。結果表明，隨著放電過程的發展，擊穿點的等效電阻在逐漸減小，阻值最小值已基本接近完全短路。 由此可見，金屬化膜電容器元件在擊穿后的發熱十分嚴重，如果不及時切斷，極有可能引發火災或爆炸。同時,根據試驗結果，在自愈失敗放電過程的初期，元件擊穿點的等效電阻仍然很大，擊穿電流較小，使得故障判斷較為困難，常規的內熔絲保護等方式很難及時切斷，這就需要一種更加準確快速的保護方式，及時切斷失敗的元件或單元以避免嚴重后果的發生。 本試驗外接并聯電容所產生的串聯電感會對測量值和計算值造成影響，本文并未考慮，但這并不影響對自愈失敗過程狀況的研究結論。 |
的電容器組在
