对金属化电容器自愈性能的分析.docx

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对金属化电容器自愈性能的分析

对金属化电容器自愈性能的分析

（1）

摘要：

近两年我国电力电容器制造行业已在低压电容器制造领域推出了金属化产品来取代原有的油浸纸质产品。

金属化电容器的显著特点就是具有所谓的

“自愈性”，即在介质击穿时击穿点能像伤口愈合一线瞬时恢复绝缘性能……

关键词：

金属化电容器自愈性能分析

近两年我国电力电容器制造行业已在低压电容器制造领域推出了金属化产品来取代原有的油浸纸质产品。

金属化电容器的显著特点就是具有所谓的“自愈性”，即在介质击穿时击穿点能像伤口愈合一线瞬时恢复绝缘性能。

由于具有这种宝贵的自愈性能，金属化电容器能采用极薄的单层薄膜介质。

这样电容器就能采用很高的工作电场强度，因而电容器的体积和重量都大大减小。

但自愈是有一定限度的在某些场合下，自愈性能的丧失就会导致电容器的故障。

因此，了解金属化电容器的自愈性能对于产品的设计和使用都是重要的。

下面我们分析以下金属化电容器在发生击穿时的自愈过程以及影响该过程的诸因素。

1、自愈过程的分析

1.1自愈过程的描述

请参看图1a、b、c,介质由击穿到绝缘恢复的全过程可分步描述如下：

第一步：

发生击穿

电容器在外施电压作用下由于介质中的杂质或气隙等弱点的存在或发展引起介质击穿形成导电通路；

第二步：

接着在导电通路处附近很小范围内的金属层中流过一个前沿很陡的脉冲电流。

邻近击穿点处金属层上的电流突然上升，按其离击穿点的距离而成反比分布。

在瞬刻t，半径为R的区域内金属层的温度达到金属的熔点，于是在此范围内的金属熔化并产生电弧。

该电流引起电容器释放能量，在弧道局部区域温度突然升高，压力突然增加。

第三步：

绝缘恢复

随着放电能量的作用，半径为Rt的区域内金属层剧烈蒸发并伴随喷溅。

在该区域半径增大的过程中电弧被拉断，金属被吹散并受到氧化与冷却，最后破坏了导电通路，在介质表面形成一个以击穿点为中心的失掉金属层的圆形绝缘区域。

如此自愈过程即告完成。

失掉金属层的圆形绝缘区域称作自愈晕区，其面积通常在1—8mm的范围内。

典型的自愈晕区处型如图2所示。

还需指出晕区金属层的蒸发不是靠弧道释放

的热量而是靠电流通过金属层直接发热的。

在自愈过程中电流是沿介质表面在

气体媒质中通过的，整个过程进行很快。

据研究［1］，当极板表面电阻在1.4〜4.5Q/□范围内，在常压及400V条件下自愈时间约为10〜20卩S。

外施电压高时对应的自愈恢复时间长。

1.2电容器内发生自愈时的等值电路自愈过程中电容器的等值电路如图3所示。

图中击穿点S模拟放电通道及附近的两个极板上的金属层蒸发的区域；c、r、h则代表电容器完好部分的饿等值参数。

S可看作是一个非线性有功元件，它在某一瞬间的静态与动态电阻不仅与此刻的饿电流、电压有关，而且和先前的过程有关。

S上的电压在自愈开始时由电

容器极板上的起始电压值很快将到O,然后在比较缓慢地依指数规律上升直到自愈结束。

自愈过程进行得很快，电容器上的电压Uc还来不及下降，所以外电

路的影响可不考虑。

关于发生自愈时电容器等值回路的参数r、L计算lo.C.qaTUHAH等人［2］通过解

析运算推出了如下的表达式：

r=0.67nroLnb/R

-72

h=4.2X10WLnb/R

式中：

W-—元件圈数

b——极板宽度

d--介质厚度

n——等于1或2的系数，指单面或双面金属化纸

ro--极板表面电阻

R——自愈晕区半径

我们可以推算一下，若b=100mmR=1〜4mmr°=3，贝Ur在%47〜9。

