油浸箔式电容器与金属化电容器的比较.docx
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油浸箔式电容器与金属化电容器的比较
油浸箔式电容器与金属化电容器的比较
作者：
王小妮
（华超特种电子，710075）
摘要：
本文详细阐述了油浸箔式电容器与金属化电容器的优点与缺点和对两类电容器在电力电子线路使用过程中出现的质量问题进行了剖析，并以试验数据进一步验证。
关键词：
油浸箔式金属化阻尼吸收
一、概述：
电容器的品种很多，应用也很广泛，所以，对我们使用电容器的工程技术人员来讲，合理选用电容器就成为关键问题。
因而了解和熟悉电力电子电容器的材料、结构、性能就尤为重要。
特别是在阻尼吸收电路中，究竟选择油浸箔式电容器还是金属化自愈电容器？
不少厂家的工程技术人员提出疑问。
为此，我简单谈以下几点看法。
1、阻尼吸收电路中常出现的几种现象。
1.1选用的电容器耐压保险系数很高，加2-3倍电压都没有问题，可是用上一年甚至几个月就没容量了。
例如：
机车厂整流所用电容器，所用的型号规格：
CJ48-2-1600V-2μF；产品起用日期：
2003年10月；使用场合：
整流电源柜用做阻容吸收；工作条件：
长期连续工作；出现问题时间：
2004年4月；出现问题现象：
电容器在运行过程不工作，拆下后检测电容器无容量。
1.2电容器在使用一年后出现漏液、鼓肚、爆炸等现象。
例如：
青铜峡铝厂使用的电容器；型号规格：
CJ48-2-1600V-4μF；起用日期：
2003年9月；使用场合：
整流电源柜用做阻容吸收；工作条件：
长期连续工作；出现问题日期：
2004年9月；出现问题现象：
80%的电容器漏蜡。
整流柜上检测漏蜡电容器的温度比正常电容器的温度高3-5℃。
1.3对于上述两种质量问题我个人认为存在两方面的原因：
（1）、电容器本身质量问题。
2000年后电解铝升温，全国许多铝厂“疯狂上马”。
全国整流器厂出现了供不应求的局面。
在元件的采购上也相继出现“饥不择食”的情况，导致产品在制作工艺上比较粗糙，选材上比较盲目。
有些电容器过早地暴露出了自身存在的缺陷。
（2）、电容器选型问题。
因上述两种电容器用于整流柜阻容吸收线路中，此线路的特点为具有多种高次谐波，因此考验的是电容器的线载流能力而不是电容器的耐压性能。
而大多数厂家选择金属化自愈电容器，但金属化电容器由于材料和结构的特点决定了此类电容器的线载流能力相对较差。
大多数电容器漏液都是由于线载流能力相对较差出现热击穿引起的。
因此，一般金属化电容器在阻尼电路的运行中频频出现质量问题是难免的。
而油浸箔式电容器由于其材料和结构的特点（能够长时间承受大电流的冲击，散热性能较好）比较适合用于阻容吸收线路中。
例如：
万方铝厂与铝厂2000年选用的油浸箔式电容器，仅在刚开始由于运输、安装等原因造成少数电容器渗油，经维修更换后运行至今正常工作。
所以电容器的选型尤为重要。
二、分析：
什么是油浸箔式电容器和金属化自愈电容器？
它们的主要区别和优缺点是什么？
究竟选用哪种电容器比较合适？
依据是什么？
现在，我从材料、工艺、性能、用途四个方面作以分析。
1、从主要材料上：
1.1油浸箔式电容器的主要材料为：
1.1.1绝缘材料：
全膜、纸膜复合、浸渍料。
全膜为单面、双面粗化聚丙烯薄膜，该材料属于非极性材料。
材料厚度一般为7-18μm。
影响薄膜质量的主要因素为均匀度和平均击穿场强。
纸膜复合一般为聚丙烯光膜或聚脂光膜与纤维纸复合而成，其厚度和聚丙烯材料一样。
