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金屬化膜電容器可靠性研究進展
劉泳斌1 ，曹均正2 ，黃金就3，張一愷1，姚睿豐1，王妍1，高景暉1
(1.西安交通大學電力設備電氣絕緣國家重點實驗室，西安710049；2.中電普瑞電力工程有限公司 ，北京102200； 3.國網(wǎng)福建省電力有限公司檢修分公司 ，福州350013)
摘 要：中國現(xiàn)代化工業(yè)的迅猛發(fā)展 ，對相關電力設備(如電容器等）的性能和穗定性、可靠性提出了更高的要求 。干式金屬化膜電容器是一種安全性與穗定性較好的電容器 ，近來研究較為廣泛，特別是針對其運行可靠性的研究成為熱點問題 。本文綜述了多年來金屬化膜電容器可靠性方面的研究工作 ，涉及材料老化、金屬化膜自愈等方面 ，針對金屬化膜的自愈機理及應用 、材料老化的機理及壽命評估模型等關鍵問題進行了深入的探討，為電容器的可靠性優(yōu)化設計提供理論依據(jù) ，為相關工程技術人員提供運維參考 。
關鍵詞：金屬化膜電容器；可靠性 ；自愈 ；老化
0 引言隨著我國現(xiàn)代工業(yè)和國防科技的發(fā)展，大容量電容器在直流輸電網(wǎng) 、新能源并網(wǎng) 、混合動力汽車等方面的作用越來越重要。高性能電容器件的開發(fā)已成為電氣工程領域的迫切需求 。
早期的電容器多是箔式結構 ，20世紀50年代，金屬化膜電容器因其特有的自愈性等優(yōu)勢開始得到應用并迅速發(fā)展 ，逐漸取代傳統(tǒng)的箔式電容器：金屬化膜電容器相較于鋁電解電容器和超級電容器 ，具有耐電壓等級高、可靠性強（自愈性能）、損耗低、維護成本低等優(yōu)點，是高性能大容量電容器的新興發(fā)展方向 。傳統(tǒng)金屬化膜電容器多為油浸式電容器 。隨著電力電子系統(tǒng)對電容器的要求提高，油浸式逐漸暴露出老化 、燃燒 、爆炸等問題。新興金屬化膜電容器主要為干式無油化結構,相比于油浸式電容器 ，干式金屬化膜電容器具有電壓等級高 、容量大、不易燃燒 、環(huán)境友好 、體積小等優(yōu)點，是未來電容器發(fā)展的方向 。
金屬化膜電容器最先使用的聚合物介質為聚苯乙烯 ，金屬化聚苯乙烯膜在數(shù)次自愈之后便完全喪失絕緣能力。隨后出現(xiàn)的聚丙烯（PP) 、聚酯(PET)和聚碳酸酯(PC)等 ，逐漸取代絕緣紙成為主流金屬化膜介質。這些介質大多通過擠出 、拉伸形成薄膜 ，然后通過蒸鍍、卷繞 、噴金 、熱處理、賦能和
裝配等工藝制成金屬化膜電容器 。
金屬化膜電容器在運行過程中會發(fā)生自愈以及老化現(xiàn)象 ，造成其性能的逐漸下降，最終導致設備的故障及失效 ，影響系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行 ，因此金屬化膜電容器的可靠性問題是相關領域研究的重要課題。本文針對金屬化膜電容器的自愈和老化兩個方面 ，綜述了多年來國內外專家學者的相關研究工作并進行了提煉歸納 ，為電容器的性能提升、改進設計提供參考 。
1 自愈金屬化膜電容器的電極由非常薄的金屬層構成 ，因此具有非常特殊的性能，即自愈性。金屬化膜電容器的自愈 ，是指當介質薄膜在電弱點處發(fā)生局部擊穿時 ，電荷通過放電通道形成自愈電流，產生焦耳熱 ，使擊穿點周圍的金屬層蒸發(fā) ，當蒸發(fā)面積達到一定程度，導電通道被切斷 ，擊穿電流降為零 ，電容器恢復絕緣，見圖1 。
圖1 金屬化膜自愈過程
電容器自愈的過程中因金屬層蒸發(fā)消失了部分電極面積 ，造成了電容量的損失。因此金屬化膜電容器的失效一般定義為電容量損失大于額定電容的5%,當然也不排除電容器發(fā)生貫穿性短路等其他損壞 。
