對金屬化電容器自愈性能的分析_secret

1、對金屬化電容器自愈性能的分析摘 要：近兩年我國電力電容器制造行業(yè)已在低壓電容器制造領(lǐng)域推出了金屬化產(chǎn)品來取代原有的油浸紙質(zhì)產(chǎn)品。金屬化電容器的顯著特點就是具有所謂的“自愈性”，即在介質(zhì)擊穿時擊穿點能像傷口愈合一線瞬時恢復(fù)絕緣性能關(guān)鍵字：金屬化電容器 自愈性能 分析近 兩年我國電力電容器制造行業(yè)已在低壓電容器制造領(lǐng)域推出了金屬化產(chǎn)品來取代原有的油浸紙質(zhì)產(chǎn)品。金屬化電容器的顯著特點就是具有所謂的“自愈性”，即在介 質(zhì)擊穿時擊穿點能像傷口愈合一線瞬時恢復(fù)絕緣性能。由于具有這種寶貴的自愈性能，金屬化電容器能采用極薄的單層薄膜介質(zhì)。這樣電容器就能采用很高的工作電 場強度，因而電容器的體積和重量都大大減小

2、。但自愈是有一定限度的在某些場合下，自愈性能的喪失就會導(dǎo)致電容器的故障。因此，了解金屬化電容器的自愈性能 對于產(chǎn)品的設(shè)計和使用都是重要的。下面我們分析以下金屬化電容器在發(fā)生擊穿時的自愈過程以及影響該過程的諸因素。1、自愈過程的分析1.1自愈過程的描述請參看圖1a、b、c，介質(zhì)由擊穿到絕緣恢復(fù)的全過程可分步描述如下：第一步：發(fā)生擊穿電容器在外施電壓作用下由于介質(zhì)中的雜質(zhì)或氣隙等弱點的存在或發(fā)展引起介質(zhì)擊穿形成導(dǎo)電通路；第二步：接著在導(dǎo)電通路處附近很小范圍內(nèi)的金屬層中流過一個前沿很陡的脈沖電流。鄰近擊穿點處金屬層上的電流突然上升，按其離擊穿點的距離而成反比分布。在瞬刻t，半徑為Rt的區(qū)域內(nèi)金屬層的

3、溫度達到金屬的熔點，于是在此范圍內(nèi)的金屬熔化并產(chǎn)生電弧。該電流引起電容器釋放能量，在弧道局部區(qū)域溫度突然升高，壓力突然增加。第三步：絕緣恢復(fù)隨著放電能量的作用，半徑為Rt的區(qū)域內(nèi)金屬層劇烈蒸發(fā)并伴隨噴濺。在該區(qū)域半徑增大的過程中電弧被拉斷，金屬被吹散并受到氧化與冷卻，最后破壞了導(dǎo)電通路，在介質(zhì)表面形成一個以擊穿點為中心的失掉金屬層的圓形絕緣區(qū)域。如此自愈過程即告完成。失掉金屬層的圓形絕緣區(qū)域稱作自愈暈區(qū)，其面積通常在18mm2的 范圍內(nèi)。典型的自愈暈區(qū)處型如圖2所示。還需指出暈區(qū)金屬層的蒸發(fā)不是靠弧道釋放的熱量而是靠電流通過金屬層直接發(fā)熱的。在自愈過程中電流是沿介質(zhì)表面在 氣體媒質(zhì)中通過的，整

4、個過程進行很快。據(jù)研究1，當極板表面電阻在1.44.5/范圍內(nèi)，在常壓及400V條件下自愈時間約為1020S。 外施電壓高時對應(yīng)的自愈恢復(fù)時間長。1.2電容器內(nèi)發(fā)生自愈時的等值電路自愈過程中電容器的等值電路如圖3所示。圖中擊穿點S模擬放電通道及附近的兩個極板上的金屬層蒸發(fā)的區(qū)域；c、r、h則代表電容器完好部分的餓等值參數(shù)。 S 可看作是一個非線性有功元件，它在某一瞬間的靜態(tài)與動態(tài)電阻不僅與此刻的餓電流、電壓有關(guān)，而且和先前的過程有關(guān)。S上的電壓在自愈開始時由電容器極板上 的起始電壓值很快將到O，然后在比較緩慢地依指數(shù)規(guī)律上升直到自愈結(jié)束。自愈過程進行得很快，電容器上的電壓Uc還來不及下降，所以

