朱泉+朱春良+周鵬杰

摘 要 高壓儲能電容器是廣泛運用于脈沖功率系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，其趨勢不斷朝著高儲能密度和縮減體積的方向發(fā)展，既需要提高儲能密度，又要保證輕量化、小型化生產(chǎn)的需求，也由此帶來了絕緣性能的安全隱患。目前國內(nèi)出現(xiàn)許多服役期間的高壓儲能電容器頻頻出現(xiàn)絕緣性能缺陷的情況，極大地影響了脈沖功率系統(tǒng)工作的可靠性。

關(guān)鍵詞 高壓儲能電容器；絕緣；局部放電；空間電荷；缺陷

中圖分類號：TM533 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）02-0067-01

1 高壓儲能電容器在生產(chǎn)過程中的物理缺陷

1.1 高壓儲能電容器失效曲線

每一臺高壓儲能電容器在通過工廠的檢驗批抽取后，采用絕緣性能試驗來審查該批次產(chǎn)品的單批次性能，其缺陷率應(yīng)符合下圖的“浴盆曲線”。其中，早期失效表示電容器在生產(chǎn)過程中就發(fā)生了裝配不當(dāng)或者產(chǎn)生了其他因素的物理缺陷；隨機失效表示電容器在使用過程中遭到了人為破壞或不可抗力的硬損；疲勞性失效表示絕緣介質(zhì)在服役期間因疲勞老化而導(dǎo)致的失效結(jié)果，也就是我們在下文要提到的導(dǎo)致高壓儲能電容器絕緣性能缺陷的三大影響因素。

圖1 失效率與壽命時間的關(guān)系

1.2 高壓儲能電容器的物理缺陷

高壓儲能電容器在工業(yè)化生產(chǎn)過程中，無可避免的會存在內(nèi)部缺陷，這是最常見以及無法避免的缺陷，普遍的有組合介質(zhì)薄膜帶有雜質(zhì)缺陷會在電壓升高后首先擊穿該缺陷處，或是殘存的氣隙和氣泡處出現(xiàn)局部放電造成擊穿。高壓儲能電容器中的復(fù)合介質(zhì)產(chǎn)生褶皺，還能極易導(dǎo)致電容器的早期膨脹。同時，在電容器制造過程中，采用浸漬劑真空凈化處理絕緣油中的水分和空氣時，抑或是在電容器外殼密封流程中，導(dǎo)致了摻入雜質(zhì)或吸入水分的油隙缺陷，產(chǎn)生局部放電，嚴(yán)重地影響了使用性能而降低了產(chǎn)品的使用壽命，使得儲能電容器未完成服役期便逐漸劣化。

2 高壓儲能電容器的絕緣性能缺陷的影響因素

高壓儲能電容器因其工作方式對其絕緣性能造成的強烈局部放電、絕緣表面產(chǎn)生的空間電荷畸變、熱能量引起的絕緣介質(zhì)老化以及物理應(yīng)力下的材料表面破壞缺陷，都可以導(dǎo)致絕緣性能產(chǎn)生較大影響，以至于高壓儲能電容器的絕緣失效?，F(xiàn)將造成高壓儲能電容器的絕緣性能缺陷原因，可分為三個因素。

2.1 電應(yīng)力導(dǎo)致的絕緣性能缺陷

在外施電壓的作用下，高壓儲能電容器的絕緣介質(zhì)表面和內(nèi)部會產(chǎn)生表面電荷和空間電荷，其中空間電荷對內(nèi)部場強的影響很大。根據(jù)高壓儲能電容器體積小和能量密度大的特點，高工作場強會不斷累積電荷，使得原有電場發(fā)生畸變，產(chǎn)生局部電場過強的現(xiàn)象，且存在一個惡性循環(huán)的是，當(dāng)電荷的密度不斷增大，電場的分布畸變也就越嚴(yán)重，不光會導(dǎo)致絕緣介質(zhì)加速老化，更有可能引起絕緣介質(zhì)擊穿。根據(jù)文獻發(fā)現(xiàn)，PE（聚乙烯）在直流電壓下老化一定時間后，電極上的局部電場增加為外加電場的8～10倍。這種情況多出現(xiàn)在大脈沖放電的不斷沖擊作用時，造成電場突變，空間電荷突然脫陷，介質(zhì)擊穿，高壓儲能電容器瞬間失去功效。

