（电力系统及其自动化专业论文）高压储能电容器在脉冲放电下绝缘失效的研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t t h ei n s u l a t i o nc a p a b i l i t yo fh i g hv o l t a g e s t o r a g ec a p a c i t o r s ，w h i c ha r et h e k e r n e le l e m e n t so fi m p u l s ep o w e rs y s t e m , d e t e r m i n e st h es e r v i c er e l i a b i l i t yo f i m p u l s ep o w e rs y s t e m h i g hv o l t a g es t o r a g ec a p a c i t o r sa r ec h a r g e du n d e rd c v o l t a g ea n dd i s c h a r g e i ns e v e r a lm i c r o s e c o n d s w h e nt h ec a p a c i t o r sa r ei n s e r v i c e ，t h ei n s u l a t i o nu s u a l l yb r e a k sd o w n a ti m p u l s ed i s c h a r g es t a g e h o w e v e r , t h ei n s u l a t i o nd e g r a d a t i o nm e c h a n i s mo fs t o r a g ec a p a c i t o r si sl a c ko fs y s t e m a t i c r e s e a r c h s t u d yo nt h ef a i l u r ef a c t o r so fs t o r a g ec a p a c i t o r si nw o r k c o n d i t i o nc a n g u i d e t h ei n s u l a t i o nc o n s t r u c t i o nd e s i g no fs t o r a g ec a p a c i t o r s ，a v o i dl a t e n t i n s u l a t i o nd e f e c t sa n de f f e c t i v e l ye n l a r g et h el i f eo fs t o r a g ec a p a c i t o r s t h e r e s e a r c hr e s u l tc a na l s ob eu s e dt op r o v i d et h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o rc a p a c i t o r i n s u l a t i o nd e t e c t i o na n de n s u r et h ev a l i d i t yo fi n s u l a t i o nd e t e c t i o nm e t h o d s t h e r e f o r e ，t h ew o r k i n gs t a b i l i t yo fi m p u l s ep o w e rs y s t e mm a y b ei m p r o v e d t h i st h e s i sa i m st oh a v ea p r i m a r yp r o b ei n t ot h ei n s u l a t i o nf a i l u r em e c h a n i s mo f t h eh i g hv o l t a g es t o r a g ec a p a c i t o r sa tt h ei m p u l s ed i s c h a r g es t a g e t h em a i n c h a r a c t e r i s t i c so fi m p u l s ed i s c h a