，南京
211103)
摘 要：金屬化膜電容器的自愈性雖能在發(fā)生局部擊穿時(shí)自動(dòng)恢復(fù)絕緣，但持續(xù)性放電引發(fā)自愈失敗仍能導(dǎo)致災(zāi)難性故障的發(fā)生
。為探其自愈失敗過(guò)程
，對(duì)電容器元件施加較高直流電壓，通過(guò)并聯(lián)電容間接測(cè)量擊穿點(diǎn)處的電壓和電流
，分析自愈失敗時(shí)的發(fā)展過(guò)程
，推導(dǎo)其擊穿點(diǎn)的阻抗特性。試驗(yàn)結(jié)果表明：自愈失敗是以一個(gè)較大的自愈過(guò)程為先導(dǎo)
，在元件徹底擊穿之前
，會(huì)有持續(xù)時(shí)間為幾毫秒的頻繁自愈過(guò)程，這些自愈電流的峰值隨電壓的減小而下降
；在元件徹底擊穿的過(guò)程中
，隨著持續(xù)放電的進(jìn)行，擊穿點(diǎn)的等效電阻在逐漸減小
，阻值最小值已基本接近完全短路
。本文通過(guò)對(duì)自愈失敗過(guò)程的研究，為熔絲保護(hù)和安全膜設(shè)計(jì)提供參考
。
關(guān)鍵詞：金屬化膜電容器
；自愈失敗
；阻抗特性
0 引言
金屬化膜電容器的自愈特性是電容器在“電弱點(diǎn)”發(fā)生擊穿時(shí)
，絕緣性能可重新恢復(fù)且維持正常的工作狀態(tài)。如果擊穿過(guò)程中的金屬電極不完全蒸發(fā)或絕緣介質(zhì)中的碳沉積促進(jìn)了電容器的持續(xù)放電
，將導(dǎo)致電容器徹底擊穿即自愈失敗
。了解金屬化膜電容器自愈失敗時(shí)的發(fā)展過(guò)程和阻抗特性，通過(guò)設(shè)計(jì)改進(jìn)
，可提高電容器的可用性
，避免災(zāi)難性故障的發(fā)生。
對(duì)金屬化膜電容器的研究一般側(cè)重于其自愈特性，Kammermaier
J等人提出有機(jī)介質(zhì)等離子體感應(yīng)自愈模型并進(jìn)行相應(yīng)數(shù)學(xué)分析研究
；孔中華等人用兩種試品膜來(lái)研究金屬化膜電容器的自愈特性：隨著施加電壓增加
，自愈能量與自愈面積不斷增大，增大壓強(qiáng)
，自愈能量
、自愈電流和自愈面積從急劇減小到漸漸趨于緩和；文獻(xiàn)在干式和浸油的兩種情況下
，研究金屬化膜電容器發(fā)生局部擊穿時(shí)
，金屬層厚度、電容量和外施電壓等多種因素對(duì)自愈性能的影響
；文獻(xiàn)對(duì)自愈電弧熄滅的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行研究
，提出電流密度、電場(chǎng)和功率密度判據(jù)
，經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)推導(dǎo)與計(jì)算得出可用于解釋自愈電弧的熄滅功率密度判據(jù)
；文獻(xiàn)通過(guò)對(duì)不同方阻、不同種類的金屬電極進(jìn)行蒸發(fā)試驗(yàn)
，研究自愈電弧燃燒過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性
，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果建立了自愈電弧等效模型，用等效電路來(lái)代替自愈過(guò)程中電弧弧道電阻大小變化的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)自愈電弧的理論計(jì)算
；文獻(xiàn)研究提出自愈物理化學(xué)模型
，分析計(jì)算了自愈過(guò)程中形成石墨的厚度，認(rèn)為電極越厚
，外施電壓越大
，在自愈過(guò)程中形成的石墨層也越厚，自愈越難成功
。綜上所述
