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影響金屬化膜脈沖電容器壽命試驗的因素研究
陳松，李兆林，盧有盟 (桂林電力電容器有限責任公司，廣西桂林 541004)
摘 要：金屬化膜脈沖電容器在壽命試驗的過(guò)程中，涉及到的試驗參數較多，不同的試驗參數對試 驗結果都會(huì )有影響。本文通過(guò)元件的試驗研究，研究這些參數的相互關(guān)系及影響的程度，為進(jìn)一步 開(kāi)展產(chǎn)品的試驗研究及分析試驗結果提供幫助。 關(guān)鍵詞：金屬化膜；脈沖電容器；反峰系數；電場(chǎng)強度；充放電周期
0 引言金屬化膜由于其具有優(yōu)良的“自愈”性能而突顯金屬化膜電容器的工作場(chǎng)強高，儲能密度高的優(yōu)勢而得到了人們普遍認可。 金屬化膜即通過(guò)真空蒸鍍的方法將金屬蒸發(fā)氣化后附著(zhù)在薄膜(基膜）的表面，薄膜厚度一般在2.5～10μm，金屬層厚度一般在50～700nm?，F在使用的基膜以聚丙烯薄膜為主。金屬化膜在使用的過(guò)程中，隨著(zhù)工作電壓的升高，有電弱點(diǎn)處的薄膜出現局部擊穿，擊穿處的電弧放電所產(chǎn)生的能量足以使電擊穿點(diǎn)鄰近處的金屬層蒸發(fā)，使擊穿點(diǎn)周?chē)c極板隔開(kāi)，電容器繼續正常運行，這就是人們所說(shuō)的“自愈”性能。但若“自愈”點(diǎn)過(guò)多，材料的有效使用面積減少，電容(C)勢必下降；當電容下降到一定的范圍，繼續運行會(huì )使剩余電容損失更快，產(chǎn)品變得不再穩定可靠，此時(shí)電容器就要退出運行。 金屬化膜電容器的品種有很多,脈沖電容器就是其中之一。脈沖電容器也稱(chēng)為儲能電容器，能夠在較長(cháng)時(shí)間內充電，而在極短時(shí)間內放電，從而形成一個(gè)巨大的脈沖功率。脈沖電容器的使用領(lǐng)域很廣，對電容器的基本要求是經(jīng)過(guò)規定次數的充、放電運行后，C衰減量一般要求控制在5%～10%范圍。 本文通過(guò)高電壓金屬化膜脈沖電容器元件在不同試驗條件下的充放電對比試驗，以研究充電電源、放電反峰系數、充電電場(chǎng)強度、充放電周期、放電線(xiàn)電流密度等因數對元件壽命的影響，同時(shí)就試驗中出現問(wèn)題進(jìn)行分析討論。 1 主要影響因素的試驗研究本文的金屬化膜脈沖電容器元件充放電試驗中主要使用的恒壓源試驗的線(xiàn)路見(jiàn)圖1和恒流源試驗的線(xiàn)路見(jiàn)圖2。
圖1 充放電試驗路線(xiàn)圖
圖2 充放電試驗路線(xiàn)圖
圖1、圖2中:T1為調壓器；T2為變壓器；V為整流硅堆；R1為充電電阻；R2為放電電阻；L為放電電感；S1為放電開(kāi)關(guān)；S2為真空開(kāi)關(guān)；C為試品；V為電壓表： 1.1 試驗電源的影響在脈沖電容器的充放電試驗中，充電裝置電源一般選用恒壓源或恒流源。恒壓源對電容器的充電電壓是按指數規律隨時(shí)間增長(cháng)而趨于規定值；恒流源對電容器的充電電壓是隨著(zhù)時(shí)間線(xiàn)性增長(cháng)到規定值,兩種電源充電電壓隨時(shí)間變化趨勢見(jiàn)圖3。 共設計兩種結構、4組試品（不同廠(chǎng)家的薄膜、不同介質(zhì)厚度、不同方阻、不同分切方式)試驗，每組試品6個(gè)元件并聯(lián)試驗。同一組元件在試驗電壓（場(chǎng)強）、放電峰值電流、反峰系數、放電脈寬、充放電周期均一致前提下比較恒壓源充電和恒流源充電對試品壽命的影響，以每組元件平均電容衰減約5%時(shí)的放電次數（即充放電試驗后電容相比初始電容下降的幅度約5%，以下同）作為考核數據，試驗結果見(jiàn)表1(表中初始電容、最終電容均指并聯(lián)試驗的平均單個(gè)元件電容，以下同）。
