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影响金属化膜脉冲电容器寿命试验的因素研究
陈松，李兆林，卢有盟 (桂林电力电容器有限责任公司，广西桂林 541004)
摘 要：金属化膜脉冲电容器在寿命试验的过程中，涉及到的试验参数较多，不同的试验参数对试 验结果都会有影响。本文通过元件的试验研究，研究这些参数的相互关系及影响的程度，为进一步 开展产品的试验研究及分析试验结果提供帮助。 关键词：金属化膜；脉冲电容器；反峰系数；电场强度；充放电周期
0 引言金属化膜由于其具有优良的“自愈”性能而突显金属化膜电容器的工作场强高，储能密度高的优势而得到了人们普遍认可。 金属化膜即通过真空蒸镀的方法将金属蒸发气化后附着在薄膜(基膜）的表面，薄膜厚度一般在2.5～10μm，金属层厚度一般在50～700nm。现在使用的基膜以聚丙烯薄膜为主。金属化膜在使用的过程中，随着工作电压的升高，有电弱点处的薄膜出现局部击穿，击穿处的电弧放电所产生的能量足以使电击穿点邻近处的金属层蒸发，使击穿点周围与极板隔开，电容器继续正常运行，这就是人们所说的“自愈”性能。但若“自愈”点过多，材料的有效使用面积减少，电容(C)势必下降；当电容下降到一定的范围，继续运行会使剩余电容损失更快，产品变得不再稳定可靠，此时电容器就要退出运行。 金属化膜电容器的品种有很多,脉冲电容器就是其中之一。脉冲电容器也称为储能电容器，能够在较长时间内充电，而在极短时间内放电，从而形成一个巨大的脉冲功率。脉冲电容器的使用领域很广，对电容器的基本要求是经过规定次数的充、放电运行后，C衰减量一般要求控制在5%～10%范围。 本文通过高电压金属化膜脉冲电容器元件在不同试验条件下的充放电对比试验，以研究充电电源、放电反峰系数、充电电场强度、充放电周期、放电线电流密度等因数对元件寿命的影响，同时就试验中出现问题进行分析讨论。 1 主要影响因素的试验研究本文的金属化膜脉冲电容器元件充放电试验中主要使用的恒压源试验的线路见图1和恒流源试验的线路见图2。
图1 充放电试验路线图
图2 充放电试验路线图
图1、图2中:T1为调压器；T2为变压器；V为整流硅堆；R1为充电电阻；R2为放电电阻；L为放电电感；S1为放电开关；S2为真空开关；C为试品；V为电压表： 1.1 试验电源的影响在脉冲电容器的充放电试验中，充电装置电源一般选用恒压源或恒流源。恒压源对电容器的充电电压是按指数规律随时间增长而趋于规定值；恒流源对电容器的充电电压是随着时间线性增长到规定值,两种电源充电电压随时间变化趋势见图3。 共设计两种结构、4组试品（不同厂家的薄膜、不同介质厚度、不同方阻、不同分切方式)试验，每组试品6个元件并联试验。同一组元件在试验电压（场强）、放电峰值电流、反峰系数、放电脉宽、充放电周期均一致前提下比较恒压源充电和恒流源充电对试品寿命的影响，以每组元件平均电容衰减约5%时的放电次数（即充放电试验后电容相比初始电容下降的幅度约5%，以下同）作为考核数据，试验结果见表1(表中初始电容、最终电容均指并联试验的平均单个元件电容，以下同）。
图3 恒压源/恒流源充电趋势图
表1 试验电源对比拭验结果
从表1可知，两种结构4组试品分别进行两种电源充电后的放电试验，当电容衰减到约5%时，相同结构类型的试样，两种电源充放电次数总体差异不大，个别组的差异稍大有待进一步分析。同时，也可说明脉冲电电容器元件试验场强在400MV/m左右、充电时间一致的条件下，恒压源或恒流源对其充放电寿命试验结果基本一致。 1.2 反峰系数的影响当电容器放电时，由于放电回路的电感和电阻的影响，放电回路将出现振荡，电容器在放电时形成的振荡波中电压波的第一个反符号振幅与前一个振幅之比的百分数为反峰电压率(即反峰系数)。国内外诸多文献中都曾提到过脉冲电容器在不同反峰系数办下寿命关系的经验公式为
为了更详实具体对比分析出其中关系，本文进行了反峰系数对元件寿命影响的研究试验，试验在两种不同场强各4组试品中进行，每组4个元件并联进行试验，每组元件放电峰值电流和脉宽基本一 致,充电电源采用恒压源，充放电周期30s，电容衰减约5%时的充放电次数与放电反峰系数的关系见图4,试验结果见表2。
图4 电容衰减约5%时充放电次数
表2反峰系数对比试验结果
从图4和表2可知，两种元件各4组试样都是随着反峰系数的增大，元件承受充放电次数不断下降，通过结合经验公式对试验数据进行曲线拟合，可以得到公式中的系数λ约为-0.7,即电容器元件在电容下降5%时的放电次数