26Q的范围内。

IO.C.qaTUHAH等人进行的计算与实验还表明当r径为最大。

自愈晕区半径R与电极表面电阻的关系示图4。

2、影响自愈过程的诸因素2.1外施电压对自愈的影响

为了实现自愈必须在围绕击穿点处有一定的能量作用形成去掉金属的圆形区域。

但如释放的能量太多，临近的介质就会遭受破坏而引起新的击穿，如此发展下去就会导致介质反复击穿从而使击穿点处介质烧灼结瘤和自愈失效。

可见为了获得足够的自愈晕区并使临近的介质不致受到损伤，自愈放电能量必须控制在一定的范围内。

自愈区耗散的能量是影响自愈性能的一个重要参数。

H.Heywang[3]经过一系列的测试发现自愈能量与外施电压的4次方成正比，即

EaU4

ShawD.G[1]用表面电阻为1.4Q的双面金属化纸样品在常压下试验求得放电量与外施电压（400〜1000V范围内）的关系为：

EaU4.7

两者的结果是相当接近的。

此外，相应于不同的自愈能量会形成大小不同的晕区面积，有的研究者则从晕区面积的大小与外施电压的关系来研究自愈性能。

H.A.Topomuh[4]经研究得到电容值不同时锌金属化纸电容器的自愈区面积与外施电压的关系，结果如图5所示。

由图5可见，当试品电容增大时自愈区面积增大，但当电容器超过10卩f时其随电容变化的关系已接近饱和状态；而电压由200V增加到600V时自愈区面积大体上随电压呈线性关系增长。

还有人用针刺法进行自愈试验说明自愈与电压极性亦有很大关系。

此外金属化铝电容器在直流电压作用下还会有电化学自愈现象，即在击穿点处由于离子电导的作用，在阳极上产生氧使铝氧化而自愈，在阴极上产生H离子则没有显著

影响。

2.2自愈能量与极板厚度的关系

根据H.Heywang[3]的研究放电能量E与金属层厚度t的平方成正比，即:

Eat

而ShawD.G等人[1]给出在电容器内层自愈能量与电极厚度的关系在常压与

400V条件下为：

Eat

两者的研究结果也是相当一致的。

H.A.Topomuh[4]的实验用的是金属化纸，结果如图6所示。

当极板厚度增加时

（即表面电导增加）自愈释放的能量迅速增加。

他还指出对于方阻为4.5Q的

电极，自愈时的电流幅值为2.7Q电极的60%为1.5Q电极的30%

2.3自愈能量与外界压力的关系

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自愈释放的能量与压力有很大关系。

自愈点压力增高绝缘容易恢复，形成的自愈晕区半径就小，释放的能量相应地也减小。

解剖加过试验电压的电容器时可以看到在电容器外层卷绕较松的地方自愈晕区较大，而内层卷绕得较紧，晕区较小。

一般外层晕区比内层晕区的约大2〜10倍。

据研究[1]常压下自愈能量为275mJ压力增加到1345Kpa时只有6.2mJ，而压力再增大到1724Kpa时能量下降到1.4mJ。

另一试验表明压力为1724Kpa时自愈时间比345Kpa时要快3〜5倍。

H.A.Topomuh[4]研究过锌金属化纸，当其上施加的压力增加时，放电能量也会减小，其关系如图7所示。

Shaw.D.G等人[1]综合上述各因素给出金属化纸自愈时释放的能量与外施电压、金属层厚度以及周围压力的关系如下式所示：

E=R

式中R为常数；t为金属层厚度；P为电容器内的压力。

2.4自愈与极板金属的关系

为了介质自愈，击穿点周围的金属必须发热到金属熔化。

设击穿点的半径为r1,

而自愈晕区的半径为r2，则应熔化的金属质量为：

m=rmX（r；-r21）nXt

式中：

rm--金属层的密度；t--金属层的厚度使这部分金属层熔化所需的能量。

Q=m[C（t熔-to）h]