1.1 自愈的機理明確金屬化膜電容器自愈的物理機理,對于金屬化膜進一步的設計 、改進等具有重要意義。目前金屬化膜自愈方面的研究主要集中在自愈的能量 、電流的幅值 、持續(xù)時間、蒸發(fā)面積 、電弧產生與熄滅機理和影響因素等 。
普遍認為,金屬化膜電容器自愈是否成功關鍵在于自愈過程能量的大小。適中的電弧能量是自愈成功的關鍵,過大的能量可能引發(fā)貫穿性的電容器短路 ，過小的能量可能使電極蒸發(fā)不完全 ，導致連續(xù)的放電或電暈。
文獻中最早提出影響金屬化膜自愈能量的幾個重要因素：自愈過程消耗的能量E正比于蒸發(fā)的金屬體積V=dSV ，d為金屬層厚度 ，SV為蒸發(fā)的金屬面積；自愈過程的時間與擊穿電壓U正相關 ；SV正比于金屬層的電導率σ
通過一系列的研究 ，學者們普遍認可金屬化膜自愈的影響因素有：薄膜材料、電容量 、方阻 、層間壓強、外施電壓和預處理等 。自愈能量E可表示為
式中：Ub認為擊穿電壓 ；C0為電容童冶為方阻,β 為方阻，f(P)層間壓強的函數(shù)；α1 、α2 、k為系數(shù)。
文獻對低方阻(β =1.8；文獻對β＜30Ω/□的金屬化膜實驗結果顯示：α1=2～4，α2=2。文獻對高方阻(β＞30Ω/□)金屬化膜的進行了實驗，發(fā)現(xiàn)仍符合上述公式,α2 =2。
文獻發(fā)現(xiàn) ，在圓柱形電容元件中 ，外層的自愈面積是內層的2～10倍 。文獻研究了不同的尺寸對圓柱形電容元件老化特性的影響 ，發(fā)現(xiàn)直徑比較大的元件相比于直徑比較小的更容易老化，認為外層層間壓力相對較低 ，自愈電容損失更大 ，與Tortai在單層膜上的研究結論相符合。
根據(jù)對自愈過程的研究,學者們認為降低自愈過程中所需能量 ，可以有效地減少電容器自愈的發(fā)熱 ，避免電容器貫穿性的短路發(fā)生。因此 ，為了提高電容器的穩(wěn)定性 ，可以通過增大電容器元件層間壓強、使用較高方阻金屬化膜 、合理使用元件預處理工藝等來降低自愈能量 。
1.2 自愈的應用金屬化膜電容器生產過程中，一項十分重要的工序就是進行賦能處理 ，即在電容器上施加一定的電應力 ，人為的引發(fā)電弱點自愈，通過減少薄膜的電弱點從而提高電容器在工作狀態(tài)下的穩(wěn)定性 。優(yōu)異的白愈性能是金屬化膜電容器可靠工作的必要保證 。
當系統(tǒng)對電容器的工作安全穩(wěn)定性提出更高的要求時，金屬化膜可根據(jù)通流要求設計 ，制成自愈性能更強的隔離膜，就是通常稱為安全膜。安全膜中應用蒸鍍的微型保險絲連接金屬化膜上的極板單元模塊，當金屬化膜的介質發(fā)生擊穿自愈時，擊穿點所在的極板網(wǎng)格四周的微型保險絲由于瞵間流過大電流而動作，使擊穿點所在的極板單元從整個極板中脫離，防止了電容器因自愈不徹底而進一步惡化。隨著金屬化膜電容器技術的發(fā)展，形成了許多種結構形式的安全膜圖案，常用的有網(wǎng)格狀、T形、六邊形、強化網(wǎng)格狀、改良形網(wǎng)格狀等等。為了提高電容器安全性能，同時減少電容損失，今后不斷會有新的安全膜圖案被設計出來。采取安全膜分塊電極結構，可以減小自愈的能量，提高電容器工作的穩(wěn)定性和工作壽命。同時，金屬化安全膜也有一些缺陷:金屬化安全膜的微型保險絲導致了電容器的損耗角正切(tan5)比普通金屬化膜稍高，微型保險絲的絕緣間隙占去了5%左右的電極有效面積，使膜的利用率降低。2老化與壽命預測金屬化膜電容器的失效有兩種形式 ，一是電容量損失大于額定電容的5%，二是電容器絕緣電阻近似于短路（10～100Ω)。金屬化膜電容器的老化可能使電容器工作性能下降，甚至造成電容器的提早失效，因此，對金屬化膜電容器老化的研究是電容器和系統(tǒng)安全可靠運行的重要問題。2.1老化方式目前 ，金屬化膜電容器中已明確造成早期老化的原因有4種，分別是賦能不當 、電極腐蝕 、局部放電和噴金不良。任意一種原因都可能導致電容器的加速老化，提早失效。
