直流支撑电容器元件直径对其耐压影响的研究

2022-06-27孙明孙晓武

消费导刊 2022年13期

关键词：金属化耐压电容器

孙明孙晓武

无锡市电力滤波有限公司

引言：金属化聚丙烯薄膜电容器在高压、高频、高温、大电流、小体积和长寿命方面比电解电容器具备优势。因此，金属化聚丙烯薄膜的直流支撑电容器在轨交、柔直、风电、光伏等领域被广泛应用[1-3]。

金属化聚丙烯薄膜电容器研究的主要是自愈特性、电压击穿、温度等方面[4-7]。

直径大小对直流支撑电容器元件的电压影响的研究比较少。因此，有必要进行此方面的研究。

本文介绍直流支撑电容器元件，介绍直流支撑电容器元件的自愈和击穿，介绍直流支撑电容器元件的电容和电压计算，研究直径大小影响直流支撑电容器元件的电压特性，并通过相关试验进行验证，对直流支撑电容器元件的设计和选型具有良好的指导意义。

一、直流支撑电容器元件

直流支撑电容器的元件是将两层金属化聚丙烯薄膜（以下简称“金属化膜”）卷绕在芯轴上，然后再在其两端面喷涂金属材料，作为电极。元件形状分为圆柱式、扁形。本文研究的元件为圆柱式，如图1所示。

图1 元件结构图

二、直流支撑电容器元件的自愈性和击穿特性

（一）自愈性

金属化膜中存在着少量的杂质或晶格缺陷的点，这些点的耐压强度较低，称为“电弱点”。当工作电压升高时，首先击穿金属化膜的电弱点处，此处的击穿电流在该部位产生高温和电弧，使周围金属层受热蒸发并向外扩散，形成圆形的无金属化的部分[8]。去金属化的过程一直到电弧熄灭为止，此时金属化膜绝缘恢复。这种击穿后瞬间可基本恢复金属化膜绝缘性能的特性，称为自愈性[9]。

影响金属化膜自愈的主要因素有：金属化膜材料、工作电压、电容、方阻等参数[10]。金属化膜的自愈能量用下式表示[11]。

式中：k,β1和β2是系数，Ud是工作电压,C是试品的电容，R□是金属化膜的方阻值，β（p）是电容器内部压强的函数。

（二）直流支撑电容器元件的击穿

1.固体电介质的击穿

电击穿、热击穿和电化学腐蚀是固体电介质的三种击穿形式[12]。图2为固体电介质不同击穿形式的击穿场强与电压作用的时间关系。

图2 固体介质击穿场强与电压作用时间的变化曲线

电击穿：击穿电压很高，电压作用时间很短，温度低；击穿场强高低取决于其电场均匀程度，不受周围环境温度影响。

热击穿：当某时刻介质发生的热量大于其发散的热量，介质的温度将持续上升，从而发生介质分解、炭化等现象，导致最终的介质击穿。

局部放电引起劣（老）化、局部放电、漏电痕迹、有机材料的树枝化放电劣化是电化学腐蚀的四种形式。

电压作用时间、温度、电场均匀程度、累积效应等因素会影响固体电介质电压。

2.直流支撑电容器元件的击穿

金属化膜的击穿除了遵循固体电介质的击穿的特性外，还有具自愈特性，增强了其运行稳定性，使其可以用于高电场强度的工作场合。

金属化膜电容器内部出现电弱点被击穿时存在两种情况：自愈成功；自愈失败。

如自愈成功，电弱点被清除，电容器的金属化膜绝缘恢复，从而能够正常继续运行。

如自愈失败，在高场强条件下，大量击穿（自愈失败）的金属化膜电容器普遍大面积多层金属化膜蜂窝状（或筛状）烧蚀粘连，金属化膜电容器在击穿点形成短路故障，电容器失效。

三、直流支撑电容器元件电压

（一）直流支撑电容器元件的电容

元件电容C的计算如下式

式中，ε0是真空介电常数，ε是元件金属化膜的相对介电常数，b是元件有效电极的宽度（单位mm），l是有效电极的长度（单位mm），d是金属化膜的厚度（单位µm）。

有效长度l的计算如下式

，N是金属化膜卷绕卷数,Di是第i圈元件的直径（单位mm），D0是芯棒的直径（单位mm），d是金属化膜的厚度（单位µm）。

（二）直流支撑电容器元件的电压

如图3所示的直流支撑电容器元件的极间电场是不均匀电场。

图3 元件电场

距离圆柱轴线r处的电场强度为

式中，Q为在长度为b的电极上的负荷，A为半径r（直径Dr）的圆柱等位面积。

电压U为

此时，电容元件C的计算如下式

把式（6）代入式（4），可得

从式（7）可见：

（1）元件最大场强出现在沿芯棒的第1圈，元件最小场强出现在最外卷；

（2）直径越大，元件的工作场强越小，元件能承受的耐压越低。

（3）直径越小，元件的工作场强越高，元件能承受的耐压越强。

四、试验验证

（一）概述

使用相同材料制作不同的直径的元件和电容器，进行电压性能试验。极间电压试验可以反映元件的电击穿能力。长时间电压试验可以反映热击穿能力。由于元件使用场合为直流回路，有一定的纹波电压，但不足以产生局部放电，故本文不研究电化学腐蚀。

因此，试验方案确定为：

（1）相同材料的金属化薄膜，生产5种不同直径的元件进行电压极限耐压试验；

（2）相同材料的金属化薄膜，生产3种电容器进行耐久性试验。

（二）试品情况

金属化薄膜规格为5×75×2.5（µm×mm×mm），高方阻结构，加厚边2～4Ω/□,活动区25～40Ω/□。

试品元件为圆柱形。元件直径DN尺寸分别为25mm、50mm、75mm、105mm、125mm，元件芯棒直径D0尺寸为9mm。

试品电容器型号规格分别为：DJMJ1.2-600、DJMJ1.2-1200、DJMJ1.2-1500，编号分别为1#、2#、3#。电容器的元件直径DN尺寸分别为75mm、105mm、125mm，元件芯棒直径D0尺寸为9mm。

（三）试验方案

1.极间极限耐压

各取2只元件做此项试验。对试品逐级施加直流电压，维持5min，直至电容器完全失效为止。

电容测试仪用在室温下，用100Hz、1Vrms 档位测量试验前后的电容和损耗角正切。

2.耐久性试验

各取1台电容器做此项试验。试品置于恒温干燥箱中，加热到70℃，施加1.4UN=1680Vdc，连续250小时，然后取出电容器进行1000次充放电，放电电流为5kA）,接着再放入恒温干燥箱加温至70℃，施加1.4UN=1680Vdc，连续250小时，待电容器冷却48小时后测电容和损耗角正切值，△C≤3%，tanδ值应予记录。