高壓儲能電容器的絕緣性能缺陷研究

朱泉+朱春良+周鵬杰

摘 要 高壓儲能電容器是廣泛運(yùn)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(xiàn)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(jī)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(xiàn)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(qiáng)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(jìn)絕緣材料的分解，降低了絕緣性能，加速了老化過程。但進(jìn)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(jī)械應(yīng)力導(dǎo)致的絕緣性能缺陷

機(jī)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(jī)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(jī)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(kuò)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(yùn)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(jī)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(xiàn)

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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