，國(guó)內(nèi)外對(duì)金屬化膜電容器的自愈特性研究已經(jīng)較為完善。文獻(xiàn)通過(guò)簡(jiǎn)單試樣的模擬試驗(yàn)分析了高場(chǎng)強(qiáng)下金屬化膜自愈失敗原因
，認(rèn)為在自愈過(guò)程中
，自愈點(diǎn)注人能量的大小是決定自愈能否成功的關(guān)鍵因素，闡述了注入能量過(guò)大引起自愈失敗的機(jī)理
。文獻(xiàn)在
T型金屬化膜自愈失敗仿真中認(rèn)為
，自愈失敗過(guò)程中的短路擊穿電阻在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)維持在幾歐姆到幾百兆歐姆的數(shù)值上?div id="d48novz" class="flower left">
？梢?jiàn)針對(duì)金屬化膜電容器自愈失敗過(guò)程的理論分析和數(shù)理模型涉及較少
，因此對(duì)其研究仍有待完善。
本文通過(guò)對(duì)金屬化膜電容器元件施加直流電壓來(lái)進(jìn)行自愈失敗試驗(yàn)研究
，間接測(cè)量并聯(lián)支路的電流和電壓得到實(shí)際通過(guò)擊穿點(diǎn)處的電流和兩端電壓
，分析自愈失敗時(shí)的發(fā)展過(guò)程
，推導(dǎo)其擊穿點(diǎn)處的阻抗變化特性，為熔絲保護(hù)和安全膜設(shè)計(jì)提供參考
。
1 試驗(yàn)原理與回路
1.1 試驗(yàn)原理
金屬化膜電容器元件的自愈失敗
，通常是自愈過(guò)程縱向發(fā)展的結(jié)果
，即在某一層金屬化膜上發(fā)生的自愈引發(fā)其相鄰層金屬化膜在同一位置上也發(fā)生自愈
,這一過(guò)程的擴(kuò)散導(dǎo)致在較小范圍內(nèi)和較短時(shí)間內(nèi)連續(xù)多次發(fā)生擊穿
，金屬層蒸發(fā)產(chǎn)生的金屬蒸汽和聚丙烯膜分解產(chǎn)生的石墨蒸汽在一個(gè)較小的范圍內(nèi)集中，最終發(fā)生自愈失敗
，導(dǎo)致元件徹底擊穿短路
。
對(duì)自愈失敗過(guò)程的研究無(wú)法通過(guò)研究金屬化膜搭接形成的膜電容來(lái)實(shí)現(xiàn)，對(duì)于兩層金屬化膜構(gòu)成的膜電容而言
，無(wú)論施加多高的電壓
，產(chǎn)生多么嚴(yán)重的自愈過(guò)程，最終均可通過(guò)增大自愈面積產(chǎn)生足夠的沿面放電距離來(lái)阻止持續(xù)擊穿放電的發(fā)生
。因此
，研究自愈失敗，只能在元件兩端施加高電壓使其徹底擊穿
，擊穿發(fā)生時(shí)元件電容對(duì)擊穿點(diǎn)進(jìn)行放電
，采用在被測(cè)電容器元件
C0兩端并聯(lián)另一個(gè)電容
Cp的方式，通過(guò)測(cè)量并聯(lián)電容上流過(guò)的電流
Ip，進(jìn)而推算流過(guò)擊穿位置的電流
Im。對(duì)于這兩個(gè)電流的關(guān)系，可以用式（
1)表示
。這一計(jì)算公式同樣適用于測(cè)得的自愈電流
。
對(duì)于并聯(lián)電容兩端的電壓Up和流過(guò)并聯(lián)電容的電流Ip，應(yīng)滿足如式(2)所示的關(guān)系式
。
1.2 試驗(yàn)電路
將4個(gè)額定電壓為1000 V
、電容量為
40μF
圖1 試驗(yàn)等值電路圖
圖中:C0為試品電容器元件；Cp為4個(gè)串聯(lián)電容器的等效電容
；
R為自愈失敗時(shí)擊穿點(diǎn)的等效電阻
；
Ip為并聯(lián)電容
Cp對(duì)擊穿點(diǎn)的放電電流；
I0為試品元件對(duì)擊穿點(diǎn)的放電電流
；
Im為流過(guò)擊穿點(diǎn)的總電流
。
2 試驗(yàn)結(jié)果
2.1自愈失敗電壓與電流
在發(fā)生自愈失敗時(shí)，電源保護(hù)會(huì)很快跳閘
