黨智敏

（清華大學(xué)電機系新型電力系統(tǒng)運行與控制全國重點實驗室，北京 100084）

0 引言

干式薄膜電容器以聚合物薄膜為電介質(zhì)層、并在薄膜表面蒸鍍納米級厚度的金屬為電極，通過高速卷繞工藝制成各種類型和結(jié)構(gòu)的電容，當(dāng)前在高端技術(shù)和消費類電子領(lǐng)域有極為廣泛的應(yīng)用[1-3]。近年來隨著聚合物介質(zhì)材料的發(fā)展和新能源趨勢的推進(jìn)，新能源汽車和新能源發(fā)電需求電容激增，薄膜電容器逐步取代了傳統(tǒng)應(yīng)用對鋁電解電容器需求的主導(dǎo)地位，這是因為相比于鋁電解電容器，薄膜電容器具有如下顯著的優(yōu)勢：1）額定電壓高達(dá)上千伏；2）抗浪涌耐電壓能力大于1.5 倍的額定電壓；3）具有良好的溫度特性，在高溫和低溫地區(qū)均可正常運行，穩(wěn)定性好；4）具有自愈能力，不會產(chǎn)生短路擊穿現(xiàn)象；5）額定工況下預(yù)期壽命長，達(dá)到10年之久（預(yù)期壽命80 000 h 以上）；6）無儲存問題，長時間存放性能基本不變[4]。

正是基于以上特點和優(yōu)勢，薄膜電容器近年來的應(yīng)用獲得了長足的發(fā)展。經(jīng)過近40 年的發(fā)展，薄膜電容器中的絕緣介質(zhì)材料大多選用雙向拉伸聚丙烯（BOPP）薄膜。他是由電工級聚丙烯（PP）料經(jīng)加熱熔融，然后在一定溫度和壓力下擠出并流延成一定厚度的片材，最后在特定牽引力和溫度下通過同步或異步雙向拉伸后固化成型[5]。為何在眾多的聚合物中選用BOPP 薄膜作為電容器的介質(zhì)薄膜？這是因為BOPP 薄膜具有如下優(yōu)勢：1）介電損耗?。?0-4），介電常數(shù)基本是個定值（~2.2 左右），不隨外加電場變化而發(fā)生明顯變化，可用于交流電容器；2）吸水率極低，防潮絕緣性能優(yōu)異；3）厚度可超薄化，大大減小了電容器的體積和質(zhì)量，增加了電容值；4）BOPP 薄膜表面可粗化處理，可用于特殊工況下的油浸型箔式電容器；5）薄膜厚薄均勻性好、擊穿強度和機械強度高；6）合成聚丙烯樹脂的原料易得、價格便宜，具有顯著經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢[6-8]。

從工程應(yīng)用角度而言，近年來隨著我國新能源電力系統(tǒng)快速推進(jìn)、高鐵網(wǎng)絡(luò)布局建設(shè)、新能源汽車產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展等產(chǎn)業(yè)的日新月異，作為薄膜電容器用核心介質(zhì)材料-電工級超凈聚丙烯料越來越受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注[9-10]。目前，受限我國聚丙烯料的組成及結(jié)構(gòu)與性能，國產(chǎn)化的BOPP 薄膜皆為低端民用牌號，無法滿足超高壓輸電等高端應(yīng)用場所的需求，主要表現(xiàn)是國產(chǎn)化PP 粒料灰分大、等規(guī)度低以及存在小分子有機物等，以致于制備的薄膜耐壓性能差，造成電容器無法長期安全運行等缺陷。在這種情況下，我國薄膜電容器用電工級超凈聚丙烯料全部依賴從國外進(jìn)口，且85%的聚丙烯粒料來自北歐化工企業(yè)，這種情況嚴(yán)重制約了我國薄膜電容器技術(shù)研發(fā)和工程應(yīng)用，特別是在當(dāng)前的復(fù)雜國際環(huán)境下帶來諸多隱患，一旦國外禁止向我國出售相關(guān)原料，將嚴(yán)重影響我國高科技領(lǐng)域的發(fā)展。因此，干式薄膜電容器用電工級超凈聚丙烯料已經(jīng)成為制約我國電力系統(tǒng)建設(shè)的關(guān)鍵材料，發(fā)展高端電容器及其薄膜介質(zhì)材料被選為《科技日報》新近發(fā)布的35 項“卡脖子”問題之一[11]。

在當(dāng)前復(fù)雜的國際環(huán)境和我國政府提出的“雙碳”目標(biāo)背景下，針對我國薄膜電容器用電工級超凈聚丙烯原材料“卡脖子”的關(guān)鍵問題，必須下大力氣著力解決影響薄膜電容器領(lǐng)域發(fā)展的諸多關(guān)鍵因素，依靠自主技術(shù)服務(wù)于我國新能源電力系統(tǒng)建設(shè)。在國家重點研發(fā)計劃“干式直流電容器用電介質(zhì)薄膜材料”重點專項支持下，重點解決電工級超凈聚丙烯原料卡脖子問題，改變原材料受制于人的現(xiàn)狀，實現(xiàn)干式直流電容器全鏈條國產(chǎn)化。項目主要針對粒料制備技術(shù)問題、薄膜加工結(jié)晶問題、薄膜蒸鍍工藝問題、性能演變機理問題、以及器件設(shè)計試驗問題等，預(yù)期突破表現(xiàn)在解決電工級超凈聚丙烯原料催化合成難題、實現(xiàn)國產(chǎn)粒料的BOPP 薄膜可控制備、強化金屬鍍層與薄膜相互作用界面、揭示多場耦合作用下薄膜結(jié)構(gòu)性能演變機制、建立電容器綜合評價體系等方面。

本文主要從薄膜電容器用電工級超凈PP 原材料入手，探討通過相關(guān)領(lǐng)域科研院所與相關(guān)企業(yè)深度合作的技術(shù)攻關(guān)和發(fā)現(xiàn)試驗驗證過程中存在的問題，從全局觀出發(fā)力圖解決我國干式直流電容器工程應(yīng)用面臨的重大問題，形成我國干式直流電容器全鏈條國產(chǎn)化關(guān)鍵技術(shù)。其全鏈條體現(xiàn)在圖1的5 個方面內(nèi)容：1）電工級超凈聚丙烯粒料關(guān)鍵參數(shù)調(diào)控與批量化制備技術(shù)（內(nèi)容1）；2）介質(zhì)薄膜批量化制備關(guān)鍵技術(shù)與性能優(yōu)化（內(nèi)容2）；3）交直流電壓下介質(zhì)薄膜結(jié)構(gòu)與性能演化規(guī)律及作用機制（內(nèi)容3）；4）介質(zhì)薄膜金屬化工藝及干式直流電容器設(shè)計與研制（內(nèi)容4）；5）干式直流電容器系統(tǒng)試驗與可靠性評價（內(nèi)容5）。以上5 個方面的內(nèi)容層層遞進(jìn)，相互影響，構(gòu)成我國干式直流電容器全鏈條國產(chǎn)化的核心路線和關(guān)鍵技術(shù)。

圖1 我國干式直流電容器全鏈條國產(chǎn)化關(guān)鍵技術(shù)研究的相關(guān)內(nèi)容及其相互關(guān)系Fig.1 Contents and relationships of key technologies for the full-chain localization of dry DC capacitor in China