式中：

C——金属层的热比;

t金属的熔点;

to金属的起始温度;

h——金属的潜热。

对于薄的镀层直接用材料电导率来计算镀层厚度结果就会偏低很多，必须根据镀层特性曲线[5]由方阻求出金属层厚度然后再根据上述公式计算熔化能量。

计算结果列于表1，有表可见对于同样的方阻单位面积金属自愈时所消耗的能量铝镀层比锌镀层低。

表中还列出了常用的方阻为2—4Q的铝镀层和方阻为5—

10Q的锌镀层自愈时所需的能量。

其数值范围大体上是相等的。

实际上，自愈过程中的数量交换很复杂，除电流放出能量外金属微粒的局部氧化也要放出能量，而周围媒质的导热与气化又要吸收一部分能量。

此外自愈晕区在其他条件相同下，镀锌时晕区半径约为镀铝时的1.4倍。

上述分析只是一个初步的判断。

表1

蒸镀AL

蒸镀Zn

2.0

3.0

3.3

2.25

3.3

10

镀层厚度

0.025

0.020

0.019

0.0018

0.0167

0.048

0.037

0.0187

0.029

0.025

0.023

镀层单位

面积重量

（ug/cm2）

21.2

17.0

16.1

14.2

108

83.0

65.1

56.1

51.6

单位面积

金属层熔

0.318化所需热量（卡/cm3）

0.476

0.382

0.363

0.319

0.664

0.511

0.401

0.346

0.318

☆按材料电导率计算的镀层厚度

2.5影响自愈的其他因素

极板宽度、介质厚度、元件卷数、介质材料和浸渍对自愈都有影响，图8是在元件电容保持不变的条件下自愈区半径与元件宽度的关系[2]。

由图可见，电容值相同时细而长的元件对自愈是有利的。

图9曲线1示由于介质厚度的改变而引起电容变化时，相应的自愈区半径的变化。

即仅改变介质厚度而引起电容变化时，自愈区半径随电容的增加而减小。

曲线2表示元件卷数（或极板长度变化时自愈半径与元件电容的关系，即元件卷数增加对自愈是不利的。

曲线3则

表示电容的变化仅由并联元件数不同而造成时自愈半径与电容值的关系，即电容超过一定的数值后自愈半径与并联元件无关。

与极板宽度的关系

电容量的关系

d=8X10-6Mrg-=10Q

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u=400V

1.－－电容的变化是由介质厚度的变化引起的时

2.－－电容的变化是由极板长度的变化引起时

3.－－电容的变化是由并联元件数的变化引起时

介质材料对自愈过程亦有很大影响。

固体介质和浸渍剂中含氧量增高、碳氢原子数之比值C/H降低，能促进熄弧改善自愈性能[1]。

电容器纸、聚酯薄膜作基材以及浸渍剂为酯类，聚酯类液体时自愈能量减小，自愈时生成的碳在O2和H2

足够时可生成COCH和&H2对自愈亦有利；相反介质中的C原子含量增高,周围02减少时由于自愈时析出的碳粒增加易引起极间短路对自愈不利•此外，金属

层表面有浸渍剂时由于介质的导热性和热容量的饿增加自愈区半径和所消耗的能量要减小,例如:

IO.C.qaTHHH作过浸硅油试验,该值可减小到原值的1/3[2]。

3、结束语

介质自愈是金属化电容器特有的宝贵性能，本文根据有关文献论述和一些实践对自愈过程和各种影响因素进行了综合分析。

自愈是在一定的条件下实现的，超过一定的限度电容器就会丧失自愈性能。

在设计与试验电容器时应尽可能保证自愈在最佳条件下进行，即介质击穿时引起的脉冲电流小，释放的能量小，从而使邻近击穿点处介质的损伤也小。

从电容器结构上来考虑，减小元件极板长度、增加极板宽度对自愈是有利的。

把电容器绕得很紧，用粒度大的油浸渍或用固体材料封灌使电容器在自愈时形成的压力不致很快降低以及直接充灌压缩气体对自愈都是有利的。

减小金属层厚度对自愈是有利的，但元件端部接触和运行中电容下降问题会变严重。