电容器浸渍料一般分为：
十二烷基苯、二芳基乙烷、苄基甲苯等。
1.1.2电极板：
为电容器专用铝箔。
一般铝箔厚度为6-7μm。
影响铝箔质量的关键为均匀度和分切质量。
1.1.3元件引出极：
引线片（铜片）、涂料（锡锌焊料）。
2、金属化电容器分为金属化纸介电容器（已被淘汰）与金属化薄膜电容器两种。
电容器的材料为：
2.1.1绝缘材料：
聚丙烯光膜、电容器纸。
膜和纸的厚度一般为5-16μm。
2.2.2电极：
将聚丙烯光膜或电容器纸表面蒸镀一层约为0.1μm厚的金属铝粉作为电极。
2.2.3元件引出极：
元件两端喷金层。
喷金的材料一般有三种：
（1）锡锌焊料；
（2）铅锡焊料；（3）巴氏合金。
三、从加工工艺上：
1、油浸箔式电容器加工工艺：
电容器元件是在两层铝箔电极间加入绝缘介质（最少必须是两层全膜或膜纸复合，3-5层比较理想）经过卷制、打压、压装、焊接和真空高温浸渍等工艺制作而成。
卷制方法分有感与无感两种。
纸膜复合一般为有感式卷绕（芯子中间加引线片引出），全膜一般有无感（芯子端面涂锡）与有感两种卷绕方式（如图所示）。
因介质存在电弱点，为避免介质击穿而造成两电极短路，电容器元件的绝缘介质必须采用两层或两层以上，使每层介质的电弱点错开排列。
芯子展开图
制成芯子
西门子油浸电容器元件
华超公司生产的电容器元件
2、金属化自愈电容器加工工艺：
一层金属化膜，或是一层金属化膜与一层光膜两层卷制而成。
经高温聚合后，两端喷上金属作为电极。
然后真空浸蜡或油。
也有灌树脂制作而成。
其型号为CBB40，CBB48；金属化自愈电容器根据封装形式不同又分为蜡浸、油浸和干式三种。
其形状如图所示：
金属化芯子外形图
3、从电容器的电性能方面：
3.1油浸箔式电容器：
一般单只芯子耐压：
交流为1kV-5kV；直流为2kV-10kV。
电极为铝箔，过流能力强，耐冲击电流能力大，可进行多次极间短路放电。
不具有自愈性，击穿后为短路，其弱点容易被发现，易出现早期失效。
由于粗化膜形成的毛细管现象，所以，油比较容易地渗入到芯子部，芯子部的残余气体很容易被排除，因此散热性与绝缘性能比较好。
例如：
1）、脉冲电容器CBBM-3KV-300μF
产品经过10000次极间短路放电，记录的实验数据如下表所示：
次数
电压kV
容量μF
损耗角正切值
备注
1
3
293.3
0.0002
加30uH电感
10
3
293.74
0.0005
460
3
293.62
0.0002
2340
3
293.68
0.0005
5000
3
293.42
0.0005
6000
3
293.39
0.0006
7000
3
293.30
0.0005
8000
3
293.21
0.0005
9000
3
293.12
0.0006
10000
3
293.33
0.0006
2）、阻尼电容器HCZN-1.6KV-4μ产品10次极间短路放电实验数据如下表所示:
次数
电压kV
容量μF
损耗角正切值
备注
0
4.144
0.0017
1
2.4
4.144
0.0012
2
2.4
4.143
0.0012
3
2.4
4.143
0.0012
4
2.4
4.143
0.0012
5
2.4
4.143
0.0012
6
2.4
4.143
0.0012
7
2.4
4.143
0.0012
8
2.4
4.143
0.0011
9
2.4
4.143
0.0011
10
2.4
4.143
0.0011
3.2金属化自愈电容器：
单只芯子耐压：
交流为0.25kV-0.63kV，直流为0.6kV-1kV。
