冷卻空氣對薄膜電容器熱穩(wěn)定性試驗的影響

黃順達

（廈門法拉電子股份有限公司 廈門 361028）

引言

電容器是電子設(shè)備電路中重要基礎(chǔ)元件，起到儲能、濾波、調(diào)相、耦合等重要作用。理想電容器是無功元件，但由于電容器存在介質(zhì)損耗、極板和引出電極電阻，在電容器運行中會產(chǎn)生有功功率，從而引起發(fā)熱。

電容器采用熱穩(wěn)定性試驗來驗證電容器承載電流的能力[1-8]，而依據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)或國家標(biāo)準(zhǔn)進行的試驗僅反映一般狀態(tài)的電容器熱穩(wěn)定性試驗結(jié)果。在實際工程應(yīng)用中電容器有安裝于露天、密閉機柜、自然通風(fēng)環(huán)境和強制風(fēng)冷（水冷）等條件中[9]，而大多試驗機構(gòu)采用循環(huán)鼓風(fēng)烘箱作為電容器模擬運行環(huán)境，不能貼近電容器實際運行環(huán)境。

本文研究嘗試用無風(fēng)環(huán)境和有循環(huán)風(fēng)環(huán)境下試驗，對比金屬化薄膜電容器的表現(xiàn)差異。從而獲得冷卻空氣對電容器的影響，并希望在電容器選型和使用及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計工作中起到積極作用。

1 電容器在不同環(huán)境中使用存在的問題

1.1 使用環(huán)境溫度對電容器的影響

電容器的安全性、可靠性及預(yù)期壽命和使用環(huán)境密切相關(guān)，也遵從一般電子元器件的溫度每升高6 ～7 ℃，預(yù)期壽命降低的一般規(guī)律[10-12]。這主要是隨著溫度的升高，元器件材料中原子的能級增強，載流子或電子流動性增強導(dǎo)致。從宏觀層面一般絕緣材料隨著溫度上升，泄漏電流增加，絕緣強度下降的特征。電容器屬無功元件，由于損耗的存在，電容器介質(zhì)和導(dǎo)體也會產(chǎn)生熱量，由此會進一步推高元件內(nèi)部的溫度。當(dāng)元器件因過熱而失去熱平衡時將迅速燒毀，此時表現(xiàn)出故障甚至火災(zāi)等。

電容器使用環(huán)境溫度的因素主要有安裝環(huán)境的溫度、周邊高溫元件輻射的影響、磁場形成的發(fā)熱及電氣柜散熱條件等，這些因素會單獨或多重施加在電容器上。如果是風(fēng)冷或水冷的電容器還有冷卻風(fēng)速（冷卻水量）、冷卻風(fēng)溫（冷卻水溫）、水質(zhì)軟硬等影響。

1.2 冷卻空氣對電容器的影響

在影響電容器工作環(huán)境的幾個因素中，冷卻是一個重要因素。電容器的冷卻方式一般分自然散熱、強迫風(fēng)冷（水冷）和冷卻槽冷卻等幾種。其中強迫風(fēng)冷方式容易受到風(fēng)機風(fēng)量、過濾器風(fēng)阻及海拔高度的影響等。

1.3 研究范圍的確定

金屬化薄膜電容器是一個重要基礎(chǔ)元器件，溫度對電容器薄膜介質(zhì)影響較大，一旦超過薄膜允許工作溫度，在極短時間內(nèi)電容器就會失效。如果電容器長期處于較高溫度中運行，就會加速電容器薄膜介質(zhì)老化，從而降低電容器擊穿電壓，電容器預(yù)期使用壽命就會大幅度縮短。本文研究冷卻空氣對金屬化薄膜電容器承載電流的影響，以驗證電容器在惡劣高溫環(huán)境中安全可靠運行程度[13-15]。

2 熱穩(wěn)定性試驗方案

2.1 標(biāo)準(zhǔn)的熱穩(wěn)定性試驗

按照GB/T 17702-2013（或IEC 61071:2017、GB/T 25121.1-2018）標(biāo)準(zhǔn)，電力電子電容器的熱穩(wěn)定性試驗的條件為：電容器試驗烘箱溫度為冷卻空氣溫度加5 ℃，當(dāng)電容器的所有部位均達到冷卻媒質(zhì)的溫度之后，應(yīng)對電容器施加實際正弦交流電壓至少48 h，電源條件為功率等于1.21 Pmax，在試驗的最后6 h期間，應(yīng)對外殼接近頂部處的溫度至少測量4次，在這整個6 h期間內(nèi)，電容器的溫升的增加量不應(yīng)超過1 ℃。試驗結(jié)束后測量電容器電容量變化，對于自愈式電容器，電容量變化應(yīng)小于±1 %，試驗結(jié)束時還應(yīng)測量損耗[13-15]。