1 電工級超凈聚丙烯料批量制備工藝現(xiàn)狀

1.1 影響聚丙烯性能的主要因素

薄膜電容器用介質(zhì)材料聚丙烯原料是一類具有優(yōu)異電氣性能和加工性能的聚烯烴材料，影響聚丙烯原料的主要因素包括：1）聚丙烯原料中的灰分含量。這是指在高溫下煅燒后殘留氧化物質(zhì)量占煅燒樣品質(zhì)量的比值[12]，其成分主要是金屬和非金屬氧化物，如MgO、CaO、TiO2、Al2O3、SiO2和P2O5等，這些灰分主要來源于聚丙烯聚合時加入的催化劑、活化劑、給電子體、系統(tǒng)引入雜質(zhì)和樹脂造粒過程中加入的各種助劑等[13]。灰分主要影響聚丙烯介質(zhì)薄膜的電氣性能，如載流子密度增加致使薄膜耐壓下降和介電損耗增加，影響到薄膜電容器的服役穩(wěn)定性和使用壽命[14]，因此普遍要求電容器用聚丙烯原料的灰分低于30 ppm[15]。2）聚丙烯原料的等規(guī)度。這是指等規(guī)聚丙烯在整個材料中所占的百分比[16]，主要反映聚丙烯分子鏈的規(guī)整程度，直接影響到聚丙烯雙向拉伸生產(chǎn)的加工工藝和BOPP 薄膜性能指標(biāo)，目前薄膜電容器用聚丙烯原料的等規(guī)度應(yīng)不低于98%[17]，該指標(biāo)可以通過內(nèi)外給電子體來調(diào)控，通常經(jīng)由洗滌脫灰工藝在一定程度上將低聚物和無規(guī)物溶解除去。事實證明，聚丙烯等規(guī)度太低，容易造成薄膜的強度、光澤度、結(jié)晶度、雙向拉伸強度等均較低；但等規(guī)度較大時薄膜的結(jié)晶度、硬度、拉伸強度等增加，然而韌性、沖擊強度和斷裂伸長率均降低[18]，不利于薄膜雙向拉伸制備和電容器的高效卷繞工藝。3）聚丙烯原料的熔體流動速率（MFR）。這是反映聚丙烯材料加工性能的重要參數(shù)，MFR 值越小則聚丙烯流動性就越差；反之，MRS 值越大則聚丙烯熔體的流動性越好。一般而言，要求薄膜電容器用聚丙烯材料的MFR 值應(yīng)該在3.0~4.0 g/min 之間，在聚丙烯生產(chǎn)中通過加入一定量的氫氣調(diào)節(jié)聚丙烯的分子量來增加其MFR值，實現(xiàn)對聚丙烯加工性能的優(yōu)化[19-20]。

1.2 電工級超凈聚丙烯國外現(xiàn)狀

當(dāng)前我國薄膜電容器用BOPP 的原料主要來自國外3 個企業(yè)，分別是北歐化工（Borealis）、大韓油化和新加坡TPC，其中約85% 的PP 原料來自北歐化工，大韓油化與TPC 相加僅占15%左右的中國市場，由此可見北歐化工的PP 原料具有相對高的性價比等優(yōu)勢。目前北歐化工擁有一套產(chǎn)能為170 000 t/a的Hercules 淤漿聚合工藝裝置，他是由5 個串聯(lián)的反應(yīng)釜組成，其中第一個釜為聚合釜，其余4 個為帶有玻璃內(nèi)襯的洗滌釜。反應(yīng)結(jié)束后聚合物漿液在洗滌單元中經(jīng)過水洗后進(jìn)入分離器，大部分催化劑、助催化劑殘留在水相廢液中分離而除去。有機相通過離心機分離，聚合物濾餅輸送至干燥系統(tǒng)，再經(jīng)過造粒包裝后得到聚丙烯產(chǎn)品。北歐化工生產(chǎn)的薄膜電容器用聚丙烯樹脂命名為Borclean TM 系列，產(chǎn)品中含有一定量的抗氧劑和鹵素吸收劑等，其等規(guī)度在96%~99%之間，而灰分含量則小于20 ppm[9，21]。大韓油化蔚山生產(chǎn)地?fù)碛蠥moco-Chisso 丙烯淤漿聚合工藝裝置，為了生產(chǎn)超低灰分聚丙烯產(chǎn)品和脫除低分子量有機物，新增了一套洗滌單元，用于脫除催化劑、助催化劑等殘留雜質(zhì)。大韓油化開發(fā)的薄膜電容器用聚丙烯具有超低灰分含量和高等規(guī)度的特點，5014L-HPT 產(chǎn)品具有超高純度、耐熱與耐電壓性、超薄膜成型性等；5014L HPT-1 產(chǎn)品可以用作BOPP 薄膜、可蒸鍍薄膜。該公司生產(chǎn)的薄膜電容器用高純凈聚丙烯原料打破了北歐化工產(chǎn)品長期壟斷中國市場的局面[9]。住友化學(xué)控股的新加坡TPC 企業(yè)擁有一套丙烯本體聚合工藝裝置，其聚合壓力控制在3.1~3.2 MPa，以一定比例的環(huán)氧丙烷和乙醇作為聚合物活性中心淬滅劑，另配有一臺洗滌塔，以洗脫產(chǎn)品中殘留的催化劑、低聚物和無規(guī)物等，所得聚丙烯等規(guī)度在96%~99%之間，灰分含量小于30 ppm，該工藝生產(chǎn)的高純凈聚丙烯FS3028可用于生產(chǎn)可蒸鍍薄膜[9]。除了以上3 家主要生產(chǎn)薄膜電容器用聚丙烯原料的企業(yè)，國外也有日本Prime Polymers 公司、Basel 公司、HMC 公司以及美國UCC 公司也試圖生產(chǎn)這類聚丙烯原料，但由于工藝和技術(shù)所限，其產(chǎn)品性能略差，市場占有率極低。因此，可以認(rèn)為薄膜電容器用聚丙烯原料研發(fā)是一項技術(shù)含量高、工藝復(fù)雜、驗證周期長的高技術(shù)化工產(chǎn)品。