r g es t a g ea r et h ef a s tv o l t a g er e g u l a t i o na n d i m p u l s ec u r r e n tw i t hh u g ep e a kv a l u e t h ei n f l u e n c eo fi m p u l s ed i s c h a r g eo nt h e c a p a c i t o ri n s u l a t i o ni sa n a l y z e do nf o u ra s p e c t s ：p a r t i a ld i s c h a r g e ，s p a c ec h a r g e ， t h e r m a lf a c t o ra n dm e c h a n i c a ls t r e s s t h e r eh a sb e e nag r e a td e a lo fd i s c u s s i o n a b o u tt h eb r e a k d o w nf a c t o r so fc a p a c i t o ri n s u l a t i o no nt h ec o n s t r u c t i o na s p e c t ， a c c o r d i n gt ot h ea g i n gt r i a l ，d i s s e c t i o na n de l e c t r i cf i e l ds i m u l a t i o na n a l y s i so f s t o r a g ec a p a c i t o r s a tl a s t ，t h e a u t h o rg i v e ss o m es u g g e s t i o n sa b o u tt h e c o n s t r u c t i o nd e s i g no fs t o r a g ec a p a c i t o r s t h er e s e a r c hr e s u l to ft h i st h e s i sc a np u tf o r w a r ds o m ep r o p o s a l so nc o n s t r u c t i o n d e s i g na n di n s u l a t i o nd e t e c t i o no fs t o r a g ec a p a c i t o r s t h ew o r ki nt h et h e s i sh a s 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 p r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e 0 1 1t h e i m p r o v e m e n to ff a b r i c a t i o np r o c e s s a n dt h e i n s u l a t i o np r o p e r t yo fc a p a c i t o r s m e a n w h i l e ，t h i st h e s i si sa l la t t e m p to f r e s e a r c h i n g t h ei n s u l a t i o nd e g r a d a t i o nm e c h a n i s mo fh i g hv o l t a g es t o r a g e c a p a c i t o r s , w h i c hm a yp r o m o t e t h er e s e a r c hi nt h i sf i e l d k e yw o r d s ：h i g hv o l t a g es t o r a g ec a p a c i t o r , i n s u l a t i o n ，f a i l u r ef a c t o r , p a r t i a l d i s c h a r g e ，s p a c ec h a r g e 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密团，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ) 学位论文作者签名：微 日期： 矽秒否心1 指导老师签名：黝 日期：z , l o 占c 、s 2 7 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1论文的研究意义 1 1 1 脉冲功率技术 第1 章绪论 脉冲功率技术，是把较小功率的能量以较长时间慢慢输入到能量储存设备 中，将能量进行压缩与转换，然后在极短的时间( 最短可为纳秒) 以极高的功 率密度向负载释放的电物理技术【l 】。