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    金属化膜电容器可靠性研究进展

    刘泳斌1,曹均正2,黄金就3,张一恺1,姚睿丰1,王妍1,高景晖1

    (1.西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室,西安7100492.中电普瑞电力工程有限公司,北京102200 3.国网福建省电力有限公司检修分公司,福州350013)


      要:中国现代化工业的迅猛发展,对相关电力设备(如电容器等)的性能和穗定性、可靠性提出了更高的要求。干式金属化膜电容器是一种安全性与穗定性较好的电容器,近来研究较为广泛,特别是针对其运行可靠性的研究成为热点问题。本文综述了多年来金属化膜电容器可靠性方面的研究工作,涉及材料老化、金属化膜自愈等方面,针对金属化膜的自愈机理及应用、材料老化的机理及寿命评估模型等关键问题进行了深入的探讨,为电容器的可靠性优化设计提供理论依据,为相关工程技术人员提供运维参考。

    关键词:金属化膜电容器;可靠性;自愈;老化


    引言

    随着我国现代工业和国防科技的发展,大容量电容器在直流输电网、新能源并网、混合动力汽车等方面的作用越来越重要。高性能电容器件的开发已成为电气工程领域的迫切需求。

    早期的电容器多是箔式结构,20世纪50年代,金属化膜电容器因其特有的自愈性等优势开始得到应用并迅速发展,逐渐取代传统的箔式电容器:金属化膜电容器相较于铝电解电容器和超级电容器,具有耐电压等级高、可靠性强(自愈性能)、损耗低、维护成本低等优点,是高性能大容量电容器的新兴发展方向。传统金属化膜电容器多为油浸式电容器。随着电力电子系统对电容器的要求提高,油浸式逐渐暴露出老化、燃烧、爆炸等问题。新兴金属化膜电容器主要为干式无油化结构,相比于油浸式电容器,干式金属化膜电容器具有电压等级高、容量大、不易燃烧、环境友好、体积小等优点,是未来电容器发展的方向。

    金属化膜电容器最先使用的聚合物介质为聚苯乙烯,金属化聚苯乙烯膜在数次自愈之后便完全丧失绝缘能力。随后出现的聚丙烯(PP)、聚酯(PET)和聚碳酸酯(PC)等,逐渐取代绝缘纸成为主流金属化膜介质。这些介质大多通过挤出、拉伸形成薄膜,然后通过蒸镀、卷绕、喷金、热处理、赋能和 装配等工艺制成金属化膜电容器。

    金属化膜电容器在运行过程中会发生自愈以及老化现象,造成其性能的逐渐下降,最终导致设备的故障及失效,影响系统的安全稳定运行,因此金属化膜电容器的可靠性问题是相关领域研究的重要课题。本文针对金属化膜电容器的自愈和老化两个方面,综述了多年来国内外专家学者的相关研究工作并进行了提炼归纳,为电容器的性能提升、改进设计提供参考。

    1 自愈

    金属化膜电容器的电极由非常薄的金属层构成,因此具有非常特殊的性能,即自愈性。金属化膜电容器的自愈,是指当介质薄膜在电弱点处发生局部击穿时,电荷通过放电通道形成自愈电流,产生焦耳热,使击穿点周围的金属层蒸发,当蒸发面积达到一定程度,导电通道被切断,击穿电流降为零,电容器恢复绝缘,见图1


      

    金属化膜自愈过程


    电容器自愈的过程中因金属层蒸发消失了部分电极面积,造成了电容量的损失。因此金属化膜电容器的失效一般定义为电容量损失大于额定电容的5%,当然也不排除电容器发生贯穿性短路等其他损坏。

    1.1 自愈的机理

    明确金属化膜电容器自愈的物理机理,对于金属化膜进一步的设计、改进等具有重要意义。目前金属化膜自愈方面的研究主要集中在自愈的能量、电流的幅值、持续时间、蒸发面积、电弧产生与熄灭机理和影响因素等。

    普遍认为,金属化膜电容器自愈是否成功关键在于自愈过程能量的大小。适中的电弧能量是自愈成功的关键,过大的能量可能引发贯穿性的电容器短路,过小的能量可能使电极蒸发不完全,导致连续的放电或电晕。

    文献中最早提出影响金属化膜自愈能量的几个重要因素:自愈过程消耗的能量E正比于蒸发的金属体积V=dSVd为金属层厚度,SV为蒸发的金属面积;自愈过程的时间与击穿电压U正相关;SV正比于金属层的电导率σ

    通过一系列的研究,学者们普遍认可金属化膜自愈的影响因素有:薄膜材料、电容量、方阻、层间压强、外施电压和预处理等。自愈能量E可表示为

     

    式中:Ub认为击穿电压;C0为电容童冶为方阻,β为方阻,f(P)层间压强的函数;α1α2k为系数。

    文献对低方阻(β10Ω/)的金属化膜实验 结果显示:α1=4.7,α2=1.8;文献对β30Ω/□的金属化膜实验结果显示:α1=2~4α2=2。文献对高方阻(β30Ω/)金属化膜的进行了实验,发现仍符合上述公式,α2=2。