賦能不當是指當金屬化膜的電弱點太多或者金屬層電極太厚，就有可能導致金屬化膜在賦能過程中自愈不良或電弱點未能完全剔除 ，在正常工作電壓下運行時可能再次發(fā)生連續(xù)擊穿，從而產生大量熱量最終導致電容器失效。通常這種老化形式會導致電容器在短期內損壞。文獻最早發(fā)現(xiàn) ，鋁電極金屬化膜在高電應力下出現(xiàn)了半徑約1～3mm的透明圓形,并證明了該處鋁氧化形成了氧化鋁，且介質膜表面未發(fā)生破壞。極薄的電極金屬材料在電場和間隙中的氧氣或水蒸汽共同作用下會發(fā)生電化學反應,造成電極腐蝕，為提高自愈性能而降低金屬層電極厚度后，這種腐蝕的影響會更大。電極厚度與電容器可靠性和電容損失的關系見圖2。進一步的研究發(fā)現(xiàn)，鋁電極的腐蝕不僅會造成電極面積的損失，還會引起金屬層與基底介質間距離增大，導致電容量下降。
圖2 電極厚度與電容器可靠性和電容損失關系
文獻對于鋁電極在交流下的腐蝕過程提出了氧化的動力學理論,認為氧化程度與時間呈拋物線關系
式中：?
文獻在此基礎上 ，針對電容器在直流疊加紋波電壓的工作條件下，進行了電容器電極腐蝕老化試驗分析，認為在相同的紋波電流下，當施加的直流電壓較低時，直流電壓對老化作用不明顯；當施加的直流電壓與額定電壓相當時，兩者對電容器的電極腐蝕老化有明顯的加速作用。當電容元件薄膜層間壓力過低時 ，會導致電容器局部放電，局部放電會造成金屬層電極燒蝕、介質老化耐壓下降，最終導致大幅度的電容量下降，甚至電容器擊穿短路。電容器應用于脈沖放電時，如噴金質量不好會造成噴金層與金屬化膜邊緣的接觸松動或脫離，在大電流作用下端部會發(fā)熱 ，溫升過大將進一步導致薄膜收縮脫離 。
金屬化膜電容器的老化主要受兩個因素影響，為工作的電壓和溫度 ，之外還有濕度 、機械應力、輻 照等等眾多因素 。在壽命預測試驗中 ，常研究單一變量，例如電應力水平或熱應力水平對老化狀態(tài)的影響 。然而 ，僅研究單一變量的作用較難正確反映電容器工作中的老化情況。在壽命試驗中同時研究多種老化因素的作用 ，可以更好地反映真實的老化狀態(tài),但是選用的應力因素增多會帶來試驗的復雜性增加 ，同時多因素的聯(lián)合作用使得試驗的分析與預測變得十分困難 。
文獻的研究結果表明，電壓和溫度對金屬化膜電容器的壽命起主要決定作用 。在高電場作用下，鍍層電極可能發(fā)生腐蝕老化，介質材料會形成新的弱點，并發(fā)生局部擊穿。在高熱應力下，由于一些低溫下不活潑的化學反應在高溫下被熱激活，這種能量超過化學鍵活化能時，可能導致聚合物介質的化學結構發(fā)生變化甚至降解。一般認為，溫度每升高8℃，電容器的壽命將降低一半。文獻研究發(fā)現(xiàn)，當諧波幅值與基波相當時，諧波對電容器老化的作用相當明顯，此時老化的主要因素為電壓峰值、電壓有效值和波形的上升沿。文獻通過壽命試驗發(fā)現(xiàn)，多元件組成的電容器壽命要比單一元件的壽命低 ，而且包含元件數(shù)量越多 ，壽命越短。
