|
影響金屬化膜脈沖電容器壽命試驗的因素研究
陳松，李兆林，盧有盟 (桂林電力電容器有限責任公司，廣西桂林 541004)
摘 要：金屬化膜脈沖電容器在壽命試驗的過程中，涉及到的試驗參數較多，不同的試驗參數對試 驗結果都會有影響。本文通過元件的試驗研究，研究這些參數的相互關系及影響的程度，為進一步 開展產品的試驗研究及分析試驗結果提供幫助。 關鍵詞：金屬化膜；脈沖電容器；反峰系數；電場強度；充放電周期
0 引言金屬化膜由于其具有優良的“自愈”性能而突顯金屬化膜電容器的工作場強高，儲能密度高的優勢而得到了人們普遍認可。 金屬化膜即通過真空蒸鍍的方法將金屬蒸發氣化后附著在薄膜(基膜）的表面，薄膜厚度一般在2.5～10μm，金屬層厚度一般在50～700nm。現在使用的基膜以聚丙烯薄膜為主。金屬化膜在使用的過程中，隨著工作電壓的升高，有電弱點處的薄膜出現局部擊穿，擊穿處的電弧放電所產生的能量足以使電擊穿點鄰近處的金屬層蒸發，使擊穿點周圍與極板隔開，電容器繼續正常運行，這就是人們所說的“自愈”性能。但若“自愈”點過多，材料的有效使用面積減少，電容(C)勢必下降；當電容下降到一定的范圍，繼續運行會使剩余電容損失更快，產品變得不再穩定可靠，此時電容器就要退出運行。 金屬化膜電容器的品種有很多,脈沖電容器就是其中之一。脈沖電容器也稱為儲能電容器，能夠在較長時間內充電，而在極短時間內放電，從而形成一個巨大的脈沖功率。脈沖電容器的使用領域很廣，對電容器的基本要求是經過規定次數的充、放電運行后，C衰減量一般要求控制在5%～10%范圍。 本文通過高電壓金屬化膜脈沖電容器元件在不同試驗條件下的充放電對比試驗，以研究充電電源、放電反峰系數、充電電場強度、充放電周期、放電線電流密度等因數對元件壽命的影響，同時就試驗中出現問題進行分析討論。 1 主要影響因素的試驗研究本文的金屬化膜脈沖電容器元件充放電試驗中主要使用的恒壓源試驗的線路見圖1和恒流源試驗的線路見圖2。
圖1 充放電試驗路線圖
圖2 充放電試驗路線圖
圖1、圖2中:T1為調壓器；T2為變壓器；V為整流硅堆；R1為充電電阻；R2為放電電阻；L為放電電感；S1為放電開關；S2為真空開關；C為試品；V為電壓表： 1.1 試驗電源的影響在脈沖電容器的充放電試驗中，充電裝置電源一般選用恒壓源或恒流源。恒壓源對電容器的充電電壓是按指數規律隨時間增長而趨于規定值；恒流源對電容器的充電電壓是隨著時間線性增長到規定值,兩種電源充電電壓隨時間變化趨勢見圖3。 共設計兩種結構、4組試品（不同廠家的薄膜、不同介質厚度、不同方阻、不同分切方式)試驗，每組試品6個元件并聯試驗。同一組元件在試驗電壓（場強）、放電峰值電流、反峰系數、放電脈寬、充放電周期均一致前提下比較恒壓源充電和恒流源充電對試品壽命的影響，以每組元件平均電容衰減約5%時的放電次數（即充放電試驗后電容相比初始電容下降的幅度約5%，以下同）作為考核數據，試驗結果見表1(表中初始電容、最終電容均指并聯試驗的平均單個元件電容，以下同）。
圖3 恒壓源/恒流源充電趨勢圖
表1 試驗電源對比拭驗結果
從表1可知，兩種結構4組試品分別進行兩種電源充電后的放電試驗，當電容衰減到約5%時，相同結構類型的試樣，兩種電源充放電次數總體差異不大，個別組的差異稍大有待進一步分析。同時，也可說明脈沖電電容器元件試驗場強在400MV/m左右、充電時間一致的條件下，恒壓源或恒流源對其充放電壽命試驗結果基本一致。 1.2 反峰系數的影響當電容器放電時，由于放電回路的電感和電阻的影響，放電回路將出現振蕩，電容器在放電時形成的振蕩波中電壓波的第一個反符號振幅與前一個振幅之比的百分數為反峰電壓率(即反峰系數)。國內外諸多文獻中都曾提到過脈沖電容器在不同反峰系數辦下壽命關系的經驗公式為
為了更詳實具體對比分析出其中關系，本文進行了反峰系數對元件壽命影響的研究試驗，試驗在兩種不同場強各4組試品中進行，每組4個元件并聯進行試驗，每組元件放電峰值電流和脈寬基本一 致,充電電源采用恒壓源，充放電周期30s，電容衰減約5%時的充放電次數與放電反峰系數的關系見圖4,試驗結果見表2。
圖4 電容衰減約5%時充放電次數
表2反峰系數對比試驗結果
從圖4和表2可知，兩種元件各4組試樣都是隨著反峰系數的增大，元件承受充放電次數不斷下降，通過結合經驗公式對試驗數據進行曲線擬合，可以得到公式中的系數λ約為-0.7,即電容器元件在電容下降5%時的放電次數
與放電反峰之間的關系為