该技术自上世纪3 0 年代产生以来，在诸多 方面，尤其是军事方面得到广泛应用，6 0 年代以后发展迅速，并逐渐形成一门 独立学科。高功率脉冲电源的核心问题是高储能密度( k j k g ) 和高功率密度 ( k w k g ) 的脉冲功率储能系统，要求脉冲放电波形可控性好、内阻小以满足 不同负载的需要；同时要求脉冲重复性高，系统构成简单。因此，提高储能密 度和重复频率，使电源轻量化、小型化和实用化是其未来的脉冲功率电源的发 展方向。国际上很多国家都在致力研究提高各种储能系统储存能量能力的方法， 极大的推动了各类储能系统的发展，目前主要存在以下三种储能方式： 1 电化学储能：如高功率密度蓄电池、超级电容器等。 2 机械储能：如直流发电机、同步发电机、单极发电机、高性能盘式交流电 机、飞轮储能等。 3 储能密度电容器：如高强度电介质电容器、电解质电容器等。 电化学储能方面，美国的锂离子蓄电池功率密度达到2 0 0 w k g ，日本采用 钠硫化物也取得了较好的储能密度，但蓄电池的发热和密封严重影响其储能效 率。随后，美国、日本及俄罗斯专家提出超级电容器技术l t r a c a p a c i t o r 或 s u p e r - c a p a c i t o r ) ，它的容量可高达法拉级甚至上万法拉，功率密度可达 1 , 0 0 0 w k g 数量级，具有相当快的充电速度和更长的循环使用寿命( 充放电次 数可达1 0 万次) ，特别适合短时( 几十秒) 内需提供大功率输出的应用场合， 同时可在极低温等极端恶劣的环境中使用，并且无环境污染。但超级电容器储 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 存能量有限，不能像动力蓄电池那样较长时间的放电，而且受电解质的击穿电 压的限制，超级电容器的单元工作电压很低【z j 。 机械储能方面，发电机需根据不同的负载选择发展不同的惯性储能方式， 在选择上具有限制性。飞轮储能是上世纪9 0 年代提出的新概念储能技术，是一 种通过机械动能转换为电能并进行存储的技术。它突破了化学电池的局限，用 物理方法实现储能，具有高的储能密度和先进的节能优点【2 】。 2 0 世纪9 0 年代末，国外的聚丙烯高储能密度电容器的寿命水平为1 0 3 数量 级，最大储能密度在0 7 k j k g ( 约1 k j d i n 3 ) 左右。目前美国已形成商品的脉冲 电容器的储能密度水平在0 3 5 k j k g ( 约0 5 k j d m 3 ) 左右p j 。 通过比较三种储能方式，发现电化学储能方式的能量密度最大，但其放电 功率却较低；机械储能方式能量密度较小，而其设备所占空间大；电容器储能 方式的储能密度最小，却在小规模的储能系统中价格相对便宜，且电容器的充 电辅助设备容易获得。高压脉冲储能电容器能够在较长的时间段内由功率不大 的电源充电，把能量储存于电容器中；在需要的时候，能够在极短的时间内每 单位体积释放出近1 0 4 a 的冲击电流和( 1 5 ) 1 0 4 w 的脉冲功率，这是其它的储 能方式如蓄电池和冲击发电机等难以做到的【4 j 。同时，电容器组的电源装置在 整个脉冲功率装置的重量和体积上均占有较大比例，储能元件的重量和体积又 约占电源装置的8 0 ，可大程度缩减系统的有效体积。随着航天、武器等国防 系统对电源装置小型化要求的提高，高压储能脉冲电容器成为高功率脉冲电源 的首要选择u j 。 1 1 2电容器储能密度的研究进展及存在问题 提高储能电容器能量存储密度的关键因素是绝缘介质，研究新绝缘材料及 其在电容器中的应用是该方向的重点内容。提高电容器储能密度的主要途径为： 增大介质的介电常数和提高工作电场强度e 。采用低温等离子体技术对材料 的表面改性处理，可很好的促进材料性能提高。