金屬化薄膜電容器極殼間局部放電研究

廈門法拉電子股份有限公司 黃俊聰

金屬化薄膜電容器極殼間局部放電研究

廈門法拉電子股份有限公司 黃俊聰

局部放電是影響電容器絕緣性能的重要因素，長(zhǎng)期使用過(guò)程中還會(huì)影響電容器的使用壽命，尤其是對(duì)電壓較高的軌道交通行業(yè)而言更為重要。本文對(duì)局部放電的原理和過(guò)程進(jìn)行了研究，并找出改善局部放電水平的方法。

薄膜電容（Film Capacitor）；局部放電（Partial Discharge）；軌道交通（Rail Transit）；帕申定律（Paschen Law）

1 引言

局部放電（Partial Discharge，PD，簡(jiǎn)稱局放）是在電場(chǎng)作用下，導(dǎo)體間絕緣僅部分區(qū)域被擊穿的電氣放電現(xiàn)象。局放產(chǎn)生的擊穿并沒有貫穿施加電壓的導(dǎo)體之間，放電的幅度通常較小，單次放電產(chǎn)生的能量微弱，因此局放并不會(huì)影響絕緣體短期內(nèi)的絕緣強(qiáng)度。但系統(tǒng)內(nèi)絕緣長(zhǎng)期存在局放時(shí)，內(nèi)部局部的缺陷會(huì)慢慢擴(kuò)大，絕緣強(qiáng)度逐漸劣化，日積月累，最終可導(dǎo)致絕緣被擊穿。局放對(duì)器件而言是一種隱患。

圖 1和圖 2列舉了局放引起的絕緣不良?？梢钥闯鲭娙荽蟛糠值慕^緣情況仍然良好，但局部區(qū)域的絕緣已經(jīng)遭到破壞。尤其是圖1，其底部局部區(qū)域的絕緣材料已經(jīng)碳化，除了引起設(shè)備運(yùn)行問題外，還可能導(dǎo)致漏電，甚至是電擊等人身傷害。因此電容器的局放性能應(yīng)當(dāng)引起足夠的重視。

圖1 局部放電引起絕緣材料局部碳化

圖2 局部放電引起側(cè)面絕緣下降

在高電壓、長(zhǎng)壽命要求的場(chǎng)合，不僅僅要關(guān)注例行試驗(yàn)時(shí)不能發(fā)生絕緣擊穿，也需要關(guān)注產(chǎn)品的局放性能。在目前薄膜電容器的各應(yīng)用領(lǐng)域里，高壓輸配電和軌道交通行業(yè)對(duì)局放均有要求。我司與某軌道交通行業(yè)客戶合作進(jìn)行電容國(guó)產(chǎn)化開發(fā)，鑒于局放對(duì)薄膜電容器的影響，特對(duì)其展開研究。

2 局放的過(guò)程

局放可分為氣隙放電、沿面放電、電暈放電、電樹枝放電等類型。其中對(duì)金屬化膜電容器的極殼間局放性能有影響的是氣隙放電。因此以下僅對(duì)氣隙放電進(jìn)行討論。

圖3 局部放電類型

圖4所示是典型的含有氣隙的介質(zhì)剖面圖，在分析時(shí)可以將其等效為圖 5三電容模型。利用這兩個(gè)模型可以對(duì)局放過(guò)程進(jìn)行分析。

圖4 含有氣隙的介質(zhì)剖面圖

圖5 三電容模型

其中：Cg是氣隙的等效電容，Cb是與Cg串聯(lián)的介質(zhì)等效電容，Cm是其余其它部分的等效電容。

設(shè)電極間施加交流電壓值為u，計(jì)算Cg上的電壓ug為：

設(shè)氣隙g的擊穿電壓為Ug。氣隙上電壓ug隨著外部施加電壓u而升高，當(dāng)ug達(dá)到Ug時(shí)（此時(shí)電壓u的數(shù)值記為Us），氣隙Cg發(fā)生放電。ug的數(shù)值從Ug瞬間下降到Ur，放電熄滅。稱Ur為殘余電壓。

放電火花一經(jīng)熄滅，ug再次上升。此時(shí)外加電壓u仍在上升，ug也跟著上升。當(dāng)ug再次達(dá)到Ug時(shí)，氣隙Cg再次發(fā)生放電，電壓再次下降到Ur，放電再次熄滅。