1.3 電工級超凈聚丙烯國內(nèi)現(xiàn)狀

目前中國經(jīng)濟(jì)和科技快速發(fā)展，近年來對薄膜電容器的需求呈現(xiàn)高速增長態(tài)勢。然而生產(chǎn)薄膜電容器用聚丙烯原料完全依賴從國外進(jìn)口，相關(guān)技術(shù)掌握在國外企業(yè)手中，嚴(yán)重影響了我國薄膜電容器行業(yè)的發(fā)展和生產(chǎn)安全。在此形勢下，中石化和中石油兩大國企近年來陸續(xù)開展了薄膜電容器用聚丙烯原料的技術(shù)攻關(guān)研發(fā)工作。中石化中原石化公司在環(huán)管工藝上進(jìn)行丙烯本體聚合，成功生產(chǎn)出PPH-FC03 牌號聚丙烯，其在電容器薄膜領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用[22]，南方電網(wǎng)已將基于該原料生產(chǎn)的干式直流電容器進(jìn)行換流閥工況驗證。其聚丙烯生產(chǎn)工藝采用北京化工研究院開發(fā)的第5 代超高活性Ziegler-Natta 新型催化劑，以氯化鎂負(fù)載的鈦為主催化劑，選用一定比例的二醇酯、二醚小分子修飾載體，作為催化劑的內(nèi)給電子體，以常見烷基鋁為助催化劑。聚合反應(yīng)溫度在70~75 ℃之間，丙烯壓力為3.3~3.6 MPa，烷基鋁與外給電子體的質(zhì)量比控制在0.25~0.28 之間，反應(yīng)時間在2 h 以內(nèi)，丙烯聚合活性高于150 kg PP/g Cat.，在實際生產(chǎn)過程中催化活性最高可達(dá)200 kg PP/g Cat.以上。該方法制備的聚丙烯粉料灰分含量最低可達(dá)22 ppm，添加助劑后擠出造粒得到的聚丙烯粒料灰分總含量可低于30 ppm，等規(guī)度高于98%，且相對分子質(zhì)量分布較寬，具有良好的加工性能[23]。目前PPH-FC03的熔體流動速率、等規(guī)度與北歐化工的HC300BF基本相同，但分子量分布相對較窄，生產(chǎn)4.0~5.0 μm厚度薄膜時成膜質(zhì)量穩(wěn)定性較差，較難用于加工3.0 μm 及以下尺寸的高端薄膜[9]。同時BOPP 薄膜雙向拉伸生產(chǎn)過程中具有明顯的“煙霧”逸出，表明未經(jīng)洗脫工藝步驟時聚丙烯原料中存在一定量的有機小分子物質(zhì)（低聚物和無規(guī)物），勢必影響B(tài)OPP薄膜及其電容器耐電強度和服役安全性等。另外，中石油蘭州石化分公司具有超潔凈醫(yī)藥領(lǐng)域聚烯烴產(chǎn)品的開發(fā)和生產(chǎn)經(jīng)驗，為電容器薄膜用聚丙烯樹脂研發(fā)奠定了基礎(chǔ)。近期蘭州石化成功研制出新型催化體系，活性達(dá)到了同類工業(yè)級催化劑生產(chǎn)水平，獲得了灰分含量低至25 ppm 的公斤級聚丙烯產(chǎn)品，目前通過增加一套洗脫裝置完成了4 萬噸Hypol 工藝聚丙烯裝置改造，有望實現(xiàn)電工級超凈聚丙烯原料工業(yè)化生產(chǎn)，推動我國薄膜電容器用聚丙烯原料的研制，加速超凈電工級聚丙烯國產(chǎn)化進(jìn)程[21]。

1.4 建議研發(fā)策略

在目前情況下，經(jīng)過總體調(diào)研和分析，認(rèn)為電工級超凈聚丙烯原料批量制備應(yīng)涵蓋如下研究內(nèi)容：超凈聚丙烯合成的催化劑體系設(shè)計與制備、超凈聚丙烯聚合工藝研究與關(guān)鍵參數(shù)調(diào)控、粉料灰分和小分子遷移物深度脫除、超凈聚丙烯粉料造粒工藝及助劑配方以及聚丙烯中試系統(tǒng)集成優(yōu)化與批量化生產(chǎn)工藝技術(shù)等。基于以上研究內(nèi)容應(yīng)重點解決的關(guān)鍵科學(xué)與技術(shù)問題包括：1）電工級聚丙烯材料特性調(diào)控的高分子物理與化學(xué)機制；2）超凈聚丙烯樹脂合成技術(shù)與電工級聚丙烯粒料制備技術(shù)。建議根據(jù)圖2 所示的技術(shù)路線進(jìn)行國產(chǎn)電工級超凈聚丙烯原料的研發(fā)和生產(chǎn)。

圖2 國產(chǎn)電工級超凈聚丙烯原料研發(fā)與生產(chǎn)技術(shù)路線Fig.2 Development and production route of domestic electrical grade ultra-clean polypropylene materials

2 BOPP介質(zhì)薄膜批量化制備與性能優(yōu)化

2.1 BOPP介質(zhì)薄膜

隨著新能源技術(shù)的廣泛應(yīng)用，電容器用BOPP薄膜行業(yè)迅速發(fā)展，目前我國已成為世界上最大的BOPP 電容薄膜的制造國，占全球產(chǎn)量的50%以上。BOPP 薄膜的生產(chǎn)是將電工級超凈聚丙烯原料的熔體首先通過狹長機頭制成片材或厚膜，然后以專用的拉伸機在一定的溫度和設(shè)定的速度下，同時或分步在垂直的兩個方向（縱向、橫向）上進(jìn)行的拉伸，并經(jīng)過適當(dāng)?shù)睦鋮s或熱處理或特殊的加工（如電暈、涂覆等）制成的厚度均勻的薄膜[24]。我國的普通BOPP 薄膜制造行業(yè)起步晚、技術(shù)落后，市場門檻低，競爭激烈。與普通BOPP 薄膜相比，BOPP 電容膜在生產(chǎn)制造過程中對系統(tǒng)的拉伸和分切等關(guān)鍵生產(chǎn)環(huán)節(jié)提出了更高的控制要求，其生產(chǎn)線基本依賴德國布魯克納和法國DMT 公司的進(jìn)口設(shè)備，因此其核心控制技術(shù)受國外公司的制約?？梢哉fBOPP 電容膜是BOPP 薄膜中的高科技尖端產(chǎn)品，普通BOPP 薄膜一般厚度大于15 μm，而電容膜的厚度一般為3~8 μm，遠(yuǎn)小于包裝用薄膜的厚度，兩類薄膜的性能對比見表1。電容膜的阻隔性能直接影響其加工制作成的電容器的質(zhì)量及其使用安全性，所以在電容膜的質(zhì)量檢測中，除一般薄膜的常規(guī)檢測項目外，介電強度、體積電阻率、介電常數(shù)、電弱點等與電容膜的電阻性能相關(guān)的檢測是重點，因此，為滿足這些性能要求需要對原有薄膜的生產(chǎn)設(shè)備和工藝參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。BOPP 電容膜的生產(chǎn)流程一般為：上料系統(tǒng)→鑄片系統(tǒng)→縱向拉伸區(qū)域（MDO）→橫向拉伸區(qū)域（TDO）→牽引→時效區(qū)域→分切→包裝[5]。

表1 電容膜和包裝用薄膜主要性能對比表Table 1 Main performance comparison of films for capacitor and packaging

影響B(tài)OPP 薄膜雙向拉伸制備工藝和薄膜性能的主要應(yīng)從以下幾個方面考慮：1）生產(chǎn)車間的外部環(huán)境影響。BOPP 電容膜生產(chǎn)線的環(huán)境凈化是生產(chǎn)高質(zhì)量薄膜的首要問題，在生產(chǎn)過程中空氣中懸浮的灰塵粒子會隨著塑料粒子、薄膜、邊料的靜電吸附進(jìn)入生產(chǎn)原料中，然后在加工過程中進(jìn)入薄膜的內(nèi)部，導(dǎo)致電容膜出現(xiàn)電弱點，從而制成的電容器成品耐壓性變差，影響其質(zhì)量和使用壽命。所以電容膜的生產(chǎn)線從上料系統(tǒng)到分切包裝，都要求其生產(chǎn)環(huán)境極為干凈，無塵無油漬無污染。車間空氣的凈化等級要求至少為10 萬級，設(shè)備中空氣等級為1萬級，縱向拉伸區(qū)域（MDO）和橫向拉伸區(qū)域（TDO）為3 000 級。2）生產(chǎn)線各設(shè)備參數(shù)的影響，包括上料系統(tǒng)參數(shù)、鑄片系統(tǒng)激冷輥溫度調(diào)節(jié)、鑄片系統(tǒng)氣刀參數(shù)調(diào)節(jié)[25]、模頭?？趨?shù)調(diào)節(jié)、縱向和橫向拉伸區(qū)域調(diào)節(jié)、薄膜電暈處理及牽引邊料處理，以及收卷-分切-成品等。對基于國產(chǎn)化電工級超凈聚丙烯原料的BOPP 薄膜生產(chǎn)制造，更要針對我國聚丙烯原料的物化特性在規(guī)模化拉膜過程中調(diào)整工藝參數(shù)，找到合適的路線生產(chǎn)出性價比優(yōu)異的BOPPP 電容膜。特別是在技術(shù)攻關(guān)的過程中，應(yīng)注意以下問題：1）改善BOPP 薄膜在拉伸過程中的厚度均勻性偏差問題，進(jìn)一步提高薄膜的拉伸強度，降低薄膜厚度，研發(fā)生產(chǎn)超薄型BOPP 電容薄膜。2）提高多工位大型分切機的分切速度和分切精度，以及多工位收卷軸的同步性能。

