直流支撐電容器元件直徑對其耐壓影響的研究

孫明 孫曉武

無錫市電力濾波有限公司

引言：金屬化聚丙烯薄膜電容器在高壓、高頻、高溫、大電流、小體積和長壽命方面比電解電容器具備優(yōu)勢。因此，金屬化聚丙烯薄膜的直流支撐電容器在軌交、柔直、風電、光伏等領(lǐng)域被廣泛應用[1-3]。

金屬化聚丙烯薄膜電容器研究的主要是自愈特性、電壓擊穿、溫度等方面[4-7]。

直徑大小對直流支撐電容器元件的電壓影響的研究比較少。因此，有必要進行此方面的研究。

本文介紹直流支撐電容器元件，介紹直流支撐電容器元件的自愈和擊穿，介紹直流支撐電容器元件的電容和電壓計算，研究直徑大小影響直流支撐電容器元件的電壓特性，并通過相關(guān)試驗進行驗證，對直流支撐電容器元件的設計和選型具有良好的指導意義。

一、直流支撐電容器元件

直流支撐電容器的元件是將兩層金屬化聚丙烯薄膜（以下簡稱“金屬化膜”）卷繞在芯軸上，然后再在其兩端面噴涂金屬材料，作為電極。元件形狀分為圓柱式、扁形。本文研究的元件為圓柱式，如圖1所示。

圖1 元件結(jié)構(gòu)圖

二、直流支撐電容器元件的自愈性和擊穿特性

（一）自愈性

金屬化膜中存在著少量的雜質(zhì)或晶格缺陷的點，這些點的耐壓強度較低，稱為“電弱點”。當工作電壓升高時，首先擊穿金屬化膜的電弱點處，此處的擊穿電流在該部位產(chǎn)生高溫和電弧，使周圍金屬層受熱蒸發(fā)并向外擴散，形成圓形的無金屬化的部分[8]。去金屬化的過程一直到電弧熄滅為止，此時金屬化膜絕緣恢復。這種擊穿后瞬間可基本恢復金屬化膜絕緣性能的特性，稱為自愈性[9]。

影響金屬化膜自愈的主要因素有：金屬化膜材料、工作電壓、電容、方阻等參數(shù)[10]。金屬化膜的自愈能量用下式表示[11]。

式中：k,β1和β2是系數(shù)，Ud是工作電壓,C是試品的電容，R□是金屬化膜的方阻值，β（p）是電容器內(nèi)部壓強的函數(shù)。

（二）直流支撐電容器元件的擊穿

1.固體電介質(zhì)的擊穿

電擊穿、熱擊穿和電化學腐蝕是固體電介質(zhì)的三種擊穿形式[12]。圖2為固體電介質(zhì)不同擊穿形式的擊穿場強與電壓作用的時間關(guān)系。

圖2 固體介質(zhì)擊穿場強與電壓作用時間的變化曲線

電擊穿：擊穿電壓很高，電壓作用時間很短，溫度低；擊穿場強高低取決于其電場均勻程度，不受周圍環(huán)境溫度影響。

熱擊穿：當某時刻介質(zhì)發(fā)生的熱量大于其發(fā)散的熱量，介質(zhì)的溫度將持續(xù)上升，從而發(fā)生介質(zhì)分解、炭化等現(xiàn)象，導致最終的介質(zhì)擊穿。

局部放電引起劣（老）化、局部放電、漏電痕跡、有機材料的樹枝化放電劣化是電化學腐蝕的四種形式。

電壓作用時間、溫度、電場均勻程度、累積效應等因素會影響固體電介質(zhì)電壓。

2.直流支撐電容器元件的擊穿

金屬化膜的擊穿除了遵循固體電介質(zhì)的擊穿的特性外，還有具自愈特性，增強了其運行穩(wěn)定性，使其可以用于高電場強度的工作場合。

金屬化膜電容器內(nèi)部出現(xiàn)電弱點被擊穿時存在兩種情況：自愈成功；自愈失敗。

如自愈成功，電弱點被清除，電容器的金屬化膜絕緣恢復，從而能夠正常繼續(xù)運行。

如自愈失敗，在高場強條件下，大量擊穿（自愈失?。┑慕饘倩る娙萜髌毡榇竺娣e多層金屬化膜蜂窩狀（或篩狀）燒蝕粘連，金屬化膜電容器在擊穿點形成短路故障，電容器失效。

三、直流支撐電容器元件電壓

（一）直流支撐電容器元件的電容

元件電容C的計算如下式

式中，ε0是真空介電常數(shù)，ε是元件金屬化膜的相對介電常數(shù)，b是元件有效電極的寬度（單位mm），l是有效電極的長度（單位mm），d是金屬化膜的厚度（單位μm）。

有效長度l的計算如下式

，N是金屬化膜卷繞卷數(shù),Di是第i圈元件的直徑（單位mm），D0是芯棒的直徑（單位mm），d是金屬化膜的厚度（單位μm）。

（二）直流支撐電容器元件的電壓

如圖3所示的直流支撐電容器元件的極間電場是不均勻電場。

圖3 元件電場

距離圓柱軸線r處的電場強度為

式中，Q為在長度為b的電極上的負荷，A為半徑r（直徑Dr）的圓柱等位面積。

電壓U為

此時，電容元件C的計算如下式

把式（6）代入式（4），可得

從式（7）可見：

（1）元件最大場強出現(xiàn)在沿芯棒的第1圈，元件最小場強出現(xiàn)在最外卷；

（2）直徑越大，元件的工作場強越小，元件能承受的耐壓越低。

（3）直徑越小，元件的工作場強越高，元件能承受的耐壓越強。

四、試驗驗證

（一）概述

使用相同材料制作不同的直徑的元件和電容器，進行電壓性能試驗。極間電壓試驗可以反映元件的電擊穿能力。長時間電壓試驗可以反映熱擊穿能力。由于元件使用場合為直流回路，有一定的紋波電壓，但不足以產(chǎn)生局部放電，故本文不研究電化學腐蝕。