圖3 恒壓源/恒流源充電趨勢圖
表1 試驗電源對比拭驗結果
從表1可知，兩種結構4組試品分別進(jìn)行兩種電源充電后的放電試驗，當電容衰減到約5%時(shí)，相同結構類(lèi)型的試樣，兩種電源充放電次數總體差異不大，個(gè)別組的差異稍大有待進(jìn)一步分析。同時(shí)，也可說(shuō)明脈沖電電容器元件試驗場(chǎng)強在400MV/m左右、充電時(shí)間一致的條件下，恒壓源或恒流源對其充放電壽命試驗結果基本一致。 1.2 反峰系數的影響當電容器放電時(shí)，由于放電回路的電感和電阻的影響，放電回路將出現振蕩，電容器在放電時(shí)形成的振蕩波中電壓波的第一個(gè)反符號振幅與前一個(gè)振幅之比的百分數為反峰電壓率(即反峰系數)。國內外諸多文獻中都曾提到過(guò)脈沖電容器在不同反峰系數辦下壽命關(guān)系的經(jīng)驗公式為
為了更詳實(shí)具體對比分析出其中關(guān)系，本文進(jìn)行了反峰系數對元件壽命影響的研究試驗，試驗在兩種不同場(chǎng)強各4組試品中進(jìn)行，每組4個(gè)元件并聯(lián)進(jìn)行試驗，每組元件放電峰值電流和脈寬基本一 致,充電電源采用恒壓源，充放電周期30s，電容衰減約5%時(shí)的充放電次數與放電反峰系數的關(guān)系見(jiàn)圖4,試驗結果見(jiàn)表2。
圖4 電容衰減約5%時(shí)充放電次數
表2反峰系數對比試驗結果
從圖4和表2可知，兩種元件各4組試樣都是隨著(zhù)反峰系數的增大，元件承受充放電次數不斷下降，通過(guò)結合經(jīng)驗公式對試驗數據進(jìn)行曲線(xiàn)擬合，可以得到公式中的系數λ約為-0.7,即電容器元件在電容下降5%時(shí)的放電次數
與放電反峰之間的關(guān)系為
這與文獻中的試驗結果基本吻合。 1.3 電場(chǎng)強度的影響從公式Q=（CU2)/2可知，電容器在一定體積和電容不變的情況下，將額定電壓(極間介質(zhì)一定的情況下可視為額定電場(chǎng)強度)提高能大幅度提升儲能密度。電場(chǎng)強度是影響電容器壽命的重要參數之一，在電場(chǎng)的作用下，電引起的局部放電或“自愈點(diǎn)”增加是不可避免，持續的局部放電和“自愈點(diǎn)”的增加加速材料劣變。電場(chǎng)強度越高，劣變越快，電容器或元件的壽命越短。元件承受電場(chǎng)強度的能力除與設計、工藝和運行狀況有關(guān)外，在很大程度上也取決于材料。因此，電場(chǎng)強度的設計涉及到試品的綜合技術(shù)水平。在文獻中均提到脈沖電容器的壽命與電壓之間的關(guān)系為
試驗選擇三種電場(chǎng)強度進(jìn)行，每種電場(chǎng)強度為1組8個(gè)元件并聯(lián)進(jìn)行，每組元件放電峰值電流和反峰系數均一致，充電電源采用恒流源，放電間隔30s，其余試驗條件及試驗結果見(jiàn)表3和圖5。
表3 電場(chǎng)強度對比試驗結果
圖5 電容衰減約5%時(shí)充電次數與充電場(chǎng)強的關(guān)系
從表3和圖5可知，在試驗電場(chǎng)強度為300～500MV/m的范圍，金屬化膜脈沖電容器元件的充放電壽命次數隨著(zhù)電場(chǎng)強度的增加呈指數規律下降，所以設計金屬化膜脈沖電容器儲能密度的時(shí)候，需要綜合考慮工作場(chǎng)強、儲能密度與使用壽命之間的關(guān)系。 1.4 充放電周期的影響充放電周期即按規定將電壓升到一個(gè)規定的值后，采用設計好的的阻抗回路進(jìn)行迅速放電一次的時(shí)間。本試驗共3種不同試品，每種試品分別進(jìn)行充電周期為30、60、180s(放電均為1s)各3組、每組4個(gè)元件并聯(lián)的對比試驗。在相同的充放電電壓、放電峰值電流、放電脈寬和反峰系數條件下，其余試驗條件及充放電周期對比試驗結果見(jiàn)圖6和表4。
