金屬化薄膜電容器自愈測試方法

廈門法拉電子股份有限公司 王永州

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金屬化薄膜電容器自愈測試方法

廈門法拉電子股份有限公司 王永州

【摘要】本文介紹了金屬化薄膜電容器的自愈原理，通過探討不同自愈聲探測方法的原理，對比分析了不同探測方法的優(yōu)缺點，簡要介紹了用不同自愈測試設(shè)備進行電容樣品的自愈測試；并通過解體統(tǒng)計自愈點數(shù)量對測試結(jié)果進行驗證，驗證了不同自愈測試設(shè)備對測試結(jié)果的巨大影響。

【關(guān)鍵詞】自愈（Self-healing）；薄膜電容器（Film Capacitor）

0.概述

金屬化薄膜電容器的顯著特點就是具有“自愈性”，即在電介質(zhì)擊穿時擊穿點周圍的金屬化鍍層瞬時蒸發(fā)而快速恢復(fù)絕緣性能。對采用同樣的原材料制作的金屬化膜電容器，自愈性能越好，電容器的耐壓水平越高，所能承受的過電壓也越高，電容器在運行中表現(xiàn)也更加穩(wěn)定，反之電容器出現(xiàn)擊穿失效的幾率也越大。由此可見，自愈性能是評估金屬化薄膜電容器電性能優(yōu)劣的一項重要指標(biāo)，正確掌握并運用自愈，能有效改善電容器生產(chǎn)工藝，提高電容器的可靠性。

1.金屬化薄膜電容器的放電自愈原理

假設(shè)在金屬化薄膜電容器的兩個金屬化電極的有機薄膜某一處有一個疵點其電阻為R，其可能是金屬性疵點，也可能是半導(dǎo)體或劣質(zhì)絕緣性能點（圖一a）。

圖一

圖二

2.薄膜電容器自愈測試重要性及自愈測試要求

2.1電容器自愈測試重要性

電容器自愈特性是金屬化薄膜電容器的一個重要特性，自愈式電容器的特點是具有自愈性能，當(dāng)介質(zhì)擊穿時，短路電流會使擊穿部位周圍的金屬膜熔化蒸發(fā)，從而恢復(fù)絕緣，因此具有較高的運行可靠性。絕大數(shù)條件下，質(zhì)量合格的自愈式電容器是可靠的，但若自愈特性不好，自愈可能失效，無法自愈的電容器可能擊穿并在內(nèi)部產(chǎn)生氣體，使電容器壓力增大，如無安全措施，壓力增加大一定程度時，電容器可能發(fā)生爆炸；而且自愈性電容器在使用過程中因自愈原因內(nèi)部極板的面積會逐漸減少，容量隨之下降，若下降幅值不大則屬于正?，F(xiàn)象，倘若電容器設(shè)計不良造成產(chǎn)品自愈過度，產(chǎn)品可能產(chǎn)生容量下降幅值過大現(xiàn)象，造成失效。因此自愈測試對于自愈電容器是必要的，可以剔除自愈特性不良設(shè)計，改善電容器質(zhì)量。

2.2電容器自愈測試要求

馬達啟動電容、燈具電容等交流電容器的測試方法；馬達電容器的測試方法：電容器施加1.2Un的電壓后，若探測到的自愈擊穿小于5次，則以不大于200V/min的速度升高電壓直至5次自愈擊穿或電壓達最高值2.0Un為止［1］；而對于燈具電容器來講升壓從1.25Un開始，同樣每分鐘不超過200V的速度升高，直至發(fā)生5次自愈性擊穿或達到3.5倍Un為止［2］。電力電子電容器參照GB/T 17702 第5.11節(jié)自愈性試驗：對交流電容器施加1.5UN，直流電容器為1.5UNDC；若在此期間的自愈擊穿次數(shù)小于5次，則緩慢升壓直至發(fā)生5次自愈或電壓達2.5倍額定電壓［3］。不同電容標(biāo)準(zhǔn)對具有自愈特性電容自愈測試略有不同，但總體上來講可分為兩部分：第一部分對電容施加一定的電壓；第二部分對電容器升壓過程中所發(fā)生的自愈擊穿進行探測。

3.薄膜電容器的自愈測試方法對比

3.1使用交流電源進行測試

交流測試，此種測試電容器的容量相對比較小，通常在50微法以內(nèi)，對于大容量且電壓比較高的產(chǎn)品，若采用交流測試方法對設(shè)備的容量要求高，設(shè)備實現(xiàn)起來相對困難，且自愈測試時的自愈探測易受電流影響，容易造成探測誤差，不利于自愈的準(zhǔn)確探測。

3.2使用直流電源進行測試

自愈擊穿使用直流電源測試一般用于容量比較高的電容器，其容量大多幾十個微法到幾百個微法，這時使用交流電進行測試需要電源提供很大的功率，根據(jù)I=ωCU可知隨著容量和電壓的增加其測試回路上的電流將變得非常大；這時若使用直流進行測試將變得非常方便，因為對于直流電壓在電容器上所產(chǎn)生的電流是極其微弱的。

3.3自愈聲探測電源部分不同方法優(yōu)劣對比（表1）

3.4 自愈聲探測信號采集方法對比

電容器自愈聲探測通常采用如下兩種方法：第一種采用聲音放大探測法，所謂聲音放大就是使用拾音器貼至被測電容器表面，通過聲音放大設(shè)備進行放大，通過人工干預(yù)方式測量自愈次數(shù)，按標(biāo)準(zhǔn)要求進行自愈判斷；第二種采用超聲波探測，使用聲納傳感器采集自愈信號經(jīng)過信號處理后實現(xiàn)自愈次數(shù)自動計數(shù)，不需要人工計數(shù)干預(yù)。兩者信號探測優(yōu)缺點見下表2。