2.2 壽命預估目前對于金屬化膜電容器老化的研究 ，集中在基于試驗數(shù)據(jù)的概率統(tǒng)計模型分析 ，用來預測電容器的壽命。傳統(tǒng)的壽命預測模型主要包括最小二乘模型和威布爾分布模型 ，新型的預測模型有基于物理概率過程的性能降級模型 ，如Bimbaum- Saunders分布模型和泊松分布模型等。最小二乘模型僅適用于電容損耗均勻穩(wěn)定的場合 ，因此無法分析電容器的終生可靠性 ；威布爾分布模型在可獲取大量的壽命周期實驗數(shù)據(jù)時效果最好，但只能預測器件的終止壽命而不涉及其電容損耗過程 。性能降級模型充分利用了電容損耗特征數(shù)據(jù) ，可以反映電容器老化過程中的性能變化。
1)經典預測模型 。通常認為電容器的老化過程主要由熱應力與電應力兩個因素所主導 。電容器在熱的作用下發(fā)生化學反應，根據(jù)Airhenius定 律 ，反應速率v是關于絕對溫度T的函數(shù) ，公式為
式中：Ea為反應活化能 ；k為Boltzmann常數(shù)；v'  為Arrhenius因素(s-1)；T為開爾文絕對溫度 。
關于電容器在電應力下的老化,主要有反冪定律和指數(shù)定律兩種老化模型，公式分別為
式中：LE為在場強E下的預測壽命 ；E0為參考場強 ；C、n 、k和α  為常數(shù)。
這些模型對單種應力下金屬化膜電容器的老化都能比較好地預測壽命，但是無法應用在多種應力共同作用時的情況 電容器在實際運行中往往受到多應力的共同作用 ，為了更接近這種情況 ，許多學者提出了更復雜的多應力因素預測模型。例如L.Simcmi就將Arrehemus定律同反冪模型結合起來 ，提出了考慮溫度和電應力兩種外界應力的模型為
式中：LC為元件在電場強度E溫度T下的有效壽命 ；L0為元件在電場強度E0下的壽命；n為反冪模型中壽命曲線在雙對數(shù)坐標下的斜率 ；b為模型修正系數(shù) ；B為Arrehenius定律中激活能同Boltzmann 常數(shù)的比率：
2)新型預測模型：考慮到電容損失主要是由自愈所引起的，而自愈導致金屬化膜電容器電容降低 ，因而可通過監(jiān)測電容值隨時間的變化 ，實時追蹤電容器老化過程 。
文獻指出 ，電容降低的過程是與電介質膜中雜質數(shù)目相關的隨機事件，可以用與金屬化膜缺陷數(shù)目有關的概率分布表示 。這些缺陷一般與制造工藝相關 ，通常在電容器老化的初始階段表現(xiàn)出來。
基于此現(xiàn)象 ，文獻提出了電容量C(t)隨時間變化的指數(shù)概率分布模型 。
式中:A為基于初始電容C0的參數(shù)；λ1 。
應用該模型分析了電容器在不同溫度和不同電壓下的老化特性 ，得到了不同應力下壽命模型的系數(shù)(λ1  ，λ2 ），見圖3,根據(jù)曲線和實際使用的溫度電壓,可以獲得電容器的壽命預估曲線 。
圖3 兩種電容器在不同溫度、電壓下模型系數(shù)的變化
除了預測新型電容設備的壽命 ，評估在運電容器的剩余壽命 ，對于系統(tǒng)的安全可靠運行也十分重要 。傳統(tǒng)方法常用電容量(C)檢測或等效串聯(lián)電阻(ESR)檢測。文獻提出一種基于人工網(wǎng)絡與模糊邏輯的無損在線檢測手段 ，通過監(jiān)測在運行中電容器的電參數(shù) ，從而獲得剩余壽命預測值。
3 結語本文從金屬化膜電容器的結構 、自愈和老化的角度綜述了其研究進展 。經過數(shù)十年的發(fā)展，金屬化膜電容器性能得到了長足的提升 ，這離不開對科學機理的研究與工程應用的結合 。盡管如此，如何進一步的提高電容器的工作電壓 、儲能密度和可靠性 ，以及如何對電容器進行在線的狀態(tài)評估等方面，還需要進一步的研究開發(fā) 。
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=4.7
x(t)表示氧化層的生長程度, t為時間；k為電容器的特征常數(shù)
