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1、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
2、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，
3、半径为 Rt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 18mm2 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
4、。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 4.5 / 范围内，在常压及 400V条件下自愈时间约为 1020S。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
5、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 Io.C.qaTUHAH等人2 通过解 析运算推出了如下的表达式：r=0.67nr oLnb/R-7 2h=4.2×10-7W2d Lnb/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r o极板表面电阻R自愈晕区半径我们可以推算一下，若 b=100mm，R=14mm，r o=3，则 r 在%。 479。26 的 范围内。IO.C. qaTUHAH等人进行的计算与实验
6、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.Heywang3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EU4Shaw D.G1用表面电阻为 1.4 的双面
7、金属化纸样品在常压下试验求得放电量 与外施电压（ 4001000V范围内）的关系为：EU4.7两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.Topomuh4 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 10f 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
8、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.Heywang3 的研究放电能量 E与金属层厚度 t 的平方成正比，即：Et而 Shaw D.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：Et两者的研究结果也是相当一致的。H.A.Topomuh4 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 4.5 的 电极，自愈时的电流幅值为 2.7
9、 电极的 60%，为 1.5 电极的 30%。2.3 自愈能量与外界压力的关系本篇论文是由 3COME文档频道的网友为您在网络上收集整理饼投稿至本站 的，论文版权属原作者，请不要用于商业用途或者抄袭，仅供参考学习之用， 否者后果自负，如果此文侵犯您的合法权益，请联系我们。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 210 倍。据研究1 常压下自愈能量为 275mJ，压力增加到 1345Kpa时只有
10、 6.2 mJ，而压 力再增大到 1724Kpa时能量下降到 1.4 mJ 。另一试验表明压力为 1724Kpa时自 愈时间比 345Kpa时要快 35 倍。H.A.Topomuh4 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×U4.7 ×t1.8 ×F（ P）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。
11、设击穿点的半径为r 1,而自愈晕区的半径为 r 2，则应熔化的金属质量为：m=rm×（ r 22-r 21） ×t式中： r m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=mC（t 熔-t o） h式中： C金属层的热比；t 金属的熔点；t o 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 24 的铝镀层和方阻
12、为 5 10 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方阻 / 蒸镀 AL蒸镀 Zn2.03.03.32.253.310镀层厚度m)0.0250.0200.0190.00180.01670.0480.0370.01870.0290.0250.023镀层单位面积重量（ug/cm2）21.217.016.114.210883.065.156.151.6单位
13、面积金属层熔0.318 化所需热量 （卡 /cm3）0.4760.3820.3630.3190.6640.5110.4010.3460.318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
14、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=8×10-6M r g-=10 本篇论文是由 3COME文档频道的网友为您在网络上收集整理饼投稿至本站 的，论文版权属原作者，请不要用于商业用途或者抄袭，仅供参考学习之用， 否者后果自负，如果此文侵犯您的合法权益，请联系我们。u=400V1. 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
15、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 CO，CH和H2对自愈亦有利 ;相反介质中的 C原子含量增高 ,周 围 O2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 1/32 。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。