m i c h a e lb i n d e r 等人对聚合物材 料进行等离子体表面改性，研究发现，经过等离子表面处理后的聚合物材料的 击穿场强均上升约2 0 左右；尤其在对聚碳酸酯膜和金属箔( 8 0 锡和2 0 石 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 墨) 组成的绝缘结构进行等离子体表面处理时，电容器的击穿电压甚至升高了 2 0 0 ，有效的提高了绝缘介质的工作场强；如果金属箔电极经充分处理，电容 器的击穿电压可以提高5 3 7 【5 一。另外近些年得益于材料制造工艺的提高，利 用无机材料具有高介电常数、耐受高工作场强的优点，在聚合物薄膜制作中掺 入高介电常数无机材料，可有效提高材料的绝缘性能，这也是高储能密度电容 器一个研究重点【7 j 。 我国现有的大功率脉冲电源中的储能电容器大多采用箔式结构或金属化膜 结构。前者一般采用无感方式卷绕，放电电流大，但储能密度较低，发生故障 易爆炸；后者因自身耦合电感作用，放电电流小，但存在自愈性能，可靠性较 高。目前国内脉冲功率电源中所用电容器的储能密度一般为1 0 0 2 0 0 j d m 3 ，最 高储能密度为o 7 k j 拼( 采用聚丙烯膜作为绝缘介质) ，寿命达2 0 0 0 次以上， 并有望接近l k j d m 3 的水平【9 】。国际上所用脉冲电容器的储能密度水平在 5 0 0 1 0 0 0 j d m 3 ，形成商品的电容器的储能密度约为5 0 0 j d i n 3 。将箔式电容器与 金属化膜电容器结合，构成混合型电容器，具备自愈性能及大通流的能力，储 能密度可提高到5 0 0 j 血3 【9 】。随着材料科学的进步、大量新型电介质材料的出 现以及工艺的改进，储能密度2 3 k j d m 3 的电容器可望投入使用【l0 1 。为满足微 波、激光等大功率发射装置需要，储能元件应具有高储能密度、大输出电流和 长充放电寿命等特殊性能的要求，已发展出无机陶瓷电容器，但还只能用于中 低压范围内，难以耐受较高的场强【l 。 提高电容器的储能密度，意味着绝缘介质储能容量的提高与体积的减小， 需要提高电容器的工作场强同时降低绝缘介质的厚度，致使电容器的绝缘性能 造成隐患，严重影响了电容器的工作可靠性。但作为脉冲功率电源的关键部分， 高压储能脉冲电容器的寿命必须大于武器的服役期限，否则就可能导致严重的 后果。探究高压储能电容器在工作条件下绝缘失效的原因，可以指导电容器绝 缘结构设计，避免其潜在的绝缘隐患，有效的提高电容器的寿命；还可以为储 能电容器的绝缘检测提供理论依据，提高绝缘检测方法的可靠性，提前将已出 现绝缘缺陷的电容器剔除，提高整个脉冲功率系统的工作稳定性。因此，高压 储能电容器在工作条件下绝缘失效的研究具有重要的理论意义和实际价值。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 1 2 电容器绝缘失效原因的研究现状 1 2 1 影响绝缘介质寿命的因素 绝缘介质是电气设备中的重要组成部分，分析绝缘介质的老化因素，有利 于研究电气设备绝缘性能及其寿命评估。电介质老化由于绝缘材料在储存或者 使用过程中在相应老化因子的长时间作用下，其性能发生不可逆变化的现象， 如液体电介质混浊、变化，高分子电介质发生变色、起泡、发粘、变形、开裂 竺0 2 寸o 通常按老化机理和老化因子的不同，绝缘介质的老化大致分成以下几种类 型：热老化、电老化、热氧老化、光老化或光氧老化、臭氧老化、化学老化、 生物老化、疲劳、高能辐射老化等。在一般的电介质工作环境中，电老化、热 老化或电热联合老化是造成绝缘介质性能老化的主要因素【1 2 】。 电场使得固态电介质内的微观缺陷逐渐发展，生长电树枝直至最终的介质 击穿失效，其控制参数是放电的能量密度( 放电能量除以放电部位的体积) 1 3 】。 意大利e g u a s t a v i n o 【1 4 】对三层不同结构的2 5 9 m 的聚酰亚胺绝缘膜进行表面局 部放电测试，认为在远低于击穿强度时，电场强度不是对绝缘损坏的主要因素， 当电场强度接近介质的击穿场强，电老化成为绝缘介质的主要劣化因素。近年 来空间电荷造成聚合物破坏的研究成为该领域的热点问题。华北电力大学对x 射线激励下的油纸绝缘( 含油间隙) 进行直流电压下受激放电现象的研究，发 现x 射线对油间隙放电的激励作用存在明显的“滞后效应”，直流电压极性不 变，使得油隙中的空间电荷对间隙放电依赖于空间电荷的分布、复合及扩散过 程【l5 1 。