2.2 高性能介質(zhì)薄膜

盡管目前BOPP 薄膜是薄膜電容器最常用的介質(zhì)材料，但由于其介電常數(shù)和耐溫均較低，無法滿足高儲能密度脈沖功率電容器和高溫環(huán)境下的使用要求[26-27]。近10 多年來國內(nèi)外學(xué)術(shù)界從不同的角度開展了高性能介質(zhì)薄膜的研究，主要包括兩大類：1）本征結(jié)構(gòu)或者全有機復(fù)合的高儲能密度或者耐高溫聚合物電介質(zhì)材料[26，28]；2）無機/聚合物復(fù)合的高儲能密度或者耐高溫聚合物電介質(zhì)材料[27，29-30]。其中聚偏氟乙烯及其共聚物由于具有高的介電常數(shù)受到廣泛的研究，在高儲能復(fù)合電介質(zhì)薄膜研究中也常常被作為基體材料使用，但是由于這類非線性材料固有的電疇結(jié)構(gòu)，致使其有較大的介電損耗和低的充放電效率，很難用作薄膜電容器的介質(zhì)材料[27，31]。學(xué)術(shù)研究在探索提升介質(zhì)材料儲能機理方面做出了較大貢獻(xiàn)，實驗室報道的高性能介質(zhì)材料的儲能密度已超過了30 J/cm3，但由于材料組成配方和成本等多方面因素的限制，很難通過雙向拉伸制備介質(zhì)薄膜并進(jìn)行電容器性能的驗證，同時大多數(shù)材料也不具備BOPP 薄膜電容器的自愈能力，這給高性能介質(zhì)薄膜的研究帶來諸多問題。基于筆者長期在該領(lǐng)域的研究積累，在充分了解薄膜制造業(yè)技術(shù)工藝現(xiàn)狀以及對薄膜性能需求相結(jié)合情況下，建議高儲能聚合物介質(zhì)材料的研發(fā)應(yīng)基于聚丙烯改性或者設(shè)計具有新穎結(jié)構(gòu)的線性聚合物開展深度研究工作，特別是實現(xiàn)新材料的介電常數(shù)與擊穿電場的高效解耦調(diào)控[32-35]。在耐高溫介質(zhì)材料方面，由于許多耐高溫聚合物材料中含有苯環(huán)或者芳雜環(huán)結(jié)構(gòu)等，因此首先要考慮這類材料是否具有自愈能力[26-27]；同時有效降低這類材料的介電損耗和載流子遷移率，防止因介質(zhì)損耗產(chǎn)生大量熱量導(dǎo)致介質(zhì)材料溫升而破壞。

2.3 建議研發(fā)策略

經(jīng)過對介質(zhì)薄膜拉伸制備的總體調(diào)研和分析，認(rèn)為BOPP 介質(zhì)薄膜批量化制備技術(shù)與性能優(yōu)化應(yīng)涵蓋如下研究內(nèi)容：國產(chǎn)化聚丙烯粒料的薄膜批量化制備、國產(chǎn)化聚丙烯粒料耐高溫薄膜批量制備、國產(chǎn)化聚丙烯粒料微納疊層薄膜技術(shù)以及國產(chǎn)化聚丙烯粒料薄膜批量化表面改性等?；谝陨涎芯績?nèi)容應(yīng)重點解決的關(guān)鍵科學(xué)與技術(shù)問題包括：1）規(guī)模化制備的BOPP 薄膜“成膜工藝參數(shù)-結(jié)晶行為-耐溫性能”的關(guān)聯(lián)機理；2）國產(chǎn)化聚丙烯粒料規(guī)?；哔|(zhì)量成膜的關(guān)鍵技術(shù)。建議根據(jù)圖3 所示的技術(shù)路線進(jìn)行國產(chǎn)BOPP 介質(zhì)薄膜批量化制備技術(shù)與性能優(yōu)化研究。

圖3 國產(chǎn)BOPP介質(zhì)薄膜批量制備技術(shù)與性能優(yōu)化路線Fig.3 Scaling preparation and performance optimization route of domestic BOPP dielectric film

3 BOPP介質(zhì)薄膜復(fù)雜電場下物性演變研究

3.1 復(fù)雜電場下BOPP介質(zhì)薄膜研究

服役電容器運行經(jīng)驗表明，在每年夏季薄膜電容器出現(xiàn)故障較多，而且實踐表明如果電容器長時間在高溫下工作，電容器的使用壽命將明顯下降，表明溫度對電容器絕緣性能有較大影響[36]。在直流電壓下，金屬化膜電容器只有電導(dǎo)引起的發(fā)熱，基本上沒有介質(zhì)損耗產(chǎn)生的發(fā)熱，自身溫升幅度并不大[37]。但在交流電場下金屬化膜電容器的介質(zhì)損耗較大，極易導(dǎo)致其內(nèi)部溫升顯著，使得電容器溫度升高[38-39]。溫度對金屬化膜電氣性能的影響可從兩個角度來說明：1）溫度升高會使金屬化膜的金屬層和BOPP 薄膜的物理狀態(tài)發(fā)生改變，試驗表明將金屬化膜放在90 ℃的烘箱中，金屬化膜就會發(fā)生變形，金屬化膜形態(tài)改變必將引起絕緣性能變化。2）溫度的升高會使金屬化膜的金屬層和BOPP 薄膜中粒子運動速度加快，由此加速電弱點老化，在電場的作用下會導(dǎo)致碰撞電離更易發(fā)生，從而形成介質(zhì)擊穿[40-42]。因此，對直流疊加交流下的金屬化膜擊穿特性的研究中，溫度是極為重要的影響因素。研究交直流疊加電場中溫度對金屬化膜擊穿特性的影響，將促進(jìn)金屬化膜電容器的絕緣性能設(shè)計以及工作性能的優(yōu)化。金屬化膜耐受電壓的大小跟BOPP薄膜的厚度有關(guān)，隨著BOPP 薄膜厚度的增加金屬化膜耐受電壓逐漸提高，因此選擇合適膜厚對金屬化膜電容器絕緣設(shè)計具有重要意義。從電介質(zhì)物理可知，BOPP 薄膜的耐受場強應(yīng)該是一定的，即金屬化膜上能承受的電壓跟其膜厚成線性關(guān)系。但是工程應(yīng)用情況表明，金屬化膜電容器的耐受電壓跟其厚度是非線性關(guān)系，造成這種現(xiàn)象的原因可能是當(dāng)金屬化膜的厚度增加以后，在交流電壓下金屬化膜電容器的散熱條件變差，當(dāng)薄膜由于介質(zhì)損耗造成的發(fā)熱大于散熱時就會造成電容器溫度升高，長期作用下BOPP 薄膜的結(jié)構(gòu)也發(fā)生一定變化，最終造成薄膜的絕緣性能變差，并導(dǎo)致電容器壽命下降[43-46]。勞斯佳等人研究不同溫度和不同膜厚條件下的交直流疊加下的金屬化膜的擊穿特性進(jìn)行了試驗研究[47]，發(fā)現(xiàn)金屬化膜的擊穿強度隨著溫度升高而下降，當(dāng)復(fù)合電場中金屬化膜的溫度在20~95℃范圍內(nèi)變化時，金屬化膜的擊穿場強從625.69 μm 下降到437.33 μm，擊穿強度下降30%。當(dāng)溫度超過80℃以后，金屬化膜開始收縮，物理狀態(tài)發(fā)生改變，金屬化膜的絕緣性能急劇變差。因此在金屬化膜電容器設(shè)計過程中采用一定優(yōu)化元件的排列方式以加強散熱，在其運行過程中要采取一定的冷卻方法來降低金屬化膜電容器的溫度以提高電容器的絕緣性能。同時，他們發(fā)現(xiàn)7~10 μm 的金屬化膜的擊穿強度隨著膜厚的增加而下降，擊穿場強下降了7%，下降幅度不大。因此在選擇電容器膜厚的時候可以根據(jù)其所處的電壓等級進(jìn)行選擇，但金屬化膜厚度的增加必然會引起金屬化膜電容器散熱性能變差，從而導(dǎo)致其絕緣性能變差，因此要根據(jù)實際條件綜合考慮?？梢姡斜匾芯拷恢绷麟妶霪B加下BOPP 薄膜結(jié)構(gòu)與性能的演變規(guī)律，這對揭示影響薄膜電氣性能變化的規(guī)律有重要作用，并利用研究所得的規(guī)律指導(dǎo)復(fù)雜電場運行中金屬化膜電容器設(shè)計和制造意義重大。