2.2 熱應(yīng)力導(dǎo)致的絕緣性能缺陷

當(dāng)高壓儲能電容器絕緣介質(zhì)的電場強度不足以擊穿時，熱應(yīng)力便成為了絕緣介質(zhì)性能的主要影響因素。在電容器放電階段，高壓儲能電容器的工作電壓升高，脈沖電流對電容器的內(nèi)部會產(chǎn)生局部過熱的現(xiàn)象。一旦高壓儲能電容器充放電的頻率過高，熱能就會迅速累積，促進絕緣材料的分解，降低了絕緣性能，加速了老化過程。但進行大脈沖放電存在一定的時間間隔，普遍為幾秒和幾十秒，熱應(yīng)力的均勻分布和良好的散熱性能，相對于局部放電帶來的絕緣介質(zhì)的危害要小得多，僅僅是對電介質(zhì)局部有催化老化的影響。

2.3 機械應(yīng)力導(dǎo)致的絕緣性能缺陷

機械應(yīng)力指的是，在電容器的放電階段，高壓儲能電容器表面的絕緣材料在承受了外部的機械應(yīng)力作用下，產(chǎn)生了對絕緣材料的伸縮、震動及受力不均的影響，導(dǎo)致了絕緣材料分子結(jié)構(gòu)上的絕緣缺陷，如介質(zhì)松弛、出現(xiàn)皺紋褶皺，可能造成該部分絕緣性能缺陷，而機械應(yīng)力的作用是一種重復(fù)產(chǎn)生的效果，影響了絕緣介質(zhì)的疲勞和裂紋的形成過程，起到了催化老化和擴散裂痕的作用，讓絕緣材料產(chǎn)生缺陷導(dǎo)致老化或擊穿的結(jié)果。這樣一來，空間電荷在絕緣缺陷部位發(fā)生畸變，使得局部放電就更容易發(fā)生了。

3 小結(jié)

高壓儲能電容器是廣泛運用于脈沖功率系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，其趨勢不斷朝著高儲能密度和縮減體積的方向發(fā)展，既需要提高儲能密度，又要保證輕量化、小型化生產(chǎn)的需求，也由此帶來了絕緣性能的安全隱患。目前國內(nèi)出現(xiàn)許多服役期間的高壓儲能電容器頻頻出現(xiàn)絕緣性能缺陷的情況，極大地影響了脈沖功率系統(tǒng)工作的可靠性。

本文圍繞高壓儲能電容器的絕緣性能在服役期間產(chǎn)生缺陷的因素展開研究，總結(jié)以上因素，得出高壓儲能電容器的絕緣性能缺陷是由于出廠結(jié)構(gòu)缺陷、電應(yīng)力、熱應(yīng)力、機械應(yīng)力在電容器絕緣介質(zhì)內(nèi)部形成的電弱點，導(dǎo)致了局部放電和空間電荷的產(chǎn)生，加速了絕緣材料的老化和疲勞，促使高壓儲能電容器絕緣失效的結(jié)果。

參考文獻

[1]M.H.El-hnsseini，P.Venet，G.Rojat，M.Fathallah.Effect of geometry on the aging of metalized polypropylene film capacitors.IEEE Annual Power Electronics Specialists Conference，Vancouver，Canada，2001，4：2061-2066.

[2]Tewen Zhang，J.LewinerJ，C.Alqui，N.Hanpton.Evidence of Strong Correlation between Space-charge Build up and Breakdown in Cable Insulation.IEEE Transaction on Dielectrics and Electrical Insulation，1996，3（6）：778-783.

作者簡介

朱泉，男，漢族，廣西博白人，助理工程師，本科，學(xué)士，研究方向：電力系統(tǒng)及其自動化。endprint