h u d o nc 等在试验中就发现作用在p w m ( 脉宽调制) 脉冲电压下的绝 缘，即使外加电压低于起始放电电压，也能够测出t s c ( 热刺激电流谱) 电流 波形，这说明受p w m 的脉冲电压的高电压变化率的影响，空间电荷的作用不 可忽视1 1 6 j 。文献 1 7 】指出以往的研究往往认为由于空间电荷的注入并集聚使介 质内部电场严重畸变，从而使介质老化最终引起击穿：相应的模型都是在有外 加电场作为前提而建立的；最新的研究表明空间电荷对介质的破坏是发生在电 荷的脱陷过程中，而不是发生在空间电荷注入时。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 1 2 2 储能电容器绝缘失效原因 高压储能电容器在服役期间的例行试验发现，电容器常在脉冲放电过程发 生绝缘击穿【9 ，1 8 】。由于储能电容器的能量密度高，要求体积小而工作电压高， 绝缘材料承受的工作场强相当高。电容器的工作寿命采用工作条件下的放电周 期的次数表示，其值的确定与放电条件相关【19 1 。在大脉冲放电的作用下( 毫秒 级) ，绝缘中会产生强电场区域，引起严重的电、热、机械等应力，致使电容器 介质的缺陷迅速发展，最终导致绝缘雪崩击穿，该过程称为电容器绝缘失效【2 0 j 。 膜纸复合、全膜介质和金属化膜介质电容器是当前主要的脉冲电容器类型。 不管是液体浸渍介质还是热固性树脂浸渍介质的高压储能电容器，在脉冲放电 下的局部热游离和边缘处场致游离会同时发生，其共同作用可能导致储能电容 器的失效。一般认为，当工作场强1 0 0 v 1 t m ，热因素起主导作用；当工作场 强1 3 0 w 1 t m ，电因素起主要作用【2 1 1 。h n n a g a m a n i 在试验中将2 0 n f 的全膜 浸渍电容器芯子进行加速电热联合老化，对比不同老化条件下电容器的失效时 间，并进行膜的d s c ( 差分扫描量热计) 和1 r ( 红外频谱仪) 测试，认为只有 超过一定的电场强度和温度，才会明显引起介质的劣化，p p p x e ( 浸渍二芳基 乙烷绝缘油的聚丙烯膜) 的介质系统在场强6 0 v p r o 时最大工作温度不能超过 8 0 0 c 【2 2 】。 对复合介质电容器在不同电场强度下进行加速老化，相对于其它影响因素， 局部放电在介质老化过程中起主导作用。研究局部放电与电容器寿命特征的关 系，试验结果发现局部放电幅值和故障时间之间存在指数关系，反幂模型可用 于描述局部放电参量与复合电容器介质老化的关系【2 3 1 。绝缘介质在电、热老化 的过程中，电弱点是影响介质绝缘性能关键之处，也是局部放电发生的主要位 置。电弱点包括层间或浸渍剂中存在的某些残存气泡，及薄膜中带有的缺陷或 杂质，它可能造成局部电场集中，对元件寿命的分散性影响很大【1 8 ，2 4 , 2 5 1 。 s e b i l l o t t ee 等对三种不同浸渍剂的电容器膜的加速老化研究中发现，电极边缘 放电形成的气体形态的机理不同于局部放电，其在引起膜劣化的过程中占主要 作用；一般用调谐电路不能测试到该放电，除非是在液体中的尖处且电压相当 高的地方测试，这可能与电化学反应结果相关；单独的绝缘膜有气泡，允许放 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 电生长，而电极边缘与液体相连，放电会引发电化学反应，使得液体中的游离 电荷能迅速给予补充【2 6 】。 金属化膜电容器具有良好的自愈性能，能有效限制电弱点的影响。它的主 要失效原因在于喷金端部，其存在两个缺点：卷绕时元件紧凑，导致浸渍不彻 底使膜的击穿强度降低；端部通流能力差。从而在高压条件下自愈能力差，通 常工作于低压交流条件。端部接触情况是影响m p p f ( 金属化聚丙烯膜) 电容 器脉冲放电能力的主要问题，端部接触的质量跟生产制造过程中的物理工艺相 关【27 1 。由于流过不同电容卷绕柱面的电流分布不均匀，不同的电流路径实际上 由不同的阻抗值决定，使得产生的力不均匀，这是与生产工艺密切相关的。在 库仑力和电极间电场力的综合作用下，可能导致端部受机械力的影响，使膜与 外部喷金结合体产生微小裂纹发生脱离现象。在电容器的体内，这个张力是不 会对介质产生劣化作用的，因为不存在外部粘合体。