    文献发现,在圆柱形电容元件中,外层的自愈面积是内层的210倍。文献研究了不同的尺寸对圆柱形电容元件老化特性的影响,发现直径比较大的元件相比于直径比较小的更容易老化,认为外层层间压力相对较低,自愈电容损失更大,与Tortai在单层膜上的研究结论相符合。

    根据对自愈过程的研究,学者们认为降低自愈过程中所需能量,可以有效地减少电容器自愈的发热,避免电容器贯穿性的短路发生。因此,为了提高电容器的稳定性,可以通过增大电容器元件层间压强、使用较高方阻金属化膜、合理使用元件预处理工艺等来降低自愈能量。

    1.2 自愈的应用

    金属化膜电容器生产过程中,一项十分重要的工序就是进行赋能处理,即在电容器上施加一定的电应力,人为的引发电弱点自愈,通过减少薄膜的电弱点从而提高电容器在工作状态下的稳定性。优异的白愈性能是金属化膜电容器可靠工作的必要保证。

    当系统对电容器的工作安全稳定性提出更高的要求时,金属化膜可根据通流要求设计,制成自愈性能更强的隔离膜,就是通常称为安全膜。安全膜中应用蒸镀的微型保险丝连接金属化膜上的极板单元模块,当金属化膜的介质发生击穿自愈时,击穿点所在的极板网格四周的微型保险丝由于瞵间流过大电流而动作,使击穿点所在的极板单元从整个极板中脱离,防止了电容器因自愈不彻底而进一步恶化。随着金属化膜电容器技术的发展,形成了许多种结构形式的安全膜图案,常用的有网格状、T形、六边形、强化网格状、改良形网格状等等。为了提高电容器安全性能,同时减少电容损失,今后不断会有新的安全膜图案被设计出来。采取安全膜分块电极结构,可以减小自愈的能量,提高电容器工作的稳定性和工作寿命。同时,金属化安全膜也有一些缺陷:金属化安全膜的微型保险丝导致了电容器的损耗角正切(tan5)比普通金属化膜稍高,微型保险丝的绝缘间隙占去了5%左右的电极有效面积,使膜的利用率降低。

    2老化与寿命预测

    金属化膜电容器的失效有两种形式,一是电容量损失大于额定电容的5%,二是电容器绝缘电阻近似于短路(10100Ω)。金属化膜电容器的老化可能使电容器工作性能下降,甚至造成电容器的提早失效,因此,对金属化膜电容器老化的研究是电容器和系统安全可靠运行的重要问题。

    2.1老化方式

    目前,金属化膜电容器中已明确造成早期老化的原因有4种,分别是赋能不当、电极腐蚀、局部放电和喷金不良。任意一种原因都可能导致电容器的加速老化,提早失效。

    赋能不当是指当金属化膜的电弱点太多或者金属层电极太厚,就有可能导致金属化膜在赋能过程中自愈不良或电弱点未能完全剔除,在正常工作电压下运行时可能再次发生连续击穿,从而产生大量热量最终导致电容器失效。通常这种老化形式会导致电容器在短期内损坏。

    文献最早发现,铝电极金属化膜在高电应力下出现了半径约13mm的透明圆形,并证明了该处铝氧化形成了氧化铝,且介质膜表面未发生破坏。极薄的电极金属材料在电场和间隙中的氧气或水蒸汽共同作用下会发生电化学反应,造成电极腐蚀,为提高自愈性能而降低金属层电极厚度后,这种腐蚀的影响会更大。电极厚度与电容器可靠性和电容损失的关系见图2。进一步的研究发现,铝电极的腐蚀不仅会造成电极面积的损失,还会引起金属层与基底介质间距离增大,导致电容量下降。


      

    电极厚度与电容器可靠性和电容损失关系


    文献对于铝电极在交流下的腐蚀过程提出了氧化的动力学理论,认为氧化程度与时间呈抛物线关系

     

     式中:?x(t)表示氧化层的生长程度, t为时间;k为电容器的特征常数。

    文献在此基础上,针对电容器在直流叠加纹波电压的工作条件下,进行了电容器电极腐蚀老化试验分析,认为在相同的纹波电流下,当施加的直流电压较低时,直流电压对老化作用不明显;当施加的直流电压与额定电压相当时,两者对电容器的电极腐蚀老化有明显的加速作用。

    当电容元件薄膜层间压力过低时,会导致电容器局部放电,局部放电会造成金属层电极烧蚀、介质老化耐压下降,最终导致大幅度的电容量下降,甚至电容器击穿短路。电容器应用于脉冲放电时,如喷金质量不好会造成喷金层与金属化膜边缘的接触松动或脱离,在大电流作用下端部会发热,温升过大将进一步导致薄膜收缩脱离。