与放电反峰之间的关系为
这与文献中的试验结果基本吻合。 1.3 电场强度的影响从公式Q=（CU2)/2可知，电容器在一定体积和电容不变的情况下，将额定电压(极间介质一定的情况下可视为额定电场强度)提高能大幅度提升储能密度。电场强度是影响电容器寿命的重要参数之一，在电场的作用下，电引起的局部放电或“自愈点”增加是不可避免，持续的局部放电和“自愈点”的增加加速材料劣变。电场强度越高，劣变越快，电容器或元件的寿命越短。元件承受电场强度的能力除与设计、工艺和运行状况有关外，在很大程度上也取决于材料。因此，电场强度的设计涉及到试品的综合技术水平。在文献中均提到脉冲电容器的寿命与电压之间的关系为
试验选择三种电场强度进行，每种电场强度为1组8个元件并联进行，每组元件放电峰值电流和反峰系数均一致，充电电源采用恒流源，放电间隔30s，其余试验条件及试验结果见表3和图5。
表3 电场强度对比试验结果
图5 电容衰减约5%时充电次数与充电场强的关系
从表3和图5可知，在试验电场强度为300～500MV/m的范围，金属化膜脉冲电容器元件的充放电寿命次数随着电场强度的增加呈指数规律下降，所以设计金属化膜脉冲电容器储能密度的时候，需要综合考虑工作场强、储能密度与使用寿命之间的关系。 1.4 充放电周期的影响充放电周期即按规定将电压升到一个规定的值后，采用设计好的的阻抗回路进行迅速放电一次的时间。本试验共3种不同试品，每种试品分别进行充电周期为30、60、180s(放电均为1s)各3组、每组4个元件并联的对比试验。在相同的充放电电压、放电峰值电流、放电脉宽和反峰系数条件下，其余试验条件及充放电周期对比试验结果见图6和表4。
图6 电容衰减约5%时充放电次数与充电时间的关系
表4 充放电周期对比试验结果
从图6和表4可知，试验条件基本相当的情况下，在充电时间在30～180s范围内，三种试品均是随着充电时间的增大，元件的寿命次数呈指数趋势下降。这与放电电压等试验参数一致，但充电时间差异，使电压上升到放电电压过程中试品承受电压的不同所致。 1.5 线电流密度的影响线电流密度的定义为元件放电峰值电流与该元件金属化膜有效长度之比。同等电容的元件，线电流密度及放电波形脉宽等因素对试品寿命的影响值得深人研究和探讨。本试验采用3组试品，试品所用金属化薄膜镀层厚度及镀层形式均一致，每组试品4个元件并联，在相同试验场强和反峰系数条件下进行,充电电源采用恒压源，放电间隔30s，测试放电电流所用美国Pearson的4 418型穿心电流测试线圈参数为0.001V/A，其余试验条件及试验结果见表5,表中的线电流密度是根据拍摄到的波形放电峰值电流计算而得，脉宽是根据拍摄波形测量而得，峰面积根据拍摄到的波形计算而得。
表5 线电流密度对比试验结果
放电波形示意图见图7。从表5和图7(表5和图7中放电峰值电流、脉宽、峰面积均为并联试验的4个元件参数)可知，3组试品在不同线电流密度条件下，充放电试验到电容衰减约5%时，充放电次数区别不大，原因可根据下边公式得出。
式中:I为放电峰值电流；U为充电电压；C为试验电容；L为试验回路电感；T为放电脉宽。
图7 放电波形图
在充电电压和电容不变的情况下，若调整放电峰值电流，可以通过增加或减少回路电感来实现，但在增加或减少回路电感时，脉宽周期会相应增大或减少。因此，在电容基本相同的条件下，无法比较在电压、反峰系数、脉宽等所有参数一致的前提下试品不同放电线电流密度的差异，从表5中的数据也看到，在电容为65μF、放电电流在1.4～8.1kA范围时，维持放电电压和反峰系数不变的情况下，随着线电流的密度增大，脉宽在减小，峰面积基本不变。在峰面积一致的三种试验情况中，试品的耐充放电试验次数基本相当。 2 结语1)在试验电场强度为390MV/m和400MV/m且充、放电时间一致的条件下，恒压源或恒流源对元件充放电寿命试验结果差异不大。 2)反峰系数在20%～95%范围内，元件寿命次数随着反峰系数的增大而下降，不同反峰系数之间的寿命有着L/L0∞[1n(1/β0)/1n(1/β)]-0.7的关系。 3)在试验电场强度为300～500MV/m的范围内，元件的充放电寿命次数随着电场强度的增加呈指数规律下降。 4）在130～180s的充电时间范围内，元件寿命次数随着充电时间的增加呈指数规律下降。 5）在电容、试验电压和反峰系数一致的情况下，改变回路参数使峰值电流（线电流密度）变化的同时，放电脉宽相应的也发生变化，但对元件放电试验结果无明显影响，故在放电实验中，适当时可以通过不同的峰值电流和脉宽时间组合来达到试验效果。 |