但它可能在局部放电的作 用下，使得介质中产生气泡【2 8 2 9 1 。同时，快速的电压变化引起的脉冲电流会产 生局部发热。脉冲电流与周围区域的时间常数相比时间短，焦耳效应产生的升 温对端部接触阻抗的影响不可忽视【3 0 】。e r i cl a u r e n tn a t i v e l 等认为在电容用于 高幅值电流脉冲的工作状态下，由于局部热或电场的作用，端部易发生脱落， 从而可通过测试电容外部多个方位的磁场来推算流过电容内部的电流分布密 度，进一步确定电容的电磁感应情况【3 1 1 。文献 3 2 就电、热、机械三种应力对 金属化膜电容器端部的作用进行研究，认为电应力以及由电应力导致的机械应 力对电极端部和喷金层之间接触部位有不可忽略的影响，热应力不是主要影响 因素，与脉冲电流峰值有关的机械应力对电容器端部接触影响更大。 1 3 论文的研究内容 高压储能电容器是脉冲功率系统中的关键器件，其工作可靠性直接影响整 个功率脉冲系统的稳定性。高压储能电容器的工作过程是反复的直流充电和短 时大脉冲放电，在使用过程中常存在电容器在放电时击穿失效的事故，而目前 缺乏对电容器绝缘破坏因素的系统的研究。论文从此立意出发，系统的分析了 储能电容器的绝缘结构及其工作环境，提出将高压方波脉冲下绝缘破坏的研究 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 方法应用于电容器失效机理的研究中，讨论分析了电容器的寿命影响因素；对 完成寿命试验的电容器进行解剖分析，研究影响电容器绝缘击穿的条件。本论 文从以下几个方面展开电容器失效因素的研究： 1 对比储能电容器的工作条件与高压方波脉冲的异同，将高压方波脉冲条件 下绝缘破坏研究方法与研究成果运用于储能电容器绝缘破坏研究，分析电 容器绝缘老化的影响因素。 2 高压储能电容器工作条件的特点为：放电阶段存在的大电压变化率d u d t 和大的放电峰值电流；论文提出存在4 种影响因素，可能造成电容器 内部绝缘的老化：局部放电、空间电荷、热因素和机械应力；并结合电容 器寿命试验分别对4 种因素进行讨论分析。 3 解剖分析经寿命试验并发生绝缘击穿的高压储能电容器，统计电容器内部 绝缘击穿点的主要位置；讨论影响电容器击穿的条件，并对电容器内部绝 缘进行电场仿真和计算，最后分析得到电容器绝缘老化直至击穿的整个绝 缘失效过程；并根据研究的结论提出改善电容器绝缘设计的建议。 本论文的研究工作可为高压储能电容器的绝缘设计提供参考，并对电容器 出厂试验和运行中的性能检测具有一定的借鉴作用，对改善电容器制作工艺以 及设备性能的检测都具有实际意义。同时，本论文的工作也是储能电容器在工 作条件下绝缘破坏机理研究工作的基础，取得成功后可促进该领域理论上的突 破。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 第2 章高压储能电容器及其工作特点 由于高压储能电容器工作环境不同于电力电容器，其在直流电压下缓慢充 电，之后经放电管快速放电。在电容器放电阶段，电容器内部绝缘介质会承受 高的电场强度，因此储能电容器在材料选择和绝缘结构设计上均有自身的特色。 2 1 高压储能电容器 本论文研究的储能电容器介质与铝箔均采用无感方式卷绕，并通过引线片 将电极引出，绝缘结构如图2 1 ( a ) 所示。为了满足容量的需求，电容器采用3 芯子并联方式，经真空干燥处理后用蓖麻油进行压力浸渍，最后密封处理。其 额定工作电压为4 k v ，额定容量为0 2 2 9 f ，外形如图2 1 ( b ) 所示。 电容器绝缘介质承受高的工作场强，使电容器可存储大量电荷，绝缘介质 通常由两种或多种介质材料复合构成。本文中研究的储能电容器绝缘介质采用 双面粗化双轴定向聚丙烯薄膜( r i 冲p 膜) 与电容器纸复合的绝缘设计，采用2 膜1 纸结构，在提高介质的耐受场强的同时又最大限度的压缩体积，如图2 2 所示。电容器各部分材料参数参见表2 1 。 ；励囫f i 珍勿沥i i ：；：j 膨况羽黝l 卜j 。- 篱 ( a ) 电容器芯子绝缘结构 图2 1 ( b ) l 乜彳器夕h 形( 单化：m m ) 高压储能电容器 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 铝箔电极 i 、 l 、 i i 图2 - 2 电容器绝缘结构 表2 - 1 储能电容器中绝缘材料的参数 2 2 高压储能电容器寿命试验系统 2 2 1高压储能电容器寿命试验装置 高压储能电容器的寿命试验装置如图2 2 所示。