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王荀¹、陳偉²,徐夢(mèng)蕾¹、徐志鈕¹，王子建¹，尹婷³,周志成⁴

(1.華北電力大學(xué)河北省輸變電設備安全防御重點(diǎn)實(shí)驗室，河北保定071003；2.國家電網(wǎng)有限公司，北京100031；3.中國電力科學(xué)研究院有限公司，北京100191；4.國網(wǎng)江蘇省電力有限公司，南京211103)

摘  要：金屬化膜電容器的自愈性雖能在發(fā)生局部擊穿時(shí)自動(dòng)恢復絕緣，但持續性放電引發(fā)自愈失敗仍能導致災難性故障的發(fā)生。為探其自愈失敗過(guò)程，對電容器元件施加較高直流電壓，通過(guò)并聯(lián)電容間接測量擊穿點(diǎn)處的電壓和電流，分析自愈失敗時(shí)的發(fā)展過(guò)程，推導其擊穿點(diǎn)的阻抗特性。試驗結果表明：自愈失敗是以一個(gè)較大的自愈過(guò)程為先導，在元件徹底擊穿之前，會(huì )有持續時(shí)間為幾毫秒的頻繁自愈過(guò)程，這些自愈電流的峰值隨電壓的減小而下降；在元件徹底擊穿的過(guò)程中，隨著(zhù)持續放電的進(jìn)行，擊穿點(diǎn)的等效電阻在逐漸減小，阻值最小值已基本接近完全短路。本文通過(guò)對自愈失敗過(guò)程的研究，為熔絲保護和安全膜設計提供參考。

關(guān)鍵詞：金屬化膜電容器；自愈失??；阻抗特性

0 引言

金屬化膜電容器的自愈特性是電容器在“電弱點(diǎn)”發(fā)生擊穿時(shí)，絕緣性能可重新恢復且維持正常的工作狀態(tài)。如果擊穿過(guò)程中的金屬電極不完全蒸發(fā)或絕緣介質(zhì)中的碳沉積促進(jìn)了電容器的持續放電，將導致電容器徹底擊穿即自愈失敗。了解金屬化膜電容器自愈失敗時(shí)的發(fā)展過(guò)程和阻抗特性，通過(guò)設計改進(jìn)，可提高電容器的可用性，避免災難性故障的發(fā)生。

對金屬化膜電容器的研究一般側重于其自愈特性，Kammermaier J等人提出有機介質(zhì)等離子體感應自愈模型并進(jìn)行相應數學(xué)分析研究；孔中華等人用兩種試品膜來(lái)研究金屬化膜電容器的自愈特性：隨著(zhù)施加電壓增加，自愈能量與自愈面積不斷增大，增大壓強，自愈能量、自愈電流和自愈面積從急劇減小到漸漸趨于緩和；文獻在干式和浸油的兩種情況下，研究金屬化膜電容器發(fā)生局部擊穿時(shí)，金屬層厚度、電容量和外施電壓等多種因素對自愈性能的影響；文獻對自愈電弧熄滅的關(guān)鍵參數進(jìn)行研究，提出電流密度、電場(chǎng)和功率密度判據，經(jīng)過(guò)數學(xué)推導與計算得出可用于解釋自愈電弧的熄滅功率密度判據；文獻通過(guò)對不同方阻、不同種類(lèi)的金屬電極進(jìn)行蒸發(fā)試驗，研究自愈電弧燃燒過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性，并根據實(shí)驗結果建立了自愈電弧等效模型，用等效電路來(lái)代替自愈過(guò)程中電弧弧道電阻大小變化的方法實(shí)現對自愈電弧的理論計算；文獻研究提出自愈物理化學(xué)模型，分析計算了自愈過(guò)程中形成石墨的厚度，認為電極越厚，外施電壓越大，在自愈過(guò)程中形成的石墨層也越厚，自愈越難成功。綜上所述，國內外對金屬化膜電容器的自愈特性研究已經(jīng)較為完善。文獻通過(guò)簡(jiǎn)單試樣的模擬試驗分析了高場(chǎng)強下金屬化膜自愈失敗原因，認為在自愈過(guò)程中，自愈點(diǎn)注人能量的大小是決定自愈能否成功的關(guān)鍵因素，闡述了注入能量過(guò)大引起自愈失敗的機理。文獻在T型金屬化膜自愈失敗仿真中認為，自愈失敗過(guò)程中的短路擊穿電阻在相當長(cháng)的一段時(shí)間內維持在幾歐姆到幾百兆歐姆的數值上?？梢?jiàn)針對金屬化膜電容器自愈失敗過(guò)程的理論分析和數理模型涉及較少，因此對其研究仍有待完善。

本文通過(guò)對金屬化膜電容器元件施加直流電壓來(lái)進(jìn)行自愈失敗試驗研究，間接測量并聯(lián)支路的電流和電壓得到實(shí)際通過(guò)擊穿點(diǎn)處的電流和兩端電壓，分析自愈失敗時(shí)的發(fā)展過(guò)程，推導其擊穿點(diǎn)處的阻抗變化特性，為熔絲保護和安全膜設計提供參考。

