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金属化膜电容器元件自愈失败过程研究

王荀1、陈伟2,徐梦蕾1、徐志钮1,王子建1,尹婷3,周志成4

(1.华北电力大学河北省输变电设备安全防御重点实验室,河北保定0710032.国家电网有限公司,北京1000313.中国电力科学研究院有限公司,北京1001914.国网江苏省电力有限公司,南京211103)


  要:金属化膜电容器的自愈性虽能在发生局部击穿时自动恢复绝缘,但持续性放电引发自愈失败仍能导致灾难性故障的发生。为探其自愈失败过程,对电容器元件施加较高直流电压,通过并联电容间接测量击穿点处的电压和电流,分析自愈失败时的发展过程,推导其击穿点的阻抗特性。试验结果表明:自愈失败是以一个较大的自愈过程为先导,在元件彻底击穿之前,会有持续时间为几毫秒的频繁自愈过程,这些自愈电流的峰值随电压的减小而下降;在元件彻底击穿的过程中,随着持续放电的进行,击穿点的等效电阻在逐渐减小,阻值最小值已基本接近完全短路。本文通过对自愈失败过程的研究,为熔丝保护和安全膜设计提供参考。

关键词:金属化膜电容器;自愈失败;阻抗特性


0 引言

金属化膜电容器的自愈特性是电容器在“电弱点”发生击穿时,绝缘性能可重新恢复且维持正常的工作状态。如果击穿过程中的金属电极不完全蒸发或绝缘介质中的碳沉积促进了电容器的持续放电,将导致电容器彻底击穿即自愈失败。了解金属化膜电容器自愈失败时的发展过程和阻抗特性,通过设计改进,可提高电容器的可用性,避免灾难性故障的发生。

对金属化膜电容器的研究一般侧重于其自愈特性,Kammermaier J等人提出有机介质等离子体感应自愈模型并进行相应数学分析研究;孔中华等人用两种试品膜来研究金属化膜电容器的自愈特性:随着施加电压增加,自愈能量与自愈面积不断增大,增大压强,自愈能量、自愈电流和自愈面积从急剧减小到渐渐趋于缓和;文献在干式和浸油的两种情况下,研究金属化膜电容器发生局部击穿时,金属层厚度、电容量和外施电压等多种因素对自愈性能的影响;文献对自愈电弧熄灭的关键参数进行研究,提出电流密度、电场和功率密度判据,经过数学推导与计算得出可用于解释自愈电弧的熄灭功率密度判据;文献通过对不同方阻、不同种类的金属电极进行蒸发试验,研究自愈电弧燃烧过程中的动态特性,并根据实验结果建立了自愈电弧等效模型,用等效电路来代替自愈过程中电弧弧道电阻大小变化的方法实现对自愈电弧的理论计算;文献研究提出自愈物理化学模型,分析计算了自愈过程中形成石墨的厚度,认为电极越厚,外施电压越大,在自愈过程中形成的石墨层也越厚,自愈越难成功。综上所述,国内外对金属化膜电容器的自愈特性研究已经较为完善。文献通过简单试样的模拟试验分析了高场强下金属化膜自愈失败原因,认为在自愈过程中,自愈点注人能量的大小是决定自愈能否成功的关键因素,阐述了注入能量过大引起自愈失败的机理。文献在T型金属化膜自愈失败仿真中认为,自愈失败过程中的短路击穿电阻在相当长的一段时间内维持在几欧姆到几百兆欧姆的数值上。可见针对金属化膜电容器自愈失败过程的理论分析和数理模型涉及较少,因此对其研究仍有待完善。

本文通过对金属化膜电容器元件施加直流电压来进行自愈失败试验研究,间接测量并联支路的电流和电压得到实际通过击穿点处的电流和两端电压,分析自愈失败时的发展过程,推导其击穿点处的阻抗变化特性,为熔丝保护和安全膜设计提供参考。

试验原理与回路

1.1 试验原理

金属化膜电容器元件的自愈失败,通常是自愈过程纵向发展的结果,即在某一层金属化膜上发生的自愈引发其相邻层金属化膜在同一位置上也发生自愈,这一过程的扩散导致在较小范围内和较短时间内连续多次发生击穿,金属层蒸发产生的金属蒸汽和聚丙烯膜分解产生的石墨蒸汽在一个较小的范围内集中,最终发生自愈失败,导致元件彻底击穿短路。

对自愈失败过程的研究无法通过研究金属化膜搭接形成的膜电容来实现,对于两层金属化膜构成的膜电容而言,无论施加多高的电压,产生多么严重的自愈过程,最终均可通过增大自愈面积产生足够的沿面放电距离来阻止持续击穿放电的发生。因此,研究自愈失败,只能在元件两端施加高电压使其彻底击穿,击穿发生时元件电容对击穿点进行放电,采用在被测电容器元件C0两端并联另一个电容Cp的方式,通过测量并联电容上流过的电流Ip,进而推算流过击穿位置的电流Im。对于这两个电流的关系,可以用式(1)表示。这一计算公式同样适用于测得的自愈电流。

 

对于并联电容两端的电压Up和流过并联电容的电流Ip,应满足如式(2)所示的关系式。

 

 1.2 试验电路

4个额定电压为1000 V、电容量为40μF

  

试验等值电路图


图中:C0为试品电容器元件;Cp4个串联电容器的等效电容;R为自愈失败时击穿点的等效电阻;Ip为并联电容Cp对击穿点的放电电流;I0为试品元件对击穿点的放电电流;Im为流过击穿点的总电流。