本试验系统在中国工程物 理研究院及其相关人员的协助下建立，可完全模拟储能电容器工作情况，其中 u 为恒压直流电源，r p 为保护电阻，c x 为试验电容器，t 为大功率放电管。保 护电阻如串接在高压直流电源与试验电容器c x 间，避免c x 击穿造成直流电源 短路事故。在储能电容器正常运行时，由于保护电阻k 限制，电容器充电电流 较小，且电容器容量大、工作电压高，造成电容器充电时间较长；放电管t 由 配套的控制电路产生触发信号控制，根据电容器的工作条件每间隔 4 s 产生一 次触发信号，使电容器通过放电管t 短路放电。 r p 高 压 直 流 电 源 图2 - 2 电容器寿命实验系统 放 电 管 t 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 2 2 2 高压储能电容器的工作条件 高压储能电容器工作时经直流充电、放电管短路放电，完成1 次寿命周期。 储能电容器的充放电过程两端电压变化如图2 3 所示，其在寿命试验中承受的 工作电压可分为三个阶段：直流充电阶段，l ：电压由0 上升至额定电压，由于 稳压直流电源容量和充电回路中保护电阻的限制，充电电流小，充电阶段持续 时间约4 s ；电压稳定阶段免：电压保持额定电压值不变，此阶段持续1 0 s ；短 路放电阶段如：电压由工作电压突然降低，存在反相脉冲电压的峰值，放电过 程持续时间为微秒级，如图2 - 4 所示。反相脉冲电压是由于放电时放电回路中 耦合电感、寄生电阻的影响引起的，且此阶段电压波形存在衰减震荡。 05l o1 5 时问( s ) 图2 - 3 电容器充放电电压波形 051 01 52 02 53 03 54 0 时f b l ( s ) 图2 - 4 电容器放电电压波形 4 3 2 l o l 2 互一幽谬世h熊肆翟 5 4 3 2 0 0 之o 邑遥翟罾耧终肄掣 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 储能电容器在脉冲放电时电压、电流的波形，与放电回路当中等效电阻r 、 电感、电容c 相关。当被试电容器放电回路满足条件r 型 罂 掣 授 辩 角度p h a s e 度 粤 型 口 楼 排 薹l 相位p h a s e 度 r b ) 双极性方波脉冲f 老化l o o 小时的绝缘膜的局部放电川 图2 7 方波脉冲下单层绝缘薄膜的局部放电结果 2 3 3高压方波脉冲下电容器绝缘模型的寿命测试 电容器绝缘模型的制作参照a s t m 一2 2 7 5 标准，选用不锈钢材质的电极， 模型包括上下电极和电极绝缘支撑三部分。上电极为圆柱形棒状电极，下电极 为圆形平板电极，绝缘支撑部分为云母板。其中上电极o - - l o m m ，下电极中 = 3 6 m m ；测试电极结构如图2 - 8 所示。试验对象模拟电容器内部绝缘，采用二 膜一纸并浸渍的复合介质模型，材料为聚丙烯膜与电容器纸交替重叠，浸渍绝 缘油，电容量约1 图2 - 8 浸渍绝缘膜试验装置 v ，工作电压约4 k v 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 试验对象在直流条件下进行了4 k v 、1 0 小时的加压试验，在直流升压和施 压阶段均未发现局部放电现象，也未发现绝缘击穿。对应大脉冲放电寿命试验 时电压及其反峰幅值，被测试样的试验电压4 k v ，如图3 - 1 所示放电回路约6 0 的反峰。进行方高压波脉冲试验下时，由于是双向脉冲信号，与大脉冲放电电 压对应，试验电压设定为a ：3 2 0 0 v ，即( 1 + o 6 ) u o 。重复频率选择l k h z ，因实 验室自制的双极性高压方波脉冲发生器【3 ”所产生的方波脉冲在此频率下，其脉 冲下降沿陡度能达到2 1 a s 以内，和电容器放电阶段的电压变化率d u d t 相当。 图2 - 9 为方波脉冲电压作用下，复合绝缘局部放电发生初期、中期、末期 的波形图。在试样寿命末期接近材料击穿时，局部放电幅值骤然增大，几秒钟 后击穿。测试试样的寿命一般不超过0 5 小时。从图中可以看出，随着电压施 加时间的增加，局部放电最大放电量有较明显变化，且数量也有增多的现象， 但即使大幅值局部放电频繁出现，其间仍有小幅值的局部放电信号存在。