    金属化膜电容器的老化主要受两个因素影响,为工作的电压和温度,之外还有湿度、机械应力、辐 照等等众多因素。在寿命预测试验中,常研究单一变量,例如电应力水平或热应力水平对老化状态的影响。然而,仅研究单一变量的作用较难正确反映电容器工作中的老化情况。在寿命试验中同时研究多种老化因素的作用,可以更好地反映真实的老化状态,但是选用的应力因素增多会带来试验的复杂性增加,同时多因素的联合作用使得试验的分析与预测变得十分困难。

    文献的研究结果表明,电压和温度对金属化膜电容器的寿命起主要决定作用。在高电场作用下,镀层电极可能发生腐蚀老化,介质材料会形成新的弱点,并发生局部击穿。在高热应力下,由于一些低温下不活泼的化学反应在高温下被热激活,这种能量超过化学键活化能时,可能导致聚合物介质的化学结构发生变化甚至降解。一般认为,温度每升高8℃,电容器的寿命将降低一半。文献研究发现,当谐波幅值与基波相当时,谐波对电容器老化的作用相当明显,此时老化的主要因素为电压峰值、电压有效值和波形的上升沿。文献通过寿命试验发现,多元件组成的电容器寿命要比单一元件的寿命低,而且包含元件数量越多,寿命越短。

    2.2 寿命预估

    目前对于金属化膜电容器老化的研究,集中在基于试验数据的概率统计模型分析,用来预测电容器的寿命。传统的寿命预测模型主要包括最小二乘模型和威布尔分布模型,新型的预测模型有基于物理概率过程的性能降级模型,如Bimbaum- Saunders分布模型和泊松分布模型等。最小二乘模型仅适用于电容损耗均匀稳定的场合,因此无法分析电容器的终生可靠性;威布尔分布模型在可获取大量的寿命周期实验数据时效果最好,但只能预测器件的终止寿命而不涉及其电容损耗过程。性能降级模型充分利用了电容损耗特征数据,可以反映电容器老化过程中的性能变化。

    1)经典预测模型。通常认为电容器的老化过程主要由热应力与电应力两个因素所主导。电容器在热的作用下发生化学反应,根据Airhenius定 律,反应速率v是关于绝对温度T的函数,公式为

     

    式中:Ea为反应活化能;kBoltzmann常数;v'Arrhenius因素(s-1)T为开尔文绝对温度。

    关于电容器在电应力下的老化,主要有反幂定律和指数定律两种老化模型,公式分别为

     

    式中:LE为在场强E下的预测寿命;E0为参考场强;Cnkα为常数。

    这些模型对单种应力下金属化膜电容器的老化都能比较好地预测寿命,但是无法应用在多种应力共同作用时的情况

    电容器在实际运行中往往受到多应力的共同作用,为了更接近这种情况,许多学者提出了更复杂的多应力因素预测模型。例如L.Simcmi就将Arrehemus定律同反幂模型结合起来,提出了考虑温度和电应力两种外界应力的模型为

     

    式中:LC为元件在电场强度E温度T下的有效寿命;L0为元件在电场强度E0下的寿命;n为反幂模型中寿命曲线在双对数坐标下的斜率;b为模型修正系数;BArrehenius定律中激活能同Boltzmann 常数的比率:

    2)新型预测模型:考虑到电容损失主要是由自愈所引起的,而自愈导致金属化膜电容器电容降低,因而可通过监测电容值随时间的变化,实时追踪电容器老化过程。

    文献指出,电容降低的过程是与电介质膜中杂质数目相关的随机事件,可以用与金属化膜缺陷数目有关的概率分布表示。这些缺陷一般与制造工艺相关,通常在电容器老化的初始阶段表现出来。

    基于此现象,文献提出了电容量C(t)随时间变化的指数概率分布模型。

     

    式中:A为基于初始电容C0的参数;λ1(s-1)和λ1(F·S)为同电容特性和应力相关的常量。

    应用该模型分析了电容器在不同温度和不同电压下的老化特性,得到了不同应力下寿命模型的系数(λ1λ2),见图3,根据曲线和实际使用的温度电压,可以获得电容器的寿命预估曲线。


      

    两种电容器在不同温度、电压下模型系数的变化


    除了预测新型电容设备的寿命,评估在运电容器的剩余寿命,对于系统的安全可靠运行也十分重要。传统方法常用电容量(C)检测或等效串联电阻(ESR)检测。文献提出一种基于人工网络与模糊逻辑的无损在线检测手段,通过监测在运行中电容器的电参数,从而获得剩余寿命预测值。

    结语

    本文从金属化膜电容器的结构、自愈和老化的角度综述了其研究进展。经过数十年的发展,金属化膜电容器性能得到了长足的提升,这离不开对科学机理的研究与工程应用的结合。尽管如此,如何进一步的提高电容器的工作电压、储能密度和可靠性,以及如何对电容器进行在线的状态评估等方面,还需要进一步的研究开发。

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