這與文獻中的試驗結果基本吻合。 1.3 電場強度的影響從公式Q=（CU2)/2可知，電容器在一定體積和電容不變的情況下，將額定電壓(極間介質一定的情況下可視為額定電場強度)提高能大幅度提升儲能密度。電場強度是影響電容器壽命的重要參數之一，在電場的作用下，電引起的局部放電或“自愈點”增加是不可避免，持續的局部放電和“自愈點”的增加加速材料劣變。電場強度越高，劣變越快，電容器或元件的壽命越短。元件承受電場強度的能力除與設計、工藝和運行狀況有關外，在很大程度上也取決于材料。因此，電場強度的設計涉及到試品的綜合技術水平。在文獻中均提到脈沖電容器的壽命與電壓之間的關系為
試驗選擇三種電場強度進行，每種電場強度為1組8個元件并聯進行，每組元件放電峰值電流和反峰系數均一致，充電電源采用恒流源，放電間隔30s，其余試驗條件及試驗結果見表3和圖5。
表3 電場強度對比試驗結果
圖5 電容衰減約5%時充電次數與充電場強的關系
從表3和圖5可知，在試驗電場強度為300～500MV/m的范圍，金屬化膜脈沖電容器元件的充放電壽命次數隨著電場強度的增加呈指數規律下降，所以設計金屬化膜脈沖電容器儲能密度的時候，需要綜合考慮工作場強、儲能密度與使用壽命之間的關系。 1.4 充放電周期的影響充放電周期即按規定將電壓升到一個規定的值后，采用設計好的的阻抗回路進行迅速放電一次的時間。本試驗共3種不同試品，每種試品分別進行充電周期為30、60、180s(放電均為1s)各3組、每組4個元件并聯的對比試驗。在相同的充放電電壓、放電峰值電流、放電脈寬和反峰系數條件下，其余試驗條件及充放電周期對比試驗結果見圖6和表4。
圖6 電容衰減約5%時充放電次數與充電時間的關系
表4 充放電周期對比試驗結果
從圖6和表4可知，試驗條件基本相當的情況下，在充電時間在30～180s范圍內，三種試品均是隨著充電時間的增大，元件的壽命次數呈指數趨勢下降。這與放電電壓等試驗參數一致，但充電時間差異，使電壓上升到放電電壓過程中試品承受電壓的不同所致。 1.5 線電流密度的影響線電流密度的定義為元件放電峰值電流與該元件金屬化膜有效長度之比。同等電容的元件，線電流密度及放電波形脈寬等因素對試品壽命的影響值得深人研究和探討。本試驗采用3組試品，試品所用金屬化薄膜鍍層厚度及鍍層形式均一致，每組試品4個元件并聯，在相同試驗場強和反峰系數條件下進行,充電電源采用恒壓源，放電間隔30s，測試放電電流所用美國Pearson的4 418型穿心電流測試線圈參數為0.001V/A，其余試驗條件及試驗結果見表5,表中的線電流密度是根據拍攝到的波形放電峰值電流計算而得，脈寬是根據拍攝波形測量而得，峰面積根據拍攝到的波形計算而得。
表5 線電流密度對比試驗結果
放電波形示意圖見圖7。從表5和圖7(表5和圖7中放電峰值電流、脈寬、峰面積均為并聯試驗的4個元件參數)可知，3組試品在不同線電流密度條件下，充放電試驗到電容衰減約5%時，充放電次數區別不大，原因可根據下邊公式得出。
式中:I為放電峰值電流；U為充電電壓；C為試驗電容；L為試驗回路電感；T為放電脈寬。
圖7 放電波形圖
在充電電壓和電容不變的情況下，若調整放電峰值電流，可以通過增加或減少回路電感來實現，但在增加或減少回路電感時，脈寬周期會相應增大或減少。因此，在電容基本相同的條件下，無法比較在電壓、反峰系數、脈寬等所有參數一致的前提下試品不同放電線電流密度的差異，從表5中的數據也看到，在電容為65μF、放電電流在1.4～8.1kA范圍時，維持放電電壓和反峰系數不變的情況下，隨著線電流的密度增大，脈寬在減小，峰面積基本不變。在峰面積一致的三種試驗情況中，試品的耐充放電試驗次數基本相當。 2 結語1)在試驗電場強度為390MV/m和400MV/m且充、放電時間一致的條件下，恒壓源或恒流源對元件充放電壽命試驗結果差異不大。 2)反峰系數在20%～95%范圍內，元件壽命次數隨著反峰系數的增大而下降，不同反峰系數之間的壽命有著L/L0∞[1n(1/β0)/1n(1/β)]-0.7的關系。 3)在試驗電場強度為300～500MV/m的范圍內，元件的充放電壽命次數隨著電場強度的增加呈指數規律下降。 4）在130～180s的充電時間范圍內，元件壽命次數隨著充電時間的增加呈指數規律下降。 5）在電容、試驗電壓和反峰系數一致的情況下，改變回路參數使峰值電流（線電流密度）變化的同時，放電脈寬相應的也發生變化，但對元件放電試驗結果無明顯影響，故在放電實驗中，適當時可以通過不同的峰值電流和脈寬時間組合來達到試驗效果。 |