1 試驗原理與回路

1.1 試驗原理

金屬化膜電容器元件的自愈失敗，通常是自愈過(guò)程縱向發(fā)展的結果，即在某一層金屬化膜上發(fā)生的自愈引發(fā)其相鄰層金屬化膜在同一位置上也發(fā)生自愈,這一過(guò)程的擴散導致在較小范圍內和較短時(shí)間內連續多次發(fā)生擊穿，金屬層蒸發(fā)產(chǎn)生的金屬蒸汽和聚丙烯膜分解產(chǎn)生的石墨蒸汽在一個(gè)較小的范圍內集中，最終發(fā)生自愈失敗，導致元件徹底擊穿短路。

對自愈失敗過(guò)程的研究無(wú)法通過(guò)研究金屬化膜搭接形成的膜電容來(lái)實(shí)現，對于兩層金屬化膜構成的膜電容而言，無(wú)論施加多高的電壓，產(chǎn)生多么嚴重的自愈過(guò)程，最終均可通過(guò)增大自愈面積產(chǎn)生足夠的沿面放電距離來(lái)阻止持續擊穿放電的發(fā)生。因此，研究自愈失敗，只能在元件兩端施加高電壓使其徹底擊穿，擊穿發(fā)生時(shí)元件電容對擊穿點(diǎn)進(jìn)行放電，采用在被測電容器元件C₀兩端并聯(lián)另一個(gè)電容C_p的方式，通過(guò)測量并聯(lián)電容上流過(guò)的電流I_p，進(jìn)而推算流過(guò)擊穿位置的電流I_m。對于這兩個(gè)電流的關(guān)系，可以用式（1)表示。這一計算公式同樣適用于測得的自愈電流。

 

對于并聯(lián)電容兩端的電壓U_p和流過(guò)并聯(lián)電容的電流I_p，應滿(mǎn)足如式(2)所示的關(guān)系式。

 

 1.2 試驗電路

將4個(gè)額定電壓為1000 V、電容量為40μF

  

圖1  試驗等值電路圖

圖中:C₀為試品電容器元件；C_p為4個(gè)串聯(lián)電容器的等效電容；R為自愈失敗時(shí)擊穿點(diǎn)的等效電阻；I_p為并聯(lián)電容C_p對擊穿點(diǎn)的放電電流；I₀為試品元件對擊穿點(diǎn)的放電電流；I_m為流過(guò)擊穿點(diǎn)的總電流。

2 試驗結果

2.1自愈失敗電壓與電流

在發(fā)生自愈失敗時(shí)，電源保護會(huì )很快跳閘。整個(gè)過(guò)程基本是試驗元件和并聯(lián)電容對擊穿處電阻放電的過(guò)程。并聯(lián)電容兩端的電壓波形如圖2所示，流過(guò)并聯(lián)電容的電流如圖3所示。

  

圖2  并聯(lián)電容兩端電壓

  

圖3  流過(guò)并聯(lián)電容電流

由電壓、電流波形可以看出，在未發(fā)生自愈之前，電容兩端電壓保持在2780V左右。在10ms時(shí)刻發(fā)生了一次幅值較大的自愈，此時(shí)電容兩端的電壓為2762 V。而后在10～15ms內發(fā)生了多次連續的自愈過(guò)程，電壓開(kāi)始小幅度緩慢下降。在15ms時(shí)刻之后，元件徹底擊穿,產(chǎn)生了一個(gè)幅值較大、持續時(shí)間較長(cháng)的放電電流，此時(shí)電壓開(kāi)始快速下降直至為零，在23ms時(shí)刻左右放電停止。從擊穿放電開(kāi)始的15ms到電壓下降到500V的22ms時(shí)刻的時(shí)間范圍內，在擊穿放電電流中仍然混有大量的自愈電流。隨著(zhù)放電過(guò)程的進(jìn)行，電容器兩端電壓逐漸減小，這些自愈電流的幅值也隨之減小直至自愈 過(guò)程不再發(fā)生。

2.2 擊穿前自愈過(guò)程

對電流波形進(jìn)行分析，可以認為，元件擊穿是由10?15ms內連續多次的自愈過(guò)程引起的。對于10ms時(shí)刻發(fā)生的自愈而言，之前至少10ms的時(shí)間范圍內，元件沒(méi)有發(fā)生任何自愈。因此，連續的自愈過(guò)程明顯是以10ms時(shí)刻的峰值較大的首次自 愈為直接誘因。

對于這一自愈過(guò)程，其測得的電流峰值達到40A，持續時(shí)間為0.03ms，該電流波形如圖4所示。則流過(guò)金屬化膜電容器元件自愈點(diǎn)處的自愈總電流峰值為208.8A,持續時(shí)間為0.03ms。對自愈能量進(jìn)行計算得到的結果為9280 mJ,為電容器總儲能的4.5%，計算公式為

 