3.2 BOPP介質(zhì)薄膜自愈行為研究

BOPP 薄膜電容器能夠大規(guī)模使用需要有良好得可靠性，在較高場強下應(yīng)具有較高得耐壓能力和使用壽命。由于金屬化膜電容器擁有自身優(yōu)異的自愈性能，能夠更好的在介質(zhì)膜的臨近極限場強下工作，提高在高場強下的工作穩(wěn)定性。自愈性能是指當(dāng)薄膜電容器絕緣介質(zhì)在發(fā)生擊穿時，電容器經(jīng)歷一個短暫的放電過程后又恢復(fù)其絕緣的能力。金屬化膜電容器的自愈性能來自于BOPP 薄膜表面蒸鍍的金屬層，厚度一般為數(shù)十納米，遠(yuǎn)小于介質(zhì)層的厚度。由于聚合物薄膜在生產(chǎn)過程中其內(nèi)部可能存在缺陷或雜質(zhì)，同時電容器在長時間服役情況下局部耐壓能力下降，這些部位的耐壓強度低于薄膜大部分區(qū)域，一般稱為電弱點或薄弱點。當(dāng)聚合物薄膜工作電壓達(dá)到一定值時，電弱點的位置會先達(dá)到耐壓強度發(fā)生擊穿，形成放電通路，電荷流經(jīng)放電通道形成短路電流并造成一定的發(fā)熱現(xiàn)象。電弱點周圍的溫度升高，使得周圍的金屬鍍層受熱氣化。由于金屬層的厚度很薄，電弱點周圍的金屬會不斷蒸發(fā)并向外擴散，金屬蒸氣容易被電離形成等離子體，當(dāng)放電電弧變小至難以繼續(xù)維持時電弧自行熄滅，此時電弱點周圍的金屬層已經(jīng)大部分甚至全部蒸發(fā)，電弱點的部分相當(dāng)于被隔離開，電容器將重新恢復(fù)到之前的耐壓水平，并達(dá)到絕緣效果[48]。這一過程也就是金屬化膜電容器的自愈過程，如圖4 所示。這里需要指出，BOPP 薄膜的自愈過程雖然會恢復(fù)電容器的絕緣能力，但是所造成的金屬化電極面積減少以犧牲電容量為代價，不過若自愈現(xiàn)象發(fā)生的次數(shù)較少，則短時間內(nèi)電極面積的降低可基本忽略。因此，在金屬化膜電容器的研發(fā)和使用過程中，對于自愈過程的探索以及自愈能量、工作電壓等多個影響因素的控制都顯得非常重要。

圖4 自愈過程示意圖Fig.4 Schematic diagram of self-healing process

針對金屬化膜電容器及其獨特的自愈性能，國內(nèi)外有很多研究學(xué)者進(jìn)行了多方面多角度的探索。首先是在自愈過程的建模方面，有人在七十年代建立自愈過程的物理化學(xué)模型，在該模型下，電容器發(fā)生自愈放電時，放電電弧將電弱點附近的聚合物薄膜分解，產(chǎn)生無定形石墨，而擊穿位置則會形成一個小的通道，通道的大小與自愈放電時的溫度、介質(zhì)種類以及放電分解產(chǎn)生的氣體氣壓等有關(guān)[48]。分析認(rèn)為，通道的體積隨氣體壓強成正相關(guān)，而自愈放電的電壓等級越高，薄膜金屬層的厚度越大，則附著在通道內(nèi)壁上的石墨層也會越厚，自愈成功的概率越低。上世紀(jì)九十年代末J.H.Tortai 等人考慮到自愈過程是一個含有熱量傳遞的過程，從熱力學(xué)角度對自愈過程進(jìn)行建模，提出通過電流密度、功率密度以及電場的3 種判定方式，結(jié)合前人的實驗結(jié)論認(rèn)為以功率密度解釋自愈熄滅最為恰當(dāng)[49]。對于自愈性能的測試，J.H.Tortai 等人通過搭建試驗設(shè)備，將樣品金屬化薄膜未被金屬化的一面與黃銅電極相連，放置在測試平臺中，可以通過螺桿調(diào)整試品壓強并透過透明窗觀察自愈放電過程[50]。郭天興等人將自愈放電現(xiàn)象視為阻尼放電過程，以自愈點為中心設(shè)計不同半徑的圓環(huán)，通過積分計算給定內(nèi)外徑下圓環(huán)的電容和電阻，設(shè)計了金屬化膜電容器自愈放電的等效電路[51-52]，雖然假設(shè)較為理想但仿真驗證與實際結(jié)果較為相符。

3.3 建議研發(fā)策略

結(jié)合聚合物絕緣材料在高壓輸變電領(lǐng)域物性變化規(guī)律的研究方法和深度認(rèn)識，認(rèn)為國產(chǎn)BOPP介質(zhì)薄膜在復(fù)雜電場下的物性演變規(guī)律應(yīng)涵蓋如下研究內(nèi)容：交直流疊加下國產(chǎn)BOPP 薄膜多級結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系、多物理場下國產(chǎn)BOPP 薄膜材料熱穩(wěn)定性、電容器用金屬化聚丙烯薄膜自愈特性以及國產(chǎn)BOPP 薄膜性能多維度綜合評價方法等?；谝陨涎芯績?nèi)容應(yīng)重點解決的關(guān)鍵科學(xué)與技術(shù)問題包括：1）多物理場作用下國產(chǎn)BOPP 介質(zhì)薄膜結(jié)構(gòu)與性能的演化規(guī)律及作用機制；2）適用干式直流電容器設(shè)計的國產(chǎn)BOPP 薄膜材料性能多維度綜合評價技術(shù)。建議根據(jù)圖5 所示的技術(shù)路線進(jìn)行國產(chǎn)BOPP 介質(zhì)薄膜在復(fù)雜電場下的物性演變規(guī)律研究。

圖5 國產(chǎn)BOPP薄膜復(fù)雜電場下物性演變規(guī)律研究路線Fig.5 Research route for the evolution of structureproperty of domestic BOPP films under complex electric fields

4 介質(zhì)薄膜金屬化工藝及干式直流電容器研發(fā)