。整個(gè)過(guò)程基本是試驗(yàn)元件和并聯(lián)電容對(duì)擊穿處電阻放電的過(guò)程
。并聯(lián)電容兩端的電壓波形如圖
2所示，流過(guò)并聯(lián)電容的電流如圖
3所示
。
圖2 并聯(lián)電容兩端電壓
圖3 流過(guò)并聯(lián)電容電流
由電壓
、電流波形可以看出
，在未發(fā)生自愈之前，電容兩端電壓保持在
2780V左右
。在
10ms時(shí)刻發(fā)生了一次幅值較大的自愈
，此時(shí)電容兩端的電壓為
2762 V。而后在
10～
15ms內(nèi)發(fā)生了多次連續(xù)的自愈過(guò)程，電壓開始小幅度緩慢下降
。在
15ms時(shí)刻之后
，元件徹底擊穿
,產(chǎn)生了一個(gè)幅值較大、持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的放電電流
，此時(shí)電壓開始快速下降直至為零，在
23ms時(shí)刻左右放電停止
。從擊穿放電開始的
15ms到電壓下降到
500V的
22ms時(shí)刻的時(shí)間范圍內(nèi)
，在擊穿放電電流中仍然混有大量的自愈電流。隨著放電過(guò)程的進(jìn)行
，電容器兩端電壓逐漸減小
，這些自愈電流的幅值也隨之減小直至自愈
過(guò)程不再發(fā)生。
2.2 擊穿前自愈過(guò)程
對(duì)電流波形進(jìn)行分析
，可以認(rèn)為
，元件擊穿是由
10?15ms內(nèi)連續(xù)多次的自愈過(guò)程引起的。對(duì)于
10ms時(shí)刻發(fā)生的自愈而言
，之前至少
10ms的時(shí)間范圍內(nèi)
，元件沒(méi)有發(fā)生任何自愈。因此
，連續(xù)的自愈過(guò)程明顯是以
10ms時(shí)刻的峰值較大的首次自 愈為直接誘因
。
對(duì)于這一自愈過(guò)程，其測(cè)得的電流峰值達(dá)到40A
，持續(xù)時(shí)間為
0.03ms，該電流波形如圖
4所示。則流過(guò)金屬化膜電容器元件自愈點(diǎn)處的自愈總電流峰值為
208.8A,持續(xù)時(shí)間為
0.03ms。對(duì)自愈能量進(jìn)行計(jì)算得到的結(jié)果為
9280 mJ,為電容器總儲(chǔ)能的
4.5%，計(jì)算公式為
這一自愈過(guò)程中的自愈電流峰值和自愈能量均遠(yuǎn)大于金屬化膜搭接形成的膜電容上的自愈過(guò)程結(jié)果。因此,基本可以推斷
，這一自愈過(guò)程是在多層膜上的同一點(diǎn)處同時(shí)發(fā)生的自愈過(guò)程相疊加
，較大的能量集中在很小的范圍內(nèi)，進(jìn)而引發(fā)了之后的連續(xù)多次自愈和擊穿放電
。
圖4 首次自愈電流
對(duì)于10?15ms內(nèi)連續(xù)多次的自愈過(guò)程,其電流峰值基本不超過(guò)25A,則流過(guò)自愈點(diǎn)的電流不超過(guò)130A
。在這一時(shí)間段內(nèi)，消耗的能量為
65074mJ,為電容器總儲(chǔ)能的
31.8% ，平均有功功率高達(dá)
13kW 。
可見(jiàn)
，在第一次自愈發(fā)生后，雖然元件尚未徹底擊穿
，但自愈位置附近的結(jié)構(gòu)已經(jīng)遭到嚴(yán)重破壞
，絕緣性能大幅下降，使得自愈過(guò)程在同一位置附近頻繁發(fā)生
,熱量在較小的空間范圍內(nèi)持續(xù)大量地累積
，最終導(dǎo)致此處的絕緣遭到徹底破壞
，使得元件擊穿。
2.3 擊穿放電電流
對(duì)測(cè)量到的電流進(jìn)行濾波處理
，濾除高頻分量
，得到的波形基本可以認(rèn)為是元件擊穿時(shí)并聯(lián)電容對(duì)擊穿處放電的電流
。處理后的電流波形如圖
5所示
。
圖5 擊穿故電電流
