左強(qiáng)林，雷喬舒

（無錫賽晶電力電容器有限公司，江蘇 無錫 214177）

0 引言

隨著柔性直流輸電技術(shù)的發(fā)展和國際形勢(shì)的變化，采用自愈式金屬化膜結(jié)構(gòu)的直流支撐電容器也迎來了新的發(fā)展契機(jī)，各高校、廠家紛紛對(duì)柔性直流支撐電容器進(jìn)行深入研究，包括對(duì)柔性直流輸電用電容器中的金屬化膜進(jìn)行理論計(jì)算和仿真分析、工藝技術(shù)研究等[1~5]。隨著碳達(dá)峰、碳中和雙碳指標(biāo)的落地規(guī)劃，新能源汽車和高鐵用干式自愈式金屬化膜電容器，也在如火如荼發(fā)展。這些前瞻性領(lǐng)域都離不開自愈式電容器技術(shù)，也將自愈式金屬化膜電容器的重要性推到了前所未有的新高度和熱度。

自愈式電容器的核心在于自愈，自愈這個(gè)概念來自于高電壓技術(shù)中的流體擊穿，也就是說電介質(zhì)擊穿后可以自我恢復(fù)。金屬化膜在自愈過程中必然伴隨著鍍層電極的蒸發(fā)，也就是說，自愈必然帶來電容器元件的絕緣電阻下降[6]，自愈能量越大，電極蒸發(fā)越多，絕緣電阻下降越快[7-11]。絕緣電阻的不斷降低，最終導(dǎo)致局部過熱或自愈失效，這就是金屬化膜的擊穿。自愈能量越大，自愈對(duì)電介質(zhì)的危害就越大。文獻(xiàn)表明[12-13]，影響自愈能量的主要因素有[14]：自愈時(shí)的電壓、電容、金屬化膜的方阻、膜層間壓強(qiáng)等，前兩個(gè)是正相關(guān)，后兩個(gè)是負(fù)相關(guān)。直流支撐電容器的電容、元件并聯(lián)數(shù)多，解決自愈問題的技術(shù)難度大。

金屬化膜損傷機(jī)理的研究主要通過模擬自愈，研究薄膜自愈過程發(fā)生的機(jī)理和影響因素，李化等相關(guān)文章[15-19]系統(tǒng)地研究了金屬化膜電容器的自愈成因及其影響參數(shù)，但較少文章從物理特性去分析金屬化膜對(duì)自愈性能的影響。目前自愈式電容器所用的金屬化膜，基本上都是鋅鋁膜，也就是說鍍層是由鋅層和鋁層構(gòu)成的。國內(nèi)一般都是先鍍鋁，后鍍鋅，目前還不能實(shí)現(xiàn)混合鍍，國際上有鋅鋁混合蒸鍍，這方面國內(nèi)還有差距。一方面由于鋁的熔點(diǎn)比鋅的熔點(diǎn)高，鍍層鋁含量對(duì)自愈能量影響較大。另一方面鍍層結(jié)構(gòu)和鍍膜廠家的工藝不盡相同，如果還涉及到元件或單元，電容器的設(shè)計(jì)和工藝差別更大，研究的成果很難具有普適性。此外，自愈能量還與電容的大小有關(guān)，在實(shí)驗(yàn)室條件下，電容很難達(dá)到實(shí)際分析的效果。本文從物理上分析自愈所需的能量，回到自愈的本質(zhì)，同時(shí)把金屬化膜的方阻作為自愈能量的一個(gè)關(guān)鍵的制約因素。

金屬化膜的自愈過程現(xiàn)在基本上都認(rèn)為是金屬鍍層從固態(tài)直接到氣態(tài)的升華過程，升華過程很短。一般而言，物體的升華所需要的能量大于物體從固態(tài)-液態(tài)-氣態(tài)所需的能量，這個(gè)能量來源于金屬化膜的自愈[20]。所以自愈面積越大，自愈能量就越大，自愈能量越大，容衰就越快。從這個(gè)過程看，每一次自愈，除了電容損失外，還伴隨著一定的損耗增加和絕緣電阻下降，當(dāng)這些變化積累到一定程度，就會(huì)導(dǎo)致自愈失效，因此控制自愈能量，對(duì)于延緩自愈失效很關(guān)鍵。

研究金屬化膜自愈能量的文獻(xiàn)很多[21-24]，但都是從電性能或外特性的角度研究的，制約因素很多。本文從鋁、鋅材料本身的物理特性出發(fā)，分析鋅鋁鍍層厚度和鋅鋁含量對(duì)金屬化膜自愈能量的影響規(guī)律，以及方阻對(duì)自愈能量的影響，給減小自愈能量提供參考。

1 鍍層厚度對(duì)自愈能量的影響

從物理的角度看，自愈過程就是金屬化膜擊穿后鍍層從固態(tài)到氣態(tài)的升華過程，這個(gè)過程需要的能量可以認(rèn)為就是自愈能量。也就是說自愈能量應(yīng)該不小于金屬熔化熱、熔化潛熱、氣化熱和氣化潛熱。包括鋁和鋅加熱到熔點(diǎn)所需的熔化熱、熔化需要的熔化潛熱、加熱到沸點(diǎn)的氣化熱、氣化需要的氣化潛熱。字母符號(hào)的意義見表1。鋁鋅復(fù)合鍍層的自愈能量計(jì)算公式為

表1 本章的符號(hào)說明Table 1 Description of symbols in this chapter

從鋅鋁兩種材料的相關(guān)數(shù)據(jù)[25]可以知道，氣化潛熱Wh?Wf?Wq?Wr，實(shí)際上鋁鋅鍍層的自愈能量近似等于各自氣化潛熱。將相關(guān)數(shù)據(jù)代入，可以得到