2.2 不同冷卻風(fēng)速空氣的熱穩(wěn)定性試驗方案的選取

為明確冷卻風(fēng)速和熱穩(wěn)定試驗結(jié)果的影響，我們選取了某型號高溫循環(huán)試驗烘箱，并對其加裝了變頻器，在循環(huán)風(fēng)機50.0 Hz、25.0 Hz、12.5 Hz、6.25 Hz條件下啟動循環(huán)風(fēng)機。在此條件下測量試驗電容器周邊的風(fēng)速，以此獲得不同冷卻風(fēng)速下電容器熱穩(wěn)定性試驗的差異。

2.3 不同冷卻風(fēng)速空氣下熱穩(wěn)定試驗參數(shù)的確定

我們選用了兩只1 200 VDC-300 μF的電容器作為試驗樣品，兩只電容器在制作時均預(yù)置溫度傳感器在電容器心子中間。該電容器的額定電流為60 A。根據(jù)熱穩(wěn)定性試驗條件，電容器施加的電流為I=IN×1.1=60 A×1.1=66 A。結(jié)合該款電容器的實際工況，熱穩(wěn)定性試驗的頻率選擇為4 kHz。

循環(huán)風(fēng)機通過變頻器調(diào)速，獲得不同風(fēng)速。試驗采用風(fēng)速儀測量，獲知高溫試驗循環(huán)烘箱的風(fēng)機在50.0 Hz時冷卻風(fēng)速為0.185 m/s，風(fēng)機在25.0 Hz時冷卻風(fēng)速為0.087 m/s，風(fēng)機在12.5 Hz時冷卻風(fēng)速為0.038 m/s，風(fēng)機在6.25 Hz時風(fēng)速在0.016 m/s。

3 不同冷卻風(fēng)速空氣下熱穩(wěn)定性的試驗情況

根據(jù)上述的試驗方案進行了4種不同冷卻風(fēng)速的1200 VDC-300 μF的熱穩(wěn)定性試驗，在試驗中我們采用溫度傳感器記錄了樣品電容器的環(huán)境溫度和電容器外殼溫度，并以此計算出電容器內(nèi)部溫升和外殼溫升情況。為保證試驗的一致性，采用兩只電容器串聯(lián)方式進行試驗。在4種不同冷卻風(fēng)速的熱穩(wěn)定試驗中，這兩只電容器的傳感器及其位置沒有改變。試驗相關(guān)數(shù)據(jù)見圖1、圖2。

圖1 熱穩(wěn)定性試驗中電容器外殼溫升

圖2 熱穩(wěn)定性試驗中電容器內(nèi)部溫升

4 試驗分析

4.1 試驗結(jié)果分析

通過本試驗，可以看出，在相同電流條件下，隨著冷卻空氣的風(fēng)速減小，1 200 VDC-300 μF電容器的內(nèi)部溫升變高。為直觀比較風(fēng)速和電容器溫升之間的關(guān)系，數(shù)據(jù)列為表1。

表1 不同風(fēng)速條件下熱穩(wěn)定性試驗電容器內(nèi)外部溫升情況

通過表1分析可見，隨風(fēng)速的不斷降低，電容器的內(nèi)外部溫升逐漸升高。從數(shù)據(jù)上看隨冷卻風(fēng)速的下降，電容器外殼的溫升上升和內(nèi)部溫升的上升趨勢基本一致。

4.2 冷卻風(fēng)速下降對電容器的影響

通過本試驗，可以看出，在相同電流條件下，降低冷卻空氣風(fēng)速，1 200 VDC-300 μF電容器的溫升變高。電容器內(nèi)部溫升和電容器外殼溫升的升高規(guī)律是一致的，即電容器外殼溫升低的，內(nèi)部溫升也低，反之亦然。

分析認為，在電容器試驗電流值、電流頻率不變的情況下，電容器有功功率引起的發(fā)熱是恒定的。干式電容器心子和引出電極等產(chǎn)生的熱量主要通過傳導(dǎo)方式將熱量由內(nèi)而外的傳遞到電容器外殼，傳遞到外殼的熱量主要通過輻射和對流的方式傳遞到周邊空氣和介質(zhì)中。隨著風(fēng)速的減小，對流傳遞熱量的能力減弱，電容器表面的熱量不能及時帶走，進而導(dǎo)致電容器外殼溫升和內(nèi)部溫升隨風(fēng)速的降低而增加。

5 結(jié)論

對于一般電子元氣件而言，控制溫升是保證其預(yù)期壽命的重要手段。通過以上試驗和分析可見，電容器周邊環(huán)境、冷卻風(fēng)速會直接影響電容器溫升，從而直接影響電容器預(yù)期壽命。在實際工程中因過濾網(wǎng)堵塞導(dǎo)致冷卻風(fēng)量下降，元器件過熱較為常見；因冷卻風(fēng)機故障導(dǎo)致電器柜燒毀惡性事故也并不鮮見。提升散熱能力或保障通風(fēng)等條件是電容器正常運行必備前提，做好電氣柜的溫度檢測和定期清理通風(fēng)系統(tǒng)是非常必要的，以此保護元器件安全可靠運行。