處理后的電流波形峰值為42.9A，則擊穿放電總電流的峰值為223.9A,持續(xù)時(shí)間在8ms左右
。根據(jù)電壓波形與處理后的電流波形計(jì)算放電過(guò)程中消耗的能量
，得到的結(jié)果為
195.1J,平均熱功率 接近
20kW，總電容值為
52.2μF
的電容器組在
2780V電壓下儲(chǔ)存的能量為
201.7J。因此
，可以確定，元件擊穿時(shí)電源已經(jīng)斷開
，擊穿放電消耗的能量基本是由電容器提供的
。
2.4 擊穿點(diǎn)等效電阻
將測(cè)得的流過(guò)并聯(lián)電容的電流換算為流過(guò)擊穿點(diǎn)的電流，以對(duì)應(yīng)時(shí)刻的電壓與之相除
，可以計(jì)算得出各時(shí)刻擊穿點(diǎn)的等效電阻值
。在擊穿放電過(guò)程的
15～23ms時(shí)間范圍內(nèi)，得到的等效電阻的變化曲線如圖
6所示
。
圖6 擊穿點(diǎn)等效電阻
可以看出
，自愈失敗擊穿點(diǎn)的等效電阻是呈現(xiàn)下降趨勢(shì)的，在擊穿剛發(fā)生時(shí)等效電阻是比較大
，最高接近
25000Ω
。隨著擊穿放電過(guò)程的發(fā)展，擊穿部分被持續(xù)破壞
，等效電阻也隨之下降
，在接近放電過(guò)程結(jié)束時(shí)，等效電阻的大小已經(jīng)低于
20在放電過(guò)程中等效電阻會(huì)有增大變化
，但整體是成下降趨勢(shì)
。其原因在于，雖然擊穿點(diǎn)部分在熱功率的作用下絕緣是在被破壞的
，但部分已經(jīng)導(dǎo)通的位置也可能在高溫的作用下融化而重新斷開
，使得等效電阻在部分時(shí)段出現(xiàn)一定的上升
。
3 結(jié)束語(yǔ)
根據(jù)金屬化膜電容器元件自愈失敗試驗(yàn)的結(jié) 果，得出以下結(jié)論：
1）金屬化膜電容器元件發(fā)生自愈失敗之前
，會(huì)有持續(xù)時(shí)間在幾毫秒的頻繁自愈過(guò)程
，而這一過(guò)程
又是以一個(gè)較大的自愈過(guò)程為先導(dǎo)的。
2）對(duì)于自愈失敗的放電過(guò)程
，其前半部分會(huì)伴隨頻繁自愈過(guò)程
，這些自愈的電流峰值大小隨電壓下降而隨之下降，直至電壓降為約
500V左右停止
。
3）濾除自愈電流得到并聯(lián)電容放電電流的波形
，其在接近放電過(guò)程結(jié)束的時(shí)刻達(dá)到峰值
42.9A，計(jì)算得到對(duì)應(yīng)的擊穿放電總電流的峰值為
223.9A ，放電過(guò)程的平均功率接近
20kW 。
4）根據(jù)電壓電流波形計(jì)算放電過(guò)程中的擊穿點(diǎn)等效電阻，得到等效電阻隨時(shí)間的變化曲線
。結(jié)果表明
，隨著放電過(guò)程的發(fā)展，擊穿點(diǎn)的等效電阻在逐漸減小
，阻值最小值已基本接近完全短路
。
由此可見(jiàn)，金屬化膜電容器元件在擊穿后的發(fā)熱十分嚴(yán)重
，如果不及時(shí)切斷
，極有可能引發(fā)火災(zāi)或爆炸。同時(shí)
,根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果
，在自愈失敗放電過(guò)程的初期
，元件擊穿點(diǎn)的等效電阻仍然很大，擊穿電流較小
，使得故障判斷較為困難
，常規(guī)的內(nèi)熔絲保護(hù)等方式很難及時(shí)切斷，這就需要一種更加準(zhǔn)確快速的保護(hù)方式
，及時(shí)切斷失敗的元件或單元以避免嚴(yán)重后果的發(fā)生
。
本試驗(yàn)外接并聯(lián)電容所產(chǎn)生的串聯(lián)電感會(huì)對(duì)測(cè)量值和計(jì)算值造成影響，本文并未考慮
，但這并不影響對(duì)自愈失敗過(guò)程狀況的研究結(jié)論
。