由于金属化层比较薄，耐电流冲击能力比较弱，一般经不起短路放电实验（短路放电实验数据如下表所示）。
金属化自愈电容器具有自愈性。
所谓自愈性是：
当施加电压时金属化聚丙烯膜或金属化纸的电弱点被击穿，击穿电流将穿过击穿点。
由于导电的金属化镀层的电流密度急剧增大，使金属化层产生高热，致使击穿点周围的金属镀层迅速蒸发逸散，形成金属镀层空白区，击穿点自动恢复绝缘。
介质膜产生一个非常小的孔洞，直径约为几微米，自愈过程消失的金属化镀层面积直径约几毫米,从而使电容器的容量下降。
电容器容量随自愈次数的增加而逐渐减小，电容器的电弱点被剔除。
金属化元件卷制比较紧且经过热聚合，浸渍料只能渗入到元件的两端面约5-10mm，而进入不到元件部，因此，金属化元件的残余气体很难排除,易产生局部放电现象。
金属化电容器：
CBB48-1.5KV-7μF产品10次短路放电实验数据:
次数
电压kV
容量μF
损耗角正切值
备注
0
/
6.617
0.0008
1
2.25
6.603
0.083
2
2.25
6.582
0.144
3
2.25
6.563
0.175
4
2.25
6.557
0.185
5
2.25
6.531
0.220
6
2.25
6.515
0.224
7
2.25
6.498
0.254
8
2.25
6.479
0.275
9
2.25
6.415
0.330
10
2.25
6.416
0.337
金属化电容器：
CBB48-750V-1μF产品4次短路放电实验数据:
次数
电压kV
容量μF
损耗角正切值
备注
0
/
0.9881
0.0004
1
1.125
0.8508
0.2118
2
1.125
0.8104
0.3101
3
1.125
0.8001
无
4
/
/
/
3.3对聚丙烯薄膜的电性能的认识。
从国家GB/T12802-1996《电容器用聚丙烯薄膜》的规定中可见，12μm的直流介电强度中值比15μm的低20MV/m（6%），10μm的直流介电强度中值比15μm的低30MV/m（10%）。
更主要的是薄膜越薄，电弱点越多，按GB/T12802-1996的规定，12μm以上的薄膜电弱点≤0.5个/（m2），而10μm的≤0.6个/（m2）。
对于高场强电容器，由于运行的场强提高了，选用更薄的薄膜，电容器的损坏几率也会增加。
4、电容器的用途:
4.1油浸箔式电容器
油浸箔式电容器一般分为复合介质电容器和全膜聚丙烯电容器两种。
4.1.1复合介质电容器其优点是自身的浸渍能力比较强，但其漏电流较大，损耗角正切值tgδ≤0.01，容易发热。
该电容器主要适用于高压直流、储能、脉冲等线路中。
4.1.2全膜聚丙烯电容器其优点是单层耐压比较高、比能高、体积小、漏电流小，损耗角正切值tgδ≤0.0009，一般不容易发热，电容器的温升较小（一般在5℃以下）。
主要适用于工频高压交流，高、中、低频吸收回路，交流滤波，储能，脉冲放电，换相吸收，短路放电，阻容吸收等线路中。
高、中、低频吸收电容器（阻尼吸收电容器）
国外油浸电容器
4.1.3金属化纸介电容器损耗角正切值tgδ≤0.01,漏电流较大容易发热。
如：
CJ40，CJ41，CJ48等型号。
金属化聚丙烯薄膜电容器损耗角正切值tgδ≤0.0009，单只芯子耐压比较低，金属化层很薄，芯子与喷金层的接触电阻比较大，具有良好的自愈特性，比较适合用于低压工频交流的家用电器线路、低压工频电力补偿、低频脉冲、低压直流线路中。
其型号主要有：
CBB60、CBB61、CBB65、BSMJ、CBB40、CBB48。