因此，試驗方案確定為：

（1）相同材料的金屬化薄膜，生產(chǎn)5種不同直徑的元件進行電壓極限耐壓試驗；

（2）相同材料的金屬化薄膜，生產(chǎn)3種電容器進行耐久性試驗。

（二）試品情況

金屬化薄膜規(guī)格為5×75×2.5（μm×mm×mm），高方阻結(jié)構(gòu)，加厚邊2～4Ω/□,活動區(qū)25～40Ω/□。

試品元件為圓柱形。元件直徑DN尺寸分別為25mm、50mm、75mm、105mm、125mm，元件芯棒直徑D0尺寸為9mm。

試品電容器型號規(guī)格分別為：DJMJ1.2-600、DJMJ1.2-1200、DJMJ1.2-1500，編號分別為1#、2#、3#。電容器的元件直徑DN尺寸分別為75mm、105mm、125mm，元件芯棒直徑D0尺寸為9mm。

（三）試驗方案

1.極間極限耐壓

各取2只元件做此項試驗。對試品逐級施加直流電壓，維持5min，直至電容器完全失效為止。

電容測試儀用在室溫下，用100Hz、1Vrms 檔位測量試驗前后的電容和損耗角正切。

2.耐久性試驗

各取1臺電容器做此項試驗。試品置于恒溫干燥箱中，加熱到70℃，施加1.4UN=1680Vdc，連續(xù)250小時，然后取出電容器進行1000次充放電，放電電流為5kA）,接著再放入恒溫干燥箱加溫至70℃，施加1.4UN=1680Vdc，連續(xù)250小時，待電容器冷卻48小時后測電容和損耗角正切值，△C≤3%，tanδ值應予記錄。

（四）試驗結(jié)果

極間極限耐壓試驗數(shù)據(jù)見表1～2。耐久性試驗數(shù)據(jù)見表3。

表1 極間極限耐壓試驗數(shù)據(jù)1

表2 極間極限耐壓試驗數(shù)據(jù)2

表3 耐久性試驗數(shù)據(jù)

從表1～2中可知：

（1）直徑25mm的元件，耐壓3400Vdc，元件容量分別下降到0.04μF、0.06μF，開路現(xiàn)象；

（2）直徑50mm的元件，耐壓3200Vdc，元件容量分別下降15.82μF、37.92μF，元件外包被炸開；

（3）直徑75mm的元件，耐壓3000Vdc，元件容量分別下降4.7μF、5.1μF，元件外包被炸開；

（4）直徑105mm的元件，耐壓2800Vdc，元件容量分別下降3.5μF、4.2μF，元件外包被炸開；

（5）直徑125mm的元件，耐壓2700Vdc，元件容量分別下降2.1μF、2.9μF，元件外包被炸開。

從表3中可知：

（1）耐久性試驗500小時后，1#電容器（元件直徑75mm）的電容變化為+0.25%；

（2）耐久性試驗500小時后，2#電容器（元件直徑105mm）的電容變化為-0.17%；

（3）耐久性試驗500小時后，3#電容器（元件直徑125mm）的電容變化為-0.28%。

（五）結(jié)果分析

依據(jù)表1～3數(shù)據(jù)來分析：

（1）直徑25mm、50mm、75mm、105mm、125mm的元件，擊穿電壓數(shù)值依次降低；

（2）直徑50mm、75mm、105mm、125mm的元件，都出現(xiàn)元件外包被炸開的現(xiàn)象；

（3）耐久性試驗后，1#電容器的電容變化為+0.25%；

（4）耐久性試驗后，2#、3#電容器的電容變化分別為-0.17%、-0.28%。

綜上分析，直徑影響直流支撐電容器元件的電壓性能：

（1）相同的金屬化薄膜，元件直徑變大，擊穿電壓能力變低；

（2）相同的元件，元件最外圈，耐電壓能力最差；

（3）相同的金屬化薄膜，元件直徑變大，長時間耐電壓能力變低。

五、結(jié)語

本文介紹直流支撐電容器元件，介紹直流支撐電容器元件的自愈和擊穿,介紹直流支撐電容器元件的電容和電壓，研究直徑影響直流支撐電容器元件的電壓特性，并通過相關(guān)試驗進行驗證，得出結(jié)論如下：

（1）相同的金屬化薄膜直徑越大，元件的工作場強越小，元件能承受的耐壓越低。

（2）元件最大場強出現(xiàn)在沿芯棒的第1圈，元件最小場強出現(xiàn)在最外卷；

（3）相同的金屬化薄膜，元件直徑變大，擊穿電壓能力變低；

（4）相同的元件，元件最外圈，耐電壓能力最差；

（5）相同的金屬化薄膜，元件直徑變大，長時間耐電壓能力變低。