圖6 電容衰減約5%時(shí)充放電次數與充電時(shí)間的關(guān)系
表4 充放電周期對比試驗結果
從圖6和表4可知，試驗條件基本相當的情況下，在充電時(shí)間在30～180s范圍內，三種試品均是隨著(zhù)充電時(shí)間的增大，元件的壽命次數呈指數趨勢下降。這與放電電壓等試驗參數一致，但充電時(shí)間差異，使電壓上升到放電電壓過(guò)程中試品承受電壓的不同所致。 1.5 線(xiàn)電流密度的影響線(xiàn)電流密度的定義為元件放電峰值電流與該元件金屬化膜有效長(cháng)度之比。同等電容的元件，線(xiàn)電流密度及放電波形脈寬等因素對試品壽命的影響值得深人研究和探討。本試驗采用3組試品，試品所用金屬化薄膜鍍層厚度及鍍層形式均一致，每組試品4個(gè)元件并聯(lián)，在相同試驗場(chǎng)強和反峰系數條件下進(jìn)行,充電電源采用恒壓源，放電間隔30s，測試放電電流所用美國Pearson的4 418型穿心電流測試線(xiàn)圈參數為0.001V/A，其余試驗條件及試驗結果見(jiàn)表5,表中的線(xiàn)電流密度是根據拍攝到的波形放電峰值電流計算而得，脈寬是根據拍攝波形測量而得，峰面積根據拍攝到的波形計算而得。
表5 線(xiàn)電流密度對比試驗結果
放電波形示意圖見(jiàn)圖7。從表5和圖7(表5和圖7中放電峰值電流、脈寬、峰面積均為并聯(lián)試驗的4個(gè)元件參數)可知，3組試品在不同線(xiàn)電流密度條件下，充放電試驗到電容衰減約5%時(shí)，充放電次數區別不大，原因可根據下邊公式得出。
式中:I為放電峰值電流；U為充電電壓；C為試驗電容；L為試驗回路電感；T為放電脈寬。
圖7 放電波形圖
在充電電壓和電容不變的情況下，若調整放電峰值電流，可以通過(guò)增加或減少回路電感來(lái)實(shí)現，但在增加或減少回路電感時(shí)，脈寬周期會(huì )相應增大或減少。因此，在電容基本相同的條件下，無(wú)法比較在電壓、反峰系數、脈寬等所有參數一致的前提下試品不同放電線(xiàn)電流密度的差異，從表5中的數據也看到，在電容為65μF、放電電流在1.4～8.1kA范圍時(shí)，維持放電電壓和反峰系數不變的情況下，隨著(zhù)線(xiàn)電流的密度增大，脈寬在減小，峰面積基本不變。在峰面積一致的三種試驗情況中，試品的耐充放電試驗次數基本相當。 2 結語(yǔ)1)在試驗電場(chǎng)強度為390MV/m和400MV/m且充、放電時(shí)間一致的條件下，恒壓源或恒流源對元件充放電壽命試驗結果差異不大。 2)反峰系數在20%～95%范圍內，元件壽命次數隨著(zhù)反峰系數的增大而下降，不同反峰系數之間的壽命有著(zhù)L/L0∞[1n(1/β0)/1n(1/β)]-0.7的關(guān)系。 3)在試驗電場(chǎng)強度為300～500MV/m的范圍內，元件的充放電壽命次數隨著(zhù)電場(chǎng)強度的增加呈指數規律下降。 4）在130～180s的充電時(shí)間范圍內，元件壽命次數隨著(zhù)充電時(shí)間的增加呈指數規律下降。 5）在電容、試驗電壓和反峰系數一致的情況下，改變回路參數使峰值電流（線(xiàn)電流密度）變化的同時(shí)，放電脈寬相應的也發(fā)生變化，但對元件放電試驗結果無(wú)明顯影響，故在放電實(shí)驗中，適當時(shí)可以通過(guò)不同的峰值電流和脈寬時(shí)間組合來(lái)達到試驗效果。 |