4.1 介質(zhì)薄膜金屬化現(xiàn)狀

金屬化膜電容器是通過在聚合物表面蒸鍍金屬層，再將金屬化膜通過卷繞、壓扁的方式形成電容器的心子單元，對心子端部進(jìn)行噴金處理后，焊接金屬電極并引出，最后經(jīng)硅膠封裝后得到工程用電容器，見圖6。德國最早于上世紀(jì)四十年代開始使用金屬化薄膜電容器，采用的絕緣介質(zhì)是絕緣紙。日本低壓絕緣設(shè)備在五十年代中期開始使用薄膜電容。從七十年代中期開始，隨著聚合物薄膜的發(fā)展，

金屬化聚丙烯薄膜開始投入使用，在八十年代后期逐漸用于高壓設(shè)備中。目前，BOPP 薄膜是高壓直流電容器最為普遍采用的絕緣介質(zhì)。金屬化薄膜電容器相比傳統(tǒng)的箔式電容器，特點在于聚合物表面的金屬層很薄，厚度一般不超過100 nm。薄膜電容器初期選擇的是金屬鋅作為電極材料，但鋅電極抗腐蝕性較差，潮濕環(huán)境中易出現(xiàn)老化變質(zhì)等問題[53]。相比鋅金屬化膜，鋁膜電容器由于鋁表面的氧化鋁薄膜導(dǎo)致不易被氧化，電極容易處理，但耐壓能力和長時間使用下的電容保持能力會更低。為了綜合兩種金屬的優(yōu)點，已經(jīng)研制并投入使用了鋅鋁合金為材料的金屬化膜電容器，一般是通過在聚合物薄膜上先后蒸鍍鋅和鋁兩種金屬得到金屬化膜。為了進(jìn)一步提升電極導(dǎo)電能力，利用銀的優(yōu)異導(dǎo)電性能，銀鋅鋁金屬化膜也開始出現(xiàn)在市場中，表現(xiàn)出耐壓性能好、損耗低、抗氧化等優(yōu)勢。然而，干式金屬化薄膜電容器在制造過程中，介質(zhì)薄膜層與層之間不可避免的存有氣隙。當(dāng)運行電壓超過臨界值時，常常發(fā)生氣隙電離，導(dǎo)致金屬化鍍層被蒸發(fā)而形成大小不一的電離斑點，減小了電極的有效面積，顯著降低了電容量值從而影響設(shè)備的正常運行[54]。

為了探討未來更優(yōu)的金屬化方案，從研究角度而言，最近清華大學(xué)黨智敏教授團(tuán)隊借助真空蒸鍍方法制備多金屬復(fù)合電極，并對其界面微觀形貌、元素分布進(jìn)行科學(xué)分析，揭示不同界面狀態(tài)的金屬化薄膜形成機制，建立界面微區(qū)形貌、金屬元素結(jié)構(gòu)排布與金屬化薄膜介電性能、自愈特性和通流能力間的耦合關(guān)系，為金屬化薄膜電容器的性能提升和裝置壽命設(shè)計提供支撐[55，56]。其主要研究過程和發(fā)現(xiàn)表現(xiàn)為如下3 點：1）不同界面高方阻薄膜電氣及宏觀性能研究。利用真空蒸鍍的方法在不同介質(zhì)薄膜表面制備了不同厚度的Al 電極，并對其方阻進(jìn)行了測試。在相同金屬電極厚度的條件下，BOPP介質(zhì)薄膜金屬電極的方阻遠(yuǎn)大于PET 和PI 薄膜，而在鍍層40 nm 以下厚度時BOPP 薄膜蒸鍍電極基本不導(dǎo)電。PET 和PI 薄膜表面蒸鍍的Al 金屬電極與BOPP 相比具有更低的閾值厚度。2）閾值厚度對金屬化介質(zhì)薄膜電氣及宏觀性能的影響。通過對比相同的鍍層厚度（40 nm），不同界面相互作用對于金屬化薄膜方阻的影響效果十分顯著，PET 表面金屬電極在相同鍍層厚度時具備優(yōu)異的通流能力。提出并證明了降低金屬電極導(dǎo)電的閾值厚度可以提高金屬化薄膜的自愈和通流特性。3）氧化物復(fù)合金屬化介質(zhì)薄膜電極制備。采用真空蒸鍍法的方法，在介質(zhì)薄膜制備TiO2功能改性層后繼續(xù)蒸鍍一定厚度的金屬Al 電極。改性后的介質(zhì)薄膜表面插入金屬氧化物改變了金屬電極與介質(zhì)薄膜間的潤濕性，降低了Al 電極的閾值厚度。通過納米壓痕測試證明金屬電極與介質(zhì)薄膜之間的結(jié)合力得到了顯著提升，同時TiO2還提高了金屬化薄膜的自愈和通流能力。

從傳統(tǒng)聚合物薄膜的角度，部分學(xué)者對金屬化膜的電學(xué)性能進(jìn)行了研究。陳耀紅等人測量了不同場強、溫度和結(jié)晶度下金屬化聚丙烯薄膜的電導(dǎo)率[57-58]，得到了對應(yīng)的關(guān)系曲線。李化等人探究了聚丙烯薄膜方阻對擊穿電壓的影響，分別在直流電壓以及不同諧波次數(shù)疊加下測量薄膜的擊穿電壓，實驗中方阻增加時，直流擊穿電壓分別有3.89%和6.02%的增加[59]，疊加諧波的擊穿電壓也有一定提高。對于金屬化膜電容器的探究除自愈性能和電學(xué)性能外，也包括電極結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。安全膜技術(shù)一般通過對金屬化膜的分割化以及不均勻蒸鍍的方式完成。分割化蒸鍍的金屬電極以很多的區(qū)域組成，不同的區(qū)域之間采用很細(xì)的金屬絲進(jìn)行連接。當(dāng)某個電弱點所在的區(qū)域發(fā)生擊穿放電時，周圍區(qū)域會向該電弱點和這塊區(qū)域涌入大量電荷。一方面擊穿點部位發(fā)生自愈現(xiàn)象，同時大量電荷的注入形成大電流產(chǎn)生的熱量會將電弱點區(qū)域與其他區(qū)域之間連接的金屬絲受熱熔斷，將正常區(qū)域的金屬電極與該區(qū)域形成電氣隔離，切斷短路電流，一定程度的避免擊穿點附近的二次擊穿對電容器帶來的破壞，起到二次保護(hù)。邊緣加厚金屬化膜，在邊緣處增加蒸鍍金屬層的厚度，降低了薄膜電容器噴金層與心子之間的接觸電阻，與電流密度分布貼合，在邊緣處電容器的電流密度大，電極厚對于溫升有較好的控制效果，提高電容器的品質(zhì)[60]。

從電容器的角度，也有部分研究關(guān)注于卷繞加工后金屬化膜電容器的性質(zhì)。陳耀紅等人研究了金屬化膜電容器的工作壽命與保壓性能，在高場強下電容器的工作壽命隨場強幅值增加而呈指數(shù)衰減[57]。定義斷開電源60 s 后電容器電壓的下降比例為壓降比，測試了不同工作場強、溫度和充電速率下電容器的壓降比，試驗結(jié)果表明60 s 時刻電容器的壓降比的數(shù)值隨場強、溫度和充電速率的升高而增大，也就是電壓降落速度更快。從金屬化膜到電容器的過程中還包括卷繞、噴金、后處理等流程。后處理階段中包括對金屬化膜電容器的熱定型，通過薄膜收縮減少內(nèi)部空氣殘留，對電容器進(jìn)一步優(yōu)化。