5、外電路的影響可不考 慮。關(guān)于發(fā)生自愈時電容器等值回路的參數(shù)r、L計算Io.C.qaTUHAH等人2通過解析運算推出了如下的表達式：r=0.67nroLnb/Rh=4.210-7W2d Lnb/R式中：W元件圈數(shù) b極板寬度d介質(zhì)厚度n等于1或2的系數(shù)，指單面或雙面金屬化紙ro極板表面電阻R自愈暈區(qū)半徑我們可以推算一下，若b=100mm，R=14mm，ro=3，則r在%。479。26的范圍內(nèi)。IO.C. qaTUHAH等人進行的計算與實驗還表明當r 徑為最大。自愈暈區(qū)半徑R與電極表面電阻的關(guān)系示圖4。 2、影響自愈過程的諸因素2.1外施電壓對自愈的影響為 了實現(xiàn)自愈必須在圍繞擊穿點處有一定的能量

6、作用形成去掉金屬的圓形區(qū)域。但如釋放的能量太多，臨近的介質(zhì)就會遭受破壞而引起新的擊穿，如此發(fā)展下去就會導(dǎo) 致介質(zhì)反復(fù)擊穿從而使擊穿點處介質(zhì)燒灼結(jié)瘤和自愈失效?？梢姙榱双@得足夠的自愈暈區(qū)并使臨近的介質(zhì)不致受到損傷，自愈放電能量必須控制在一定的范圍內(nèi)。自 愈區(qū)耗散的能量是影響自愈性能的一個重要參數(shù)。H.Heywang3經(jīng)過一系列的測試發(fā)現(xiàn)自愈能量與外施電壓的4次方成正比，即EU4Shaw D.G1用表面電阻為1.4的雙面金屬化紙樣品在常壓下試驗求得放電量與外施電壓（4001000V范圍內(nèi)）的關(guān)系為：EU4.7兩者的結(jié)果是相當接近的。此外，相應(yīng)于不同的自愈能量會形成大小不同的暈區(qū)面積，有的研究者則從

7、暈區(qū)面積的大小與外施電壓的關(guān)系來研究自愈性能。H.A.Topomuh4經(jīng)研究得到電容值不同時鋅金屬化紙電容器的自愈區(qū)面積與外施電壓的關(guān)系，結(jié)果如圖5所示。由圖5可見，當試品電容增大時自愈區(qū)面積增大，但當電容器超過10f時其隨電容變化的關(guān)系已接近飽和狀態(tài)；而電壓由200V增加到600V時自愈區(qū)面積大體上隨電壓呈線性關(guān)系增長。還有人用針刺法進行自愈試驗說明自愈與電壓極性亦有很大關(guān)系。此外金屬化鋁電容器在直流電壓作用下還會有電化學(xué)自愈現(xiàn)象，即在擊穿點處由于離子電導(dǎo)的作用，在陽極上產(chǎn)生氧使鋁氧化而自愈，在陰極上產(chǎn)生H+離子則沒有顯著影響。2.2自愈能量與極板厚度的關(guān)系根據(jù)H.Heywang3的研究放電

8、能量E與金屬層厚度t的平方成正比，即：Et2而Shaw D.G等人 1給出在電容器內(nèi)層自愈能量與電極厚度的關(guān)系在常壓與400V條件下為：Et2兩者的研究結(jié)果也是相當一致的。H.A.Topomuh4的實驗用的是金屬化紙，結(jié)果如圖6所示。當極板厚度增加時（即表面電導(dǎo)增加）自愈釋放的能量迅速增加。他還指出對于方阻為4.5的電極，自愈時的電流幅值為2.7電極的60%，為1.5電極的30%。2.3自愈能量與外界壓力的關(guān)系自愈釋放的能量與壓力有很大關(guān)系。自愈點壓力增高絕緣容易恢復(fù)，形成的自愈暈區(qū)半徑就小，釋放的能量相應(yīng)地也減小。解剖加過試驗電壓的電容器時可以看到在電容器外層卷繞較松的地方自愈暈區(qū)較大，而內(nèi)

9、層卷繞得較緊，暈區(qū)較小。一般外層暈區(qū)比內(nèi)層暈區(qū)的約大210倍。據(jù)研究1常壓下自愈能量為275mJ，壓力增加到1345Kpa時只有6.2 mJ，而壓力再增大到1724Kpa時能量下降到1.4 mJ。另一試驗表明壓力為1724Kpa時自愈時間比345Kpa時要快35倍。H.A.Topomuh4研究過鋅金屬化紙，當其上施加的壓力增加時，放電能量也會減小，其關(guān)系如圖7所示。Shaw.D.G等人1綜合上述各因素給出金屬化紙自愈時釋放的能量與外施電壓、金屬層厚度以及周圍壓力的關(guān)系如下式所示：E=RU4.7t1.8F（P）式中R為常數(shù)；t為金屬層厚度；P為電容器內(nèi)的壓力。2.4自愈與極板金屬的關(guān)系為了介質(zhì)自

