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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