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影響金屬化膜脈沖電容器壽命試驗的因素研究
陳松 ，李兆林 ，盧有盟
(桂林電力電容器有限責任公司 ，廣西桂林 541004)
摘 要：金屬化膜脈沖電容器在壽命試驗的過程中 ，涉及到的試驗參數(shù)較多 ，不同的試驗參數(shù)對試
驗結(jié)果都會有影響 。本文通過元件的試驗研究，研究這些參數(shù)的相互關(guān)系及影響的程度，為進一步 開展產(chǎn)品的試驗研究及分析試驗結(jié)果提供幫助。
關(guān)鍵詞：金屬化膜 ；脈沖電容器；反峰系數(shù)；電場強度；充放電周期
0 引言金屬化膜由于其具有優(yōu)良的“自愈”性能而突顯金屬化膜電容器的工作場強高，儲能密度高的優(yōu)勢而得到了人們普遍認可 。
金屬化膜即通過真空蒸鍍的方法將金屬蒸發(fā)氣化后附著在薄膜(基膜）的表面 ，薄膜厚度一般在2.5～10μm，金屬層厚度一般在50～700nm?div id="jpandex" class="focus-wrap mb20 cf">，F(xiàn)在使用的基膜以聚丙烯薄膜為主 。金屬化膜在使用的過程中，隨著工作電壓的升高 ，有電弱點處的薄膜出現(xiàn)局部擊穿 ，擊穿處的電弧放電所產(chǎn)生的能量足以使電擊穿點鄰近處的金屬層蒸發(fā)，使擊穿點周圍與極板隔開 ，電容器繼續(xù)正常運行 ，這就是人們所說的“自愈”性能。但若“自愈”點過多 ，材料的有效使用面積減少 ，電容(C)勢必下降；當電容下降到一定的范圍 ，繼續(xù)運行會使剩余電容損失更快 ，產(chǎn)品變得不再穩(wěn)定可靠，此時電容器就要退出運行。
金屬化膜電容器的品種有很多,脈沖電容器就是其中之一 。脈沖電容器也稱為儲能電容器 ，能夠在較長時間內(nèi)充電，而在極短時間內(nèi)放電 ，從而形成一個巨大的脈沖功率 。脈沖電容器的使用領(lǐng)域很廣，對電容器的基本要求是經(jīng)過規(guī)定次數(shù)的充 、放電運行后 ，C衰減量一般要求控制在5%～10%范圍。
本文通過高電壓金屬化膜脈沖電容器元件在不同試驗條件下的充放電對比試驗 ，以研究充電電源 、放電反峰系數(shù)、充電電場強度 、充放電周期 、放電線電流密度等因數(shù)對元件壽命的影響，同時就試驗中出現(xiàn)問題進行分析討論。
1 主要影響因素的試驗研究本文的金屬化膜脈沖電容器元件充放電試驗中主要使用的恒壓源試驗的線路見圖1和恒流源試驗的線路見圖2 。
圖1 充放電試驗路線圖
圖2 充放電試驗路線圖
圖1、圖2中:T1為調(diào)壓器 ；T2為變壓器 ；V為整流硅堆；R1為充電電阻 ；R2為放電電阻 ；L為放電電感；S1為放電開關(guān) ；S2為真空開關(guān) ；C為試品；V為電壓表：
1.1 試驗電源的影響在脈沖電容器的充放電試驗中 ，充電裝置電源一般選用恒壓源或恒流源 。恒壓源對電容器的充電電壓是按指數(shù)規(guī)律隨時間增長而趨于規(guī)定值；恒流源對電容器的充電電壓是隨著時間線性增長到規(guī)定值,兩種電源充電電壓隨時間變化趨勢見圖3 。
共設(shè)計兩種結(jié)構(gòu) 、4組試品（不同廠家的薄膜、不同介質(zhì)厚度 、不同方阻 、不同分切方式)試驗，每組試品6個元件并聯(lián)試驗 。同一組元件在試驗電壓（場強） 、放電峰值電流 、反峰系數(shù)、放電脈寬 、充放電周期均一致前提下比較恒壓源充電和恒流源充電對試品壽命的影響 ，以每組元件平均電容衰減約5%時的放電次數(shù)（即充放電試驗后電容相比初始電容下降的幅度約5%，以下同）作為考核數(shù)據(jù) ，試驗結(jié)果見表1(表中初始電容 、最終電容均指并聯(lián)試驗的平均單個元件電容，以下同） 。
圖3 恒壓源/恒流源充電趨勢圖
表1 試驗電源對比拭驗結(jié)果
從表1可知，兩種結(jié)構(gòu)4組試品分別進行兩種電源充電后的放電試驗 ，當電容衰減到約5%時 ，相同結(jié)構(gòu)類型的試樣，兩種電源充放電次數(shù)總體差異不大 ，個別組的差異稍大有待進一步分析 。同時，也可說明脈沖電電容器元件試驗場強在400MV/m左右 、充電時間一致的條件下 ，恒壓源或恒流源對其充放電壽命試驗結(jié)果基本一致。
1.2 反峰系數(shù)的影響當電容器放電時 ，由于放電回路的電感和電阻的影響 ，放電回路將出現(xiàn)振蕩，電容器在放電時形成的振蕩波中電壓波的第一個反符號振幅與前一個振幅之比的百分數(shù)為反峰電壓率(即反峰系數(shù)) 。國內(nèi)外諸多文獻中都曾提到過脈沖電容器在不同反峰系數(shù)辦下壽命關(guān)系的經(jīng)驗公式為
為了更詳實具體對比分析出其中關(guān)系 ，本文進行了反峰系數(shù)對元件壽命影響的研究試驗，試驗在兩種不同場強各4組試品中進行 ，每組4個元件并聯(lián)進行試驗 ，每組元件放電峰值電流和脈寬基本一
致,充電電源采用恒壓源，充放電周期30s ，電容衰減約5%時的充放電次數(shù)與放電反峰系數(shù)的關(guān)系見圖4,試驗結(jié)果見表2 。
圖4 電容衰減約5%時充放電次數(shù)
表2反峰系數(shù)對比試驗結(jié)果
從圖4和表2可知，兩種元件各4組試樣都是隨著反峰系數(shù)的增大
與放電反峰之間的關(guān)系為
這與文獻中的試驗結(jié)果基本吻合
從公式Q=（CU2)/2可知
試驗選擇三種電場強度進行
表3 電場強度對比試驗結(jié)果
圖5 電容衰減約5%時充電次數(shù)與充電場強的關(guān)系
從表3和圖5可知
充放電周期即按規(guī)定將電壓升到一個規(guī)定的值后
圖6 電容衰減約5%時充放電次數(shù)與充電時間的關(guān)系
表4 充放電周期對比試驗結(jié)果
從圖6和表4可知，試驗條件基本相當?shù)那闆r下
線電流密度的定義為元件放電峰值電流與該元件金屬化膜有效長度之比
表5 線電流密度對比試驗結(jié)果
放電波形示意圖見圖7
式中:I為放電峰值電流
圖7 放電波形圖
在充電電壓和電容不變的情況下，若調(diào)整放電峰值電流
1)在試驗電場強度為390MV/m和400MV/m且充、放電時間一致的條件下
2)反峰系數(shù)在20%～95%范圍內(nèi)，元件壽命次數(shù)隨著反峰系數(shù)的增大而下降
3)在試驗電場強度為300～500MV/m的范圍內(nèi)，元件的充放電壽命次數(shù)隨著電場強度的增加呈指數(shù)規(guī)律下降
4）在130～180s的充電時間范圍內(nèi)
5）在電容 |