10、愈，擊穿點周圍的金屬必須發(fā)熱到金屬熔化。設(shè)擊穿點的半徑為r1,而自愈暈區(qū)的半徑為r2，則應(yīng)熔化的金屬質(zhì)量為：m=rm（r22-r21）t式中：rm金屬層的密度；t金屬層的厚度使這部分金屬層熔化所需的能量。Q=mC（t熔-to）+h式中：C金屬層的熱比； t金屬的熔點； to金屬的起始溫度； h金屬的潛熱。對 于薄的鍍層直接用材料電導(dǎo)率來計算鍍層厚度結(jié)果就會偏低很多，必須根據(jù)鍍層特性曲線5由方阻求出金屬層厚度然后再根據(jù)上述公式計算熔化能量。計算結(jié)果 列于表1，有表可見對于同樣的方阻單位面積金屬自愈時所消耗的能量鋁鍍層比鋅鍍層低。表中還列出了常用的方阻為24的鋁鍍層和方阻為510的鋅鍍 層自愈時所

11、需的能量。其數(shù)值范圍大體上是相等的。實際上，自愈過程中的數(shù)量交換很復(fù)雜，除電流放出能量外金屬微粒的局部氧化也要放出能量，而周圍媒質(zhì)的導(dǎo)熱與氣化又要吸收一部分能量。此外自愈暈區(qū)在其他條件相同下，鍍鋅時暈區(qū)半徑約為鍍鋁時的1.4倍。上述分析只是一個初步的判斷。表1方阻/蒸鍍 AL蒸鍍 Zn2.03.03.342.253.35710鍍層厚度（m）0.0250.0200.0190.00180.01670.0480.0370.01870.0290.0250.023鍍層單位面積重量（ug/cm2）21.217.016.114.210883.065.156.151.6單位面積金屬層熔化所需熱量（卡/cm3）

12、0.4760.3820.3630.3190.6640.5110.4010.3460.318按材料電導(dǎo)率計算的鍍層厚度2.5影響自愈的其他因素極 板寬度、介質(zhì)厚度、元件卷數(shù)、介質(zhì)材料和浸漬對自愈都有影響，圖8是在元件電容保持不變的條件下自愈區(qū)半徑與元件寬度的關(guān)系2。由圖可見，電容值相同 時細而長的元件對自愈是有利的。圖9曲線1示由于介質(zhì)厚度的改變而引起電容變化時，相應(yīng)的自愈區(qū)半徑的變化。即僅改變介質(zhì)厚度而引起電容變化時，自愈區(qū)半 徑隨電容的增加而減小。曲線2表示元件卷數(shù)（或極板長度變化時自愈半徑與元件電容的關(guān)系，即元件卷數(shù)增加對自愈是不利的。曲線3則表示電容的變化僅由并聯(lián) 元件數(shù)不同而造成時自愈

13、半徑與電容值的關(guān)系，即電容超過一定的數(shù)值后自愈半徑與并聯(lián)元件無關(guān)。與極板寬度的關(guān)系 電容量的關(guān)系d=810-6Mrg-=10u=400V1.電容的變化是由介質(zhì)厚度的變化引起的時2.電容的變化是由極板長度的變化引起時3.電容的變化是由并聯(lián)元件數(shù)的變化引起時介質(zhì)材料對自愈過程亦有很大影響。固體介質(zhì)和浸漬劑中含氧量增高、碳氫原子數(shù)之比值C/H降低，能促進熄弧改善自愈性能1。電容器紙、聚酯薄膜作基材以及浸漬劑為酯類，聚酯類液體時自愈能量減小，自愈時生成的碳在O2和H2足 夠時可生成CO，CH和H2對自愈亦有利;相反介質(zhì)中的C原子含量增高,周圍O2減少時由于自愈時析出的碳粒增加易引起極間短路對自愈不利.此外,金屬 層表面有浸漬劑時由于介質(zhì)的導(dǎo)熱性和熱容量的餓增加自愈區(qū)半徑和所消耗的能量要減小,例如:IO.C.qaTHHH作過浸硅油試驗,該值可減小到原值的 1/32。3、結(jié)束語介質(zhì)自愈是金屬化電容器特有的寶貴性能，本文根據(jù)有關(guān)文獻論述和一些實踐對自愈過程和各種影響因素 進行了綜合分析。自愈是在一定的條件下實現(xiàn)的，超過一定的限度電容器就會喪失自愈性能。在設(shè)計與試驗電容