對(duì)應(yīng)的電壓電流波形圖請(qǐng)見圖6。

圖6 局部放電時(shí)氣隙中電壓電流波形

從以上分析可以看出，一旦系統(tǒng)存在著條件使得氣隙上電壓ug達(dá)到擊穿電壓Ug，那么局放就會(huì)反復(fù)出現(xiàn)。

3 局放的測(cè)量

局放有多種測(cè)量方法，分為電測(cè)量和非電測(cè)量。電測(cè)量有脈沖電流法、超高頻檢測(cè)法，非電測(cè)量有光檢測(cè)法、超聲波檢測(cè)法等等。國(guó)標(biāo)《GB/T 7354-2003 局部放電測(cè)量》推薦使用脈沖電流法。

從圖6可以看出，局放形成的瞬間，Cg上對(duì)應(yīng)產(chǎn)生一個(gè)脈沖電流。仍沿用三電容模型對(duì)其進(jìn)行分析。

當(dāng)Cg放電時(shí)，總放電電容Cg’為：

Cg上的電壓變化為（Ug-Ur），因此一次脈沖放電放出的電荷為：

圖7 放電時(shí)的三電容模型

在進(jìn)行實(shí)際操作時(shí)，公式（3）中各變量的數(shù)值都是無(wú)法直接測(cè)量的，為了得到能夠反應(yīng)局部放電水平的數(shù)值，需要找到能夠直接測(cè)量的量。

外部施加電壓u同時(shí)也作用于Cm上，當(dāng)Cg上的電壓ug變化（Ug-Ur）時(shí)，外部施加電壓的變化量△U為：

將式（3）代入式（4），可得：

與△U對(duì)應(yīng)的電荷變化量為：

將式（5）代入式（6），即得：

△qr稱為真實(shí)放電量，由式（3）可知真實(shí)放電量是無(wú)法直接測(cè)量得到的。

△q稱為視在放電量，由公式（6）進(jìn)一步得到：

式（8）中的CX即為絕緣體的總電容量，由于△U和CX都可以測(cè)量得出，故此△q也可以測(cè)量得出。又由式（7）可知，視在放電量△q的數(shù)值比真實(shí)放電量△qr的值要來(lái)得小。

視在放電量△q是局部放電試驗(yàn)中的重要參數(shù)，其單位為pC，其中C是電量的單位庫(kù)侖，1pC=1×10-12C。

另有兩個(gè)重要參數(shù)為放電起始電壓和放電熄滅電壓。放電起始電壓是指外加電壓逐漸升高，能觀測(cè)到重復(fù)局放的最低電壓；放電熄滅電壓是指外加電壓逐漸降低到觀察不到重復(fù)局放的電壓。

采用圖 8電路對(duì)局部放電進(jìn)行測(cè)量。

圖8 局部放電測(cè)量電路

圖9 局部放電測(cè)試儀

客戶需求共2個(gè)吸收電容。吸收電容又稱緩沖電容，用以吸收掉由母排雜散電感等引起的尖峰電壓，起到保護(hù)如IGBT等開關(guān)器件的作用。吸收電容在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)存在較高的峰值電壓。

其中一個(gè)電容額定電壓為2500Vdc，容量為2×0.2μF，實(shí)際運(yùn)行電壓峰值為1900Vdc。另一個(gè)電容額定電壓為2500Vdc，容量為2×0.02μF，實(shí)際運(yùn)行電壓峰值為2200Vdc。

第一次試制樣品，對(duì)電容進(jìn)行極殼間局部放電測(cè)試，得到數(shù)值如下：

表1 第一次試制樣品極殼間局部放電數(shù)值

測(cè)試數(shù)值與實(shí)際使用電壓比較接近，但仍不夠理想。為了進(jìn)一步提高可靠性，對(duì)電容的局放性能進(jìn)行了優(yōu)化。

4 局放的改善

如前面分析，局放產(chǎn)生的原因是絕緣體局部區(qū)域電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到擊穿場(chǎng)強(qiáng)，因此改善局放的思路首先放在擊穿場(chǎng)強(qiáng)上。