（四）低压直流、交流电容器
四、电容器常见质量问题解析：
1、漏液
1.1产生漏液的原因：
（1）电容器受外部挤压变形。
（2）电容器部发热体积膨胀。
（3）电容器绝缘子被银层与瓷连接部分渗油。
（4）电容器部击穿短路导致芯子漏电流急剧增大致使产品部发热漏油、爆炸。
1.2电容器漏液的几种情况：
1.2.1油浸箔式电容器在工作时出现漏油，一般是焊接质量不过关、受机械损伤，或是由于介质损耗大，部发热，但电容器仍在工作。
这种情况一般应在10到20天之维修或更换。
1.2.2金属化自愈电容器出现漏蜡说明产品已经损坏。
金属化产品出现漏油时有两种情况：
A、产品损坏。
B、产品受到机械损伤。
如果金属化产品部发热,由于其部热量很难散发出去,很快就会损坏。
1.2.3解决油浸产品漏油问题的途径：
（1）引出线改为螺栓引出，电容器安装时一般不允许再次焊接引出极。
（2）外壳焊缝采用两次焊接的制作工艺。
（3）浸锡外壳钢板加厚，改为国标0.5mm以上。
（4）改为拉伸圆或椭圆铝外壳，用滚边机封边。
2、击穿短路
2.1击穿短路的原因：
（1）电压击穿。
主要为元件的绝缘介质部含有杂质或者绝缘介质承受的电压过高而引起。
（2）电流击穿。
电容器极板承受的电流过大，致使绝缘材料受热老化，耐压降低，造成电容器击穿。
油浸箔式电容器一般在频率过高的情况下才会出现电流击穿。
油浸箔式电容器击穿后通常元件没有剩余电荷，电容器无容量。
金属化电容器击穿后金属化膜层断裂，分裂成若干个小电容单元，所以，元件仍存有剩余电荷，电容量会明显变小，一般超出电容量的允许偏差。
因此，要注意多次间断性放电，以免损坏仪表或伤人。
3、断路
3.1油浸箔式电容器一般是由于冲击电流过大、连接点虚焊或线径细，引起元件与引出线之间或引出线与引出极之间断开。
连接点断开后电容器检测无容量，但元件仍存有剩余电荷，要注意将元件加电阻放电，以免损坏仪表或伤人。
3.2金属化电容器一般表现为喷金层与金属化层之间断开。
由于喷金面和金属化层之间接触电阻比较大，当电容器工作频率高、浪涌电流过大时，极易将元件端面的金属化层烧掉而出现断路。
断路后，元件在一定时间存有剩余电荷，因此要注意用电阻反复放电。
五、改进措施：
电容器在整机电源中，虽成本不高，但作用很大。
因此，要减少电容器的质量问题，延长电源的寿命，必须尽快从根本上提高和改进电容器品质，增强其可靠性能。
具体来讲：
1、提高电容器主要原材料的质量及可靠性。
特别是膜的平均击穿场强、铝箔分切边沿整齐度、绝缘子被银层质量、浸渍料质量。
2、进一步提高工艺水平和工艺卫生，特别是净化间的洁净程度。
3、改进电容器的封装质量，提高设备自动化程度。
六、小结:
本人从以上从四个方面分析了油浸箔式电容器与金属化自愈电容器各方面的特点，能够比较清楚的看到油浸箔式电容器耐压高、过流能力强的特点，但缺点是加工工艺比较复杂，容易渗漏，无自愈特性。
金属化自愈电容器具有良好的自愈特性，工艺简单。
但单只元件耐压低，过流能力相对较弱，容易出现电流击穿现象。
这样的目的在于抛砖引玉，使我们电容器生产厂家真正能扬长避短，不断提高电容器的产品质量。
同时，也为工程技术人员，结合这两类电容器的自身特性，科学合理的选用电容器，使整机系统得到安全、可靠的运行提供力一些帮助。
不妥之处，欢迎批评指正！
同时，也愿与同行进行探讨，共同推进电容器的技术进步！
。
2005年8月24日星期三
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