4.2 干式直流電容器現(xiàn)狀

柔性直流輸電技術(shù)在新能源并網(wǎng)與交流系統(tǒng)互聯(lián)領(lǐng)域表現(xiàn)出優(yōu)秀的能力。相比傳統(tǒng)輸電方式，柔性直流輸電技術(shù)采用性能更優(yōu)的全控型器件，包括IGBT 和IGCT 等，采用脈寬調(diào)制技術(shù)的控制策略，可以對系統(tǒng)中有功功率和無功功率進(jìn)行分開獨立控制，起到互聯(lián)系統(tǒng)間有功功率的傳輸和無功支撐等作用[61]。整流和逆變部分是柔性直流輸電系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)，而其中電容器是構(gòu)成換流閥中極為關(guān)鍵的設(shè)備，其性能優(yōu)劣對系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行有著重要的影響。由于換流閥廳的空間有限等原因，傳統(tǒng)的油浸式電容器無法滿足新型柔直輸電要求，干式電容器成為重要的研究方向。柔直工程用干式直流電容器通常由經(jīng)過表面金屬化的聚合物薄膜卷繞而成，在心子的端部做噴金處理，使得單側(cè)的金屬電極彼此相連，并可以從電容器兩極引出，因此也被稱為金屬化膜電容器（MFC）。干式電容器中沒有傳統(tǒng)油浸式電容器的絕緣油，可以避免絕緣油泄露帶來的問題，生產(chǎn)過程中也會減少有害化學(xué)品的使用，噪聲水平更低，而且電容器體積和重量都小于油浸式電容器，能夠更好滿足空間需求。此外，金屬化膜相比傳統(tǒng)箔式電容器具有優(yōu)異的自愈性能，使電容器在高場強下運行可靠性得到提高。除了柔性直流輸電外，干式直流電容器憑借上述優(yōu)點，還廣泛應(yīng)用于電動汽車、軌道交通和國防武器等領(lǐng)域，因此對干式直流電容器以及金屬化膜電容器的探究具有重要意義[62]。

目前干式直流電容器已經(jīng)在國內(nèi)外多領(lǐng)域開展了研發(fā)和使用。瑞典ABB 公司從八十年代起開始研制干式低壓電容器，并以此為基礎(chǔ)于1998 年成立項目組研制高壓干式薄膜電容器，1999 年在高壓直流輸電過程中得到使用以穩(wěn)定直流電壓，2000年時ABB 公司開始對高壓干式薄膜電容器進(jìn)行大批量工業(yè)化生產(chǎn)。我國干式直流電容器起步較晚，自2011 年國內(nèi)首個柔性直流輸電示范工程投入以來，使用的電容器全部依賴于整機進(jìn)口，數(shù)量超過10 萬臺。但我國也在積極研發(fā)干式直流電容器，努力投入工程使用。近年由南方電網(wǎng)公司牽頭組建多方面團(tuán)隊，通過國產(chǎn)聚丙烯料完成干式薄膜電容器從粒料到整機的制造工業(yè)鏈。2023 年4 月，昆柳龍直流輸電工程在龍門站正式使用了由南方電網(wǎng)自主研發(fā)的國內(nèi)首批干式直流電容器，見圖7。國產(chǎn)化干式直流電容器的研發(fā)和投入可以大大減少換流站的建造成本，打破國外企業(yè)對產(chǎn)業(yè)的壟斷，加速我國的進(jìn)一步發(fā)展。

圖7 南方電網(wǎng)自主研制國內(nèi)首批干式直流電容Fig.7 Dry DC capacitor developed firstly and independently by China Southern Power Grid

事實上，從2017 年開始中國對柔性直流輸電用直流支撐電容器的研發(fā)提到了計劃議程。不僅國內(nèi)各大電容器廠開始布局直流支撐電容器，投入大量的人力物力用于研發(fā)該產(chǎn)品，國家電網(wǎng)公司、中國南方電網(wǎng)公司以及各大院校、科研機構(gòu)也相繼專題研究直流支撐電容器，直流支撐電容器及其主要原材料聚丙烯粒料也相繼列入重點研發(fā)項目，甚至列入國家重點項目。這些舉措有力推動了直流支撐電容器的技術(shù)進(jìn)步。國際上，由于電力電子技術(shù)的發(fā)展，IEC 61071 標(biāo)準(zhǔn)也大幅度更新，更適合于直流支撐電容器的研發(fā)。同時國內(nèi)也對GB/T 17702 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了修訂，參與的廠家及人員之多，可謂是前無古人，收集到的修訂意見及建議創(chuàng)歷史新高?？梢哉f，在中國從來沒有像現(xiàn)在這樣關(guān)注電容器，因此，在今后的干式直流電容器研發(fā)過程中，建議重點關(guān)注電容器的結(jié)構(gòu)、電容器的紋波電流、電容器的發(fā)熱功率和溫升分析、電容器發(fā)熱功率及溫升驗證等研究內(nèi)容[63]。

同時從設(shè)計干式直流電容器方面應(yīng)該考慮以下因素：產(chǎn)品整體結(jié)構(gòu)、電容器安全性、金屬化薄膜特性、心子元件設(shè)計、聚氨酯澆注工藝等，并重點解決以下重要問題：1）引線接頭發(fā)熱問題；2）薄膜元件的損耗問題；3）元件的性能控制問題；4）電容器溫度場仿真問題；5）電容器的試驗驗證問題[65]，特別是應(yīng)針對國產(chǎn)電工級超凈PP 原料所制造的BOPP薄膜，開展深入的研究工作。

4.3 建議研發(fā)策略

基于聚合物介質(zhì)薄膜蒸鍍工藝和干式直流電容器國內(nèi)外設(shè)計與生產(chǎn)現(xiàn)狀的認(rèn)識，認(rèn)為國產(chǎn)BOPP 介質(zhì)薄膜金屬化工藝及干式直流電容器研發(fā)應(yīng)涵蓋如下研究內(nèi)容：國產(chǎn)BOPP 薄膜-電極界面與材料電氣性能關(guān)系、國產(chǎn)BOPP 薄膜干式電容器設(shè)計和制造工藝優(yōu)化、國產(chǎn)BOPP 薄膜電容器自愈失效和絕緣老化機理以及國產(chǎn)BOPP 薄膜干式電容器測試平臺與測試方法等?；谝陨涎芯績?nèi)容應(yīng)重點解決的關(guān)鍵科學(xué)與技術(shù)問題包括：1）國產(chǎn)BOPP介質(zhì)薄膜/金屬電極界面相互作用對電氣性能的影響機制；2）國產(chǎn)BOPP 介質(zhì)薄膜金屬化工藝及干式直流電容器研制關(guān)鍵技術(shù)。建議根據(jù)圖8 所示的技術(shù)路線進(jìn)行國產(chǎn)BOPP 介質(zhì)薄膜金屬化工藝及干式直流電容器研發(fā)。

圖8 國產(chǎn)BOPP薄膜金屬化及干式直流電容器研發(fā)路線Fig.8 Development route of domestic BOPP film metallization process and of dry DC capacitor

5 干式直流電容器系統(tǒng)試驗與可靠性評價

5.1 國內(nèi)外現(xiàn)狀

作為柔性直流輸電換流閥的核心組件，目前尚無針對干式直流電容器開展的閥組級工況試驗驗證。通過對當(dāng)前實驗室條件下?lián)Q流閥組件運行情況的調(diào)研，確定采用被試閥段與陪試閥段對拖運行的回路拓?fù)?，以滿足驗證平臺構(gòu)建的要求。通過仿真分析和系統(tǒng)試驗，證明在滿足經(jīng)濟(jì)性和實用性要求下，驗證平臺正常工作時回路各閥段至少需要5 個子模塊串聯(lián)?？紤]到該驗證平臺需要針對不同型號規(guī)格的電容器開展運行試驗，疊層母排采用了特殊的設(shè)計，以方便參數(shù)測量和電容器更換需求。