表1　自愈測試使用不同電源方式優(yōu)缺點

表2　不同自愈信號探測方法優(yōu)缺點對比

4　自愈聲探測設(shè)備實現(xiàn)

4.1自愈聲信號的分析

對電容器施加直流電壓，從聲納采集端可以抓取到如圖三電容器自愈信號，展開自愈信號如圖四所示，不同電容器自愈聲信號的頻率有些許差異，大都在幾十千Hz的范圍內(nèi)；信號處理器可以按標(biāo)準(zhǔn)要求的40～80kHz頻段內(nèi)［4］進行處理，以供后續(xù)自愈聲的計數(shù)處理。

表5　不同自愈探測設(shè)備試驗結(jié)果

圖三 自愈信號波形圖

圖四 自愈信號波形展開圖

4.2設(shè)備的構(gòu)建

法拉電子自愈聲探測采用如圖五自愈聲采集方式：

圖五 自愈測試設(shè)備框圖

其中聲納傳感器的頻段等技術(shù)要求滿足測試需要，見表3。

表3　自愈聲探測傳感器參數(shù)表

為了消除干擾把電容器放置于隔音箱內(nèi)（圖六），并對電容器施加直流電，使用聲納傳感器采集聲音信號，對信號進行處理后送至計數(shù)器。

圖六 測試設(shè)備框圖示意

法拉電子實驗室已完成直流測試設(shè)備的技術(shù)參數(shù)見下表4。

表4　自愈測試主要技術(shù)參數(shù)

4.3法拉電子構(gòu)建的自愈測試設(shè)備實測結(jié)果

取一批馬達啟動電容器進行自愈測試對比。

樣品規(guī)格：450V0.1uF（分為A組和B組各10只）

實驗項目：自愈測試

測試條件：不同自愈探測設(shè)備，探測到5次自愈后進行容量測量。測試結(jié)果如表5所示：

從表5結(jié)果來看，同一批次的產(chǎn)品，采用市面采購的自愈設(shè)備，測試結(jié)果為不合格（探測到5次自愈擊穿后容量損失率均值達0.6%）；而采用法拉構(gòu)建的自愈探測設(shè)備，測試結(jié)果為合格（探測到5次自愈后容量損失僅0.11%）；由此可見，探測設(shè)備的優(yōu)劣對探測的結(jié)果影響是巨大的。

4.4自愈測試結(jié)果驗證

4.4.1膜層解體自愈點統(tǒng)計

對于A、B兩組使用兩種設(shè)備自愈測試后的樣品進行解體，并統(tǒng)計對做完實驗后的膜層自愈點（圖七）數(shù)量進行統(tǒng)計，統(tǒng)計出的自愈點數(shù)量如表6所示。

圖七 解體膜層自愈點樣式圖

表6　自愈點數(shù)量

從表6的自愈點統(tǒng)計可以發(fā)現(xiàn)，實際解體統(tǒng)計出的自愈點數(shù)遠(yuǎn)大于5個。

4.4.2結(jié)果分析

產(chǎn)品生產(chǎn)過程中，因有賦能及耐壓測試，膜層的疵點在在這個過程中會產(chǎn)生自愈擊穿點，我們在統(tǒng)計自愈擊穿點也包含了這部分的自愈點；另外，由于電容器在自愈過程中，可能存在多個自愈點同時發(fā)生的自愈現(xiàn)象，此時使用自愈聲探測時只能探測到一次；A組樣品的自愈點明顯高于B組，是因為A組探測所使用的設(shè)備靈敏度小于B組探測的靈敏度，有些自愈比較微弱的信號探測不到，造成探測到5次自愈聲時，實際的的自愈已大于5次。

從實驗可以看出，同一批產(chǎn)品不同的測試儀器，測試出來的結(jié)果會有比較大的差異，特別是對于自愈較為微弱的產(chǎn)品更是明顯，從結(jié)果的對比驗證了我司自行構(gòu)建的自愈設(shè)備對電容器的自愈性測試更為敏感，所進行的自愈聲探測更接近實際結(jié)果。

5　結(jié)束語

法拉電子通過搭建合理且測試效果良好的自愈測試平臺，使得探測結(jié)果的準(zhǔn)確度更高，可以用作產(chǎn)品工藝性能驗證，這樣大大縮短不同工藝方案驗證周期，更快速更便捷地進行工藝改進；當(dāng)然電容器的開發(fā)不但要考慮電容器的早期失效，還要考慮電容器的長期壽命，自愈特性只是全膜式電容器的耐受過電壓后的一個自我恢復(fù)能力，只是電容器安全特性里的一個指標(biāo)，對于實際電容器開發(fā)中還需要考慮用戶使用場合中的溫度、電壓、諧波、涌流等對電容器壽命的影響，要開發(fā)一個優(yōu)良性能的電容器，需要綜合考慮這些問題，其中還需要包括考慮原材料的特性，只有綜合考慮了這些才能設(shè)計出更優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品。

參考文獻

［1］交流電動機電容器第2部分：電動機起動電容器 GB/T 3667 2.1.5自愈實驗.

［2］管形熒光燈和其他放電線路用電容器 一般要求和安全要求：17自愈試驗.

［3］電力電子電容器，5.15自愈性試驗.

［4］標(biāo)稱電壓1kV及以下交流電力系統(tǒng)自愈式并聯(lián)電容器 第2部分.

［5］廈門法拉電子股份有限公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/FARA.025-2006.

作者簡介：

王永州（1976—），男，工程師，現(xiàn)供職于廈門法拉電子股份有限公司，主要從事薄膜電容器設(shè)計和研發(fā)工作。