這一自愈過(guò)程中的自愈電流峰值和自愈能量均遠大于金屬化膜搭接形成的膜電容上的自愈過(guò)程結果。因此,基本可以推斷，這一自愈過(guò)程是在多層膜上的同一點(diǎn)處同時(shí)發(fā)生的自愈過(guò)程相疊加，較大的能量集中在很小的范圍內，進(jìn)而引發(fā)了之后的連續多次自愈和擊穿放電。

  

圖4  首次自愈電流

對于10?15ms內連續多次的自愈過(guò)程,其電流峰值基本不超過(guò)25A,則流過(guò)自愈點(diǎn)的電流不超過(guò)130A。在這一時(shí)間段內，消耗的能量為65074mJ,為電容器總儲能的31.8%，平均有功功率高達13kW。

可見(jiàn)，在第一次自愈發(fā)生后，雖然元件尚未徹底擊穿，但自愈位置附近的結構已經(jīng)遭到嚴重破壞，絕緣性能大幅下降，使得自愈過(guò)程在同一位置附近頻繁發(fā)生,熱量在較小的空間范圍內持續大量地累積，最終導致此處的絕緣遭到徹底破壞，使得元件擊穿。

2.3 擊穿放電電流

對測量到的電流進(jìn)行濾波處理，濾除高頻分量，得到的波形基本可以認為是元件擊穿時(shí)并聯(lián)電容對擊穿處放電的電流。處理后的電流波形如圖5所示。

  

圖5  擊穿故電電流

處理后的電流波形峰值為42.9A，則擊穿放電總電流的峰值為223.9A,持續時(shí)間在8ms左右。根據電壓波形與處理后的電流波形計算放電過(guò)程中消耗的能量，得到的結果為195.1J,平均熱功率 接近20kW，總電容值為52.2μF的電容器組在2780V電壓下儲存的能量為201.7J。因此，可以確定，元件擊穿時(shí)電源已經(jīng)斷開(kāi)，擊穿放電消耗的能量基本是由電容器提供的。

2.4 擊穿點(diǎn)等效電阻

將測得的流過(guò)并聯(lián)電容的電流換算為流過(guò)擊穿點(diǎn)的電流，以對應時(shí)刻的電壓與之相除，可以計算得出各時(shí)刻擊穿點(diǎn)的等效電阻值。在擊穿放電過(guò)程的15～23ms時(shí)間范圍內，得到的等效電阻的變化曲線(xiàn)如圖6所示。

  

圖6  擊穿點(diǎn)等效電阻

可以看出，自愈失敗擊穿點(diǎn)的等效電阻是呈現下降趨勢的，在擊穿剛發(fā)生時(shí)等效電阻是比較大，最高接近25000Ω。隨著(zhù)擊穿放電過(guò)程的發(fā)展，擊穿部分被持續破壞，等效電阻也隨之下降，在接近放電過(guò)程結束時(shí)，等效電阻的大小已經(jīng)低于20在放電過(guò)程中等效電阻會(huì )有增大變化，但整體是成下降趨勢。其原因在于，雖然擊穿點(diǎn)部分在熱功率的作用下絕緣是在被破壞的，但部分已經(jīng)導通的位置也可能在高溫的作用下融化而重新斷開(kāi)，使得等效電阻在部分時(shí)段出現一定的上升。

3 結束語(yǔ)

根據金屬化膜電容器元件自愈失敗試驗的結 果，得出以下結論：

1）金屬化膜電容器元件發(fā)生自愈失敗之前，會(huì )有持續時(shí)間在幾毫秒的頻繁自愈過(guò)程，而這一過(guò)程 又是以一個(gè)較大的自愈過(guò)程為先導的。

2）對于自愈失敗的放電過(guò)程，其前半部分會(huì )伴隨頻繁自愈過(guò)程，這些自愈的電流峰值大小隨電壓下降而隨之下降，直至電壓降為約500V左右停止。

3）濾除自愈電流得到并聯(lián)電容放電電流的波形，其在接近放電過(guò)程結束的時(shí)刻達到峰值42.9A，計算得到對應的擊穿放電總電流的峰值為223.9A，放電過(guò)程的平均功率接近20kW。

4）根據電壓電流波形計算放電過(guò)程中的擊穿點(diǎn)等效電阻，得到等效電阻隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)。結果表明，隨著(zhù)放電過(guò)程的發(fā)展，擊穿點(diǎn)的等效電阻在逐漸減小，阻值最小值已基本接近完全短路。

由此可見(jiàn)，金屬化膜電容器元件在擊穿后的發(fā)熱十分嚴重，如果不及時(shí)切斷，極有可能引發(fā)火災或爆炸。同時(shí),根據試驗結果，在自愈失敗放電過(guò)程的初期，元件擊穿點(diǎn)的等效電阻仍然很大，擊穿電流較小，使得故障判斷較為困難，常規的內熔絲保護等方式很難及時(shí)切斷，這就需要一種更加準確快速的保護方式，及時(shí)切斷失敗的元件或單元以避免嚴重后果的發(fā)生。

本試驗外接并聯(lián)電容所產(chǎn)生的串聯(lián)電感會(huì )對測量值和計算值造成影響，本文并未考慮，但這并不影響對自愈失敗過(guò)程狀況的研究結論。