试验结果

2.1自愈失败电压与电流

在发生自愈失败时,电源保护会很快跳闸。整个过程基本是试验元件和并联电容对击穿处电阻放电的过程。并联电容两端的电压波形如图2所示,流过并联电容的电流如图3所示。


  

并联电容两端电压


  

流过并联电容电流


由电压、电流波形可以看出,在未发生自愈之前,电容两端电压保持在2780V左右。在10ms时刻发生了一次幅值较大的自愈,此时电容两端的电压为2762 V。而后在1015ms内发生了多次连续的自愈过程,电压开始小幅度缓慢下降。在15ms时刻之后,元件彻底击穿,产生了一个幅值较大、持续时间较长的放电电流,此时电压开始快速下降直至为零,在23ms时刻左右放电停止。从击穿放电开始的15ms到电压下降到500V22ms时刻的时间范围内,在击穿放电电流中仍然混有大量的自愈电流。随着放电过程的进行,电容器两端电压逐渐减小,这些自愈电流的幅值也随之减小直至自愈 过程不再发生。

2.2 击穿前自愈过程

对电流波形进行分析,可以认为,元件击穿是由10?15ms内连续多次的自愈过程引起的。对于10ms时刻发生的自愈而言,之前至少10ms的时间范围内,元件没有发生任何自愈。因此,连续的自愈过程明显是以10ms时刻的峰值较大的首次自 愈为直接诱因。

对于这一自愈过程,其测得的电流峰值达到40A,持续时间为0.03ms,该电流波形如图4所示。则流过金属化膜电容器元件自愈点处的自愈总电流峰值为208.8A,持续时间为0.03ms。对自愈能量进行计算得到的结果为9280 mJ,为电容器总储能的4.5%,计算公式为

 

这一自愈过程中的自愈电流峰值和自愈能量均远大于金属化膜搭接形成的膜电容上的自愈过程结果。因此,基本可以推断,这一自愈过程是在多层膜上的同一点处同时发生的自愈过程相叠加,较大的能量集中在很小的范围内,进而引发了之后的连续多次自愈和击穿放电。


  

首次自愈电流


对于10?15ms内连续多次的自愈过程,其电流峰值基本不超过25A,则流过自愈点的电流不超过130A。在这一时间段内,消耗的能量为65074mJ,为电容器总储能的31.8%,平均有功功率高达13kW

可见,在第一次自愈发生后,虽然元件尚未彻底击穿,但自愈位置附近的结构已经遭到严重破坏,绝缘性能大幅下降,使得自愈过程在同一位置附近频繁发生,热量在较小的空间范围内持续大量地累积,最终导致此处的绝缘遭到彻底破坏,使得元件击穿。

2.3 击穿放电电流

对测量到的电流进行滤波处理,滤除高频分量,得到的波形基本可以认为是元件击穿时并联电容对击穿处放电的电流。处理后的电流波形如图5所示。


  

击穿故电电流


处理后的电流波形峰值为42.9A,则击穿放电总电流的峰值为223.9A,持续时间在8ms左右。根据电压波形与处理后的电流波形计算放电过程中消耗的能量,得到的结果为195.1J,平均热功率 接近20kW,总电容值为52.2μF的电容器组在2780V电压下储存的能量为201.7J。因此,可以确定,元件击穿时电源已经断开,击穿放电消耗的能量基本是由电容器提供的。

2.4 击穿点等效电阻

将测得的流过并联电容的电流换算为流过击穿点的电流,以对应时刻的电压与之相除,可以计算得出各时刻击穿点的等效电阻值。在击穿放电过程的15~23ms时间范围内,得到的等效电阻的变化曲线如图6所示。


  

击穿点等效电阻


可以看出,自愈失败击穿点的等效电阻是呈现下降趋势的,在击穿刚发生时等效电阻是比较大,最高接近25000Ω。随着击穿放电过程的发展,击穿部分被持续破坏,等效电阻也随之下降,在接近放电过程结束时,等效电阻的大小已经低于20在放电过程中等效电阻会有增大变化,但整体是成下降趋势。其原因在于,虽然击穿点部分在热功率的作用下绝缘是在被破坏的,但部分已经导通的位置也可能在高温的作用下融化而重新断开,使得等效电阻在部分时段出现一定的上升。

3 结束语

根据金属化膜电容器元件自愈失败试验的结 果,得出以下结论:

1)金属化膜电容器元件发生自愈失败之前,会有持续时间在几毫秒的频繁自愈过程,而这一过程 又是以一个较大的自愈过程为先导的。

2)对于自愈失败的放电过程,其前半部分会伴随频繁自愈过程,这些自愈的电流峰值大小随电压下降而随之下降,直至电压降为约500V左右停止。

3)滤除自愈电流得到并联电容放电电流的波形,其在接近放电过程结束的时刻达到峰值42.9A,计算得到对应的击穿放电总电流的峰值为223.9A,放电过程的平均功率接近20kW

4)根据电压电流波形计算放电过程中的击穿点等效电阻,得到等效电阻随时间的变化曲线。结果表明,随着放电过程的发展,击穿点的等效电阻在逐渐减小,阻值最小值已基本接近完全短路。

由此可见,金属化膜电容器元件在击穿后的发热十分严重,如果不及时切断,极有可能引发火灾或爆炸。同时,根据试验结果,在自愈失败放电过程的初期,元件击穿点的等效电阻仍然很大,击穿电流较小,使得故障判断较为困难,常规的内熔丝保护等方式很难及时切断,这就需要一种更加准确快速的保护方式,及时切断失败的元件或单元以避免严重后果的发生。

本试验外接并联电容所产生的串联电感会对测量值和计算值造成影响,本文并未考虑,但这并不影响对自愈失败过程状况的研究结论。

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