電容器的額定電壓和設(shè)計場強是電容器最重要的參數(shù)。GB/T 24123 對于目前直流支撐電容器最常用的5.8 μm 厚度的聚丙烯薄膜，要求直流擊穿電壓中值≥350 V/μm；而GB/T 13542.3（修改采用IEC 60674-3-1）的要求就更低，只有≥190 V/μm，都達(dá)不到目前直流支撐電容器的設(shè)計場強額定值。按照相關(guān)要求，直流支撐電容器用聚丙烯金屬化膜的設(shè)計場強應(yīng)該不低于241.4 V/μm。金屬化膜的擊穿場強，是決定直流支撐電容器設(shè)計場強的根本。直流支撐電容器作為一種全新的產(chǎn)品，技術(shù)問題很多，已經(jīng)有不少涉及直流支撐電容器技術(shù)的相關(guān)研究，包括自愈理論、老化規(guī)律及失效模式、溫升問題及損耗計算等。

對于柔性直流輸電用直流電容器，其單臺電壓通常采用2 200 V DC 或2 800 V DC 電壓等級，單臺電容量7~10 mF，最大可達(dá)13 mF，單臺重量超過100 kg。出于安全性考慮，此類電容器一般采用無油化設(shè)計，介質(zhì)材料為金屬化聚丙烯薄膜、填充樹脂類固體材料。據(jù)測算，柔性直流輸電工程中直流電容器占據(jù)換流閥組件60% 的重量和50% 以上的體積。當(dāng)前，干式直流電容器作為柔性直流輸電換流閥的核心組件之一，其性能直接影響電能變換的質(zhì)量與安全。然而，由于與國外水平存在明顯差距，我國已建設(shè)工程應(yīng)用的干式直流電容器基本被國外企業(yè)壟斷。發(fā)展高端電容器及其薄膜介質(zhì)材料入選《科技日報》發(fā)布的35 項“卡脖子”關(guān)鍵問題之一[65]。國內(nèi)柔性直流輸電用干式直流電容器雖起步較晚，但近幾年研發(fā)投入明顯加大。目前行業(yè)已有近20 家企業(yè)針對工程項目研制出了相應(yīng)的產(chǎn)品，部分已實現(xiàn)小批量掛網(wǎng)試運行。

但這里必須強調(diào)，目前國內(nèi)外均缺乏柔性直流輸電用干式直流電容器的專用標(biāo)準(zhǔn)，此類產(chǎn)品的測試標(biāo)準(zhǔn)主要為GB/T 17702—2021《電力電子電容器》，此標(biāo)準(zhǔn)等同采用IEC 61071：2017[7-8]。然而，相較于常規(guī)的電力電子電容器，干式直流電容器工作耐受電壓高、運行電流大，需要承受極高電流變化率（di/dt）的特點，在GB/T 17702 規(guī)定的試驗項目中還不能全面得到考核。另外，目前在試驗室條件下，尚未專門針對干式直流電容器開展過閥組級工況的試驗驗證，難以研究電容器作為組件與換流閥子模塊整體運行時狀態(tài)和存在的問題。因此，建立換流閥組級工況的干式直流電容器試驗平臺，開展換流閥組件運行工況下電容器的性能測試，對于驗證干式直流電容器的可靠性，研究系統(tǒng)性試驗技術(shù)，乃至相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定都是非常必要的。在研究過程中，應(yīng)重點關(guān)注運行回路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析、子模塊串聯(lián)數(shù)量選擇、子模塊及主要部件技術(shù)參數(shù)以及試驗驗證平臺的安裝和運行等重要問題。

5.2 建議研發(fā)策略

與國外技術(shù)相比較，我國干式直流電容器系統(tǒng)試驗與可靠性評價尚處于摸索階段，基于當(dāng)前國內(nèi)外相關(guān)研究報道和國外干式直流電容器在柔直輸電領(lǐng)域的工程應(yīng)用現(xiàn)狀，認(rèn)為國產(chǎn)BOPP 介質(zhì)薄膜干式直流電容器系統(tǒng)試驗與可靠性評價應(yīng)涵蓋如下研究內(nèi)容：換流閥工況下國產(chǎn)BOPP 介質(zhì)薄膜干式電容器系統(tǒng)試驗平臺及技術(shù)、國產(chǎn)BOPP 介質(zhì)薄膜干式電容器內(nèi)部薄膜材料劣化機制和評價方法以及局部薄膜和器件結(jié)合的電容器可靠性評測等?；谝陨涎芯績?nèi)容應(yīng)重點解決的關(guān)鍵科學(xué)與技術(shù)問題包括：1）多場耦合實際情況下國產(chǎn)BOPP 介質(zhì)薄膜干式電容器內(nèi)部薄膜的劣化機制和電容器失效機制；2）國產(chǎn)BOPP 介質(zhì)薄膜干式直流電容器換流閥組級工況驗證技術(shù)與可靠性綜合評價方法。建議根據(jù)圖9 所示的技術(shù)路線進(jìn)行國產(chǎn)BOPP 介質(zhì)薄膜金屬化工藝及干式直流電容器研發(fā)。

圖9 國產(chǎn)BOPP介質(zhì)薄膜干式直流電容器系統(tǒng)試驗與可靠性評價路線Fig.9 System test and reliability evaluation route for domestic BOPP film dry DC capacitor

6 結(jié)語

電工級超凈聚丙烯原料完全依賴從國外進(jìn)口局面是當(dāng)前薄膜電容器領(lǐng)域亟待解決的“卡脖子”關(guān)鍵問題，一旦國外禁止向我國出售相關(guān)原料，勢必影響我國高科技領(lǐng)域的發(fā)展和“雙碳”目標(biāo)的實現(xiàn)，必須下大力氣著力解決影響薄膜電容器領(lǐng)域發(fā)展的諸多關(guān)鍵因素，依靠自主技術(shù)服務(wù)于我國新能源電力系統(tǒng)建設(shè)。在國家重點研發(fā)計劃“干式直流電容器用電介質(zhì)薄膜材料”重點專項支持下，重點解決電工級超凈聚丙烯原料國產(chǎn)化問題，改變聚丙烯原材料受制于人的現(xiàn)狀，實現(xiàn)干式直流電容器全鏈條國產(chǎn)化。本文從薄膜電容器用原材料電工級超凈聚丙烯原料入手，探討通過相關(guān)領(lǐng)域科研院所與相關(guān)企業(yè)深度合作，開展薄膜電容器領(lǐng)域技術(shù)攻關(guān)和解決試驗驗證過程中存在的問題，從全局觀出發(fā)力圖解決我國干式直流電容器工程應(yīng)用面臨的重大問題，形成我國干式直流電容器全鏈條國產(chǎn)化關(guān)鍵技術(shù)。在此過程中應(yīng)該系統(tǒng)的消化和吸收國內(nèi)外該領(lǐng)域的先進(jìn)經(jīng)驗，結(jié)合當(dāng)前我國技術(shù)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)布局現(xiàn)狀，以多領(lǐng)域潛在工程需求為動力，不失時機的開展從聚丙烯原料研發(fā)-BOPP 薄膜生產(chǎn)制造-薄膜金屬化工藝-電容器設(shè)計與制造-電容器工程應(yīng)用試驗等研發(fā)工作。在此過程中應(yīng)克服浮躁的急于求成思想，踏實做好每一個環(huán)節(jié)，排除各種外部干擾因素，務(wù)實地做好我國干式直流電容器全鏈條國產(chǎn)化關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)，形成我國干式薄膜電容器全鏈條自主知識產(chǎn)權(quán)體系，服務(wù)國家重大需求。