鋁鋅鍍層的自愈能量公式為

式（3）中：Ws的單位是mJ/dm2，下標(biāo)1、2 分別代表鋁和鋅的相關(guān)參數(shù)（下同）；密度γ的單位是g/cm3；金屬鍍層厚度d的單位是nm。式（3）是本文的核心，是后續(xù)分析的基礎(chǔ)。

考慮到鍍層的鋁含量和鋅含量都是按重量計(jì)算的，設(shè)鍍層鋁含量為a，則有：令d1+d2=d，代入式（3）可以得到

將式（5）代入式（4）并化簡(jiǎn)可以得到

從式（6）可以看出，在鍍層厚度d不變的情況下，鍍層的自愈能量隨著鋁含量a增大而緩慢增加。式（6）的曲線如圖1 所示。需要注意，圖1 的曲線只是表示趨勢(shì)，自愈能量只是一個(gè)相對(duì)值。

圖1 鋁含量與自愈能量的關(guān)系Fig.1 Relationship between aluminum content and self-healing energy

將式（8）代入式（7）并化簡(jiǎn)可以得到

實(shí)際上，對(duì)于鋅鋁膜，如果鋁含量為a，則鋅含量b=1-a，代入式（5）-（6），可以直接得到式（8）-（9）。式（9）的結(jié)果如圖2 所示。

圖2 鋅含量與自愈能量的關(guān)系Fig.2 Relationship between zinc content and self-healing energy

從式（9）和圖2 可以看出，在鍍層厚度d一定的情況下，隨著鋅的含量增加，鍍層的自愈能量減小。這是可以理解的，從前面的分析可以看出，鋁升華需要的能量大于鋅。對(duì)于純鋁膜a=1，代入式（6），可以得到Ws1=3.638d，對(duì)于純鋅膜，b=1，代入式（9）可以得到Ws2=1.617d，兩者相差55.5%。

2 方阻不變的條件下鋁、鋅含量與自愈能量的關(guān)系

前面分析了鍍層厚度不變的情況下，金屬化膜需要的自愈能量與金屬含量的關(guān)系，然而實(shí)際上金屬化膜的厚度難以準(zhǔn)確測(cè)量，一般用方阻來表征。方阻對(duì)金屬化膜的耐壓、損耗[8]影響很大。研究鋅、鋁含量對(duì)金屬化膜需要的自愈能量的影響，離不開方阻這個(gè)約束條件。鋅鋁金屬化膜的方阻由鋁層電阻和鋅層電阻組成，如圖3 所示。

圖3 方阻與鍍層的關(guān)系Fig.3 Relationship between square resistance and coating

從圖3 可以看出，根據(jù)電阻的定義，方阻等于鋁鍍層電阻和鋅鍍層電阻的并聯(lián)得到的電阻值?？紤]到，這樣就有

將相關(guān)物理數(shù)據(jù)代入式（11）可以得到：

式（12）可以變?yōu)?/p>

將式（13）代入式（4）可以得到

為了便于分析，將式（14）進(jìn)一步化簡(jiǎn)，可以得到

將b=1-a代入式（15）可以得到

鋁含量對(duì)金屬化膜自愈能量的影響見圖1。從圖1 可以看出，隨著鋁含量增加，金屬化膜需要的自愈能量呈上升的趨勢(shì)，不管是鍍層厚度一定還是方阻不變，規(guī)律都一樣，只不過方阻不變的情況下，金屬化膜需要的自愈能量變化更緩慢而已。

鋅含量對(duì)金屬化膜自愈能量的影響見圖2。從圖2 可以看出，隨著鋅含量增加，金屬化膜需要的自愈能量呈下降的趨勢(shì)，這與鋁含量的變化規(guī)律是不一樣的，從式（9）和式（16）也可以看出這一點(diǎn)。這是因?yàn)殇X需要的自愈能量大于鋅需要的自愈能量，鋅含量增加就意味著鋁含量減少。在方阻不變的情況下，金屬化膜需要的自愈能量變化比鍍層厚度不變的情況變化更緩慢。

對(duì)于純鋁膜，a=1，代入式（15）可以得到鍍層的自愈能量為；對(duì)于純鋅膜，b=1，代入式（16）可以得到鍍層的自愈能量為也就是說，在方阻不變的情況下，純鋁膜和純鋅膜的自愈能量僅相差15.2%左右，差別不大。從鍍層自愈需要的能量來看，鋁含量多少，不是問題的關(guān)鍵。對(duì)比鍍層厚度不變的相關(guān)數(shù)據(jù)可以看出，厚度不變，鋁含量的影響較大。但是單位膜重的金屬含量大，對(duì)于自愈后薄膜的絕緣電阻下降可能會(huì)有一定的影響，這個(gè)因素需要考慮。

3 結(jié)語

1）從鋅鋁的相關(guān)數(shù)據(jù)可以知道，鋁鋅的氣化潛熱遠(yuǎn)大于其氣化熱熔化潛熱、熔化熱，氣化潛熱可以近似視作鍍層需要的自愈能量。

2）在鍍層厚度一定的情況下，鋁含量越大，金屬化膜需要的自愈能量越大；鋅含量越大，金屬化膜需要的自愈能量越小。在鍍層厚度一樣的情況下，純鋁膜與純鋅膜需要的自愈能量相差55.5%左右。

3）在方阻一定的情況下，鍍層需要的自愈能量隨著鋁含量增加而增加，隨著鋅含量的增加而減小。在方阻一定的情況下，純鋁膜和純鋅膜所需要的自愈能量僅相差15.2%左右，差別不大。