帕申定律（Paschen Law）指出，均勻電場(chǎng)中氣體擊穿電壓是UB是氣壓P和氣隙距離d的乘積的函數(shù)，即：

其曲線如圖 10所示。

圖10 帕申曲線（Paschen Curve）

從曲線可以看出，擊穿電壓存在著一個(gè)最小值。以擊穿電壓最小值為界，無(wú)論P(yáng)·d是增大還是減小，都可以提高擊穿電壓。

結(jié)合電容器的生產(chǎn)制作工藝，增加P·d是不切實(shí)際的。在電容器制造流程中有一道灌封工序，若增大氣壓P，則會(huì)造成灌封料內(nèi)的氣隙無(wú)法順利排出，成品電容會(huì)存在較多氣隙，氣隙間隙d也會(huì)增大。這樣雖然P·d的數(shù)值增大了，但氣隙數(shù)量增加會(huì)影響電容器對(duì)外界環(huán)境因素的防護(hù)能力；且如上分析氣隙更容易被擊穿，增加了整個(gè)電容發(fā)生局放的風(fēng)險(xiǎn)，得不償失。

而如果減小氣壓P，則灌封時(shí)氣隙可以較充分地被排出，氣隙數(shù)量少，氣隙間隙d的值也小，P·d值減小，擊穿電壓也隨之上升。實(shí)際工藝操作過(guò)程采用真空灌封。

上述改善思路是通過(guò)改變P·d值來(lái)增大擊穿電壓，除此之外還可以考慮降低氣隙上的電壓。由式（1）可知，ug的數(shù)值與Cg和Cb有關(guān)，Cg難以直接控制，但改變Cb的值，也可以起到改變ug的效果。

電容器的計(jì)算公式為：

其中是相對(duì)介電常數(shù)，k是靜電力常量，S是兩極相對(duì)面積，d是兩極間距離。和k是常數(shù)，在氣隙形狀確定的情況下S也基本確定，但可以通過(guò)改變d來(lái)改變?nèi)萘?。若d減小，則C增大；反之若d增大，則C減小。

表2 第二次試制樣品極殼間局部放電數(shù)值

結(jié)合式（1）和式（10），可知等效電容Cb的值減小，將有助于改變氣隙的分壓，使得ug減??；而減小Cb的方法則是增大兩極間的距離。從電容器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的角度考慮，盡可能地增大絕緣部分的厚度，就能減小氣隙分壓，從而起到改善局放的效果。

此外，電容器的灌封層和外殼屬于不同的材料，在兩者結(jié)合處較容易產(chǎn)生氣隙。若能增強(qiáng)二者的結(jié)合程度，則可減少氣隙，同樣能起到改善局放的效果。常見的方法有對(duì)外殼內(nèi)壁進(jìn)行處理、調(diào)整灌封料成分等。

如上分析分別從提高擊穿電壓、降低氣隙分壓、減少氣隙生成這三個(gè)方面來(lái)改善局放。按照如上所述思路，進(jìn)行第二次樣品試制。再次對(duì)電容進(jìn)行局部放電測(cè)試，得到數(shù)值如表2所示。

可以看出第二次試制樣品的局放水平有了較大幅度的提高，說(shuō)明改善措施是行之有效的。

5 總結(jié)

本文從客戶實(shí)際應(yīng)用的角度出發(fā)，針對(duì)局部放電這一影響長(zhǎng)期使用壽命的隱患進(jìn)行了研究，分析了局部放電的原理和模型，找到了提高擊穿電壓、降低氣隙分壓、減少氣隙生成等幾種改善局部放電性能的思路。利用理論指導(dǎo)電容器的設(shè)計(jì)和工藝改進(jìn)。改進(jìn)后的電容樣品局部放電性能良好，得到客戶的認(rèn)可，也為軌道交通行業(yè)電容進(jìn)一步國(guó)產(chǎn)化打下基礎(chǔ)。

[1]孫目珍.電介質(zhì)物理基礎(chǔ).[M].廣州:華南理工大學(xué)出版社,2014: 148-161.

[2]GB/T 7354-2003.局部放電測(cè)量[S].

[3]GB/T 25121-2010.軌道交通機(jī)車車輛設(shè)備電力電子電容器[S].

[4]李軍浩,韓旭濤等.電氣設(shè)備局部放電檢測(cè)技術(shù)述評(píng)[J].高電壓技術(shù),2015,41(8):2583-2601.

黃俊聰（1983—），男，福建漳州人，廈門法拉電子股份有限公司技術(shù)部工程師，研究方向：薄膜電容器市場(chǎng)運(yùn)用與研究。