说明 在方波脉冲的高电压变化率d u d t 下，总体发展趋势为局部放电最大放电量及 放电次数的增加，但由于高变化率的电压对绝缘的破坏作用包括缺陷的进一步 劣化以及新的缺陷的产生，测试结果中会出现小幅值局部放电增加的现象。 类比电容器的工作条件，可以推出，在直流充电阶段和电压稳定阶段，绝 缘介质内部局部放电、空间电荷的注入和脱陷等情况可能不易发生，因此绝缘 老化进程缓慢；而在脉冲放电阶段，由于存在高的电压变化率d u d t ，内部绝缘 中可能发生强烈的局部放电、空间电荷注入脱陷、局部过热等现象，使绝缘的 性能迅速下降，最终导致电容器绝缘击穿。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 ( c ) 老化试验未期 其中1 通道为外施i 乜压的1 1 0 ，2 通道为传感器上感应的局部放电波形 图2 9 方波脉冲下复合绝缘局部放电 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 第3 章高压储能电容器绝缘老化因素分析 根据第2 章研究可知，高压储能电容器的工作过程是：高压直流充电，大 脉冲放电；且电容器绝缘击穿过程主要发生在大脉冲放电阶段。参考电容器绝 缘介质模型在方波脉冲下绝缘寿命试验，可知储能电容器的工作条件中，放电 阶段的大d u d t 和峰值电流诎是影响电容器绝缘的主要因素。 3 1 大脉冲放电对电容器绝缘老化的影响因素 电容器放电阶段，高电压变化率d u d t 可造成电容器芯子内部存在过电压 情况，产生强烈的局部放电；1 4 k a 的峰值电流可造成电容器绝缘表面存在空 间电荷的注入与脱陷更容易发生；电极与引线片接触部位可能存在接触电阻， 当峰值电流流过，在此处可能产生热量，造成电容器局部过热；内部绝缘可能 受到机械应力的作用，对其绝缘性能造成影响。针对储能电容器的工作条件及 绝缘结构，导致绝缘介质老化，以致在大脉冲放电阶段发生电容器绝缘失效的 过程，可能存在以下四种因素： 1 局部放电：合格批次中的某些产品中仍然可能存在一些缺陷，当工作环境 达到局部放电发生的条件，必然引起局部放电不断发生，其破坏作用包括， 局部热场作用、带电高能微粒的轰击( 主要是电子) 、局部放电时产生的化 学活性物的作用以及冲击波和辐射线的作用等。局部放电将引起侵蚀( 材 料表面破坏及消蚀) 和结构上的变化( 聚合分子链的分解、交联) ，缺陷逐 渐发展并增多，从而造成绝缘劣化印】。 2 空间电荷：研究表明在外施电压的作用下绝缘介质内部及表面会出现空间 电荷与表面电荷。高电场强度能使电荷积累变得严重。固体绝缘材料中空 间电荷的存在使得原来的l a p l a c e 电场发生畸变，使局部电场加强，引起 绝缘老化，甚至可能导致固体绝缘材料击纠r 7 1 。但外加电场不是介质击穿 的必要条件，介质的击穿也可以发生在空间电荷的脱陷过程中而与外加电 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 场无关。直流充电给绝缘介质形成的空间电荷，可能在大脉冲、短时间电 流放电时，由于电场的突变，引起电荷迅速脱陷，从而导致电容器在放电 瞬间失效【3 8 】。 3 热因素：工程电介质的老化常归为电场或电热联合作用的结果 4 1 4 3 1 。在电 容器放电阶段，外电路流过大峰值的脉冲电流，可能在电容器内部造成局 部过热，加剧电容器绝缘老化，甚至直接造成绝缘过热击穿。 4 机械应力：击穿是一个机械裂痕的传播与扩展的过程。机械应力及热的不 断作用催化介质更加疲劳以致引发裂纹，最终造成失效 4 0 l 。电容器在制作 过程中，绝缘材料可能受到一定的机械应力，给内部绝缘引入一些缺陷； 在电容器在放电阶段，其内部绝缘可能会受到的机械应力作用导致绝缘老 化或击穿。 根据工作条件的特征，并结合高压储能电容器的绝缘结构，针对上述四个 因素进行研究。 3 2 局部放电对绝缘老化的影响分析 根据气体放电理论，绝缘体内微小气隙( 或油隙) 击穿的条件是：气隙( 油 隙) 内部某处具有足够大的场强，此电场一般由外施电场通过绝缘材料的不同 介电性能分配在内部气隙( 油隙) 上；具有导致电子崩的初始电子。一旦在绝 缘内部某处，上述两种条件同时达到，局部放电就会在该处发生。 绝缘内部高的电场强度一般由外施场强过高或者绝缘内部电场畸变引起。 局部放电初始电子主要有两种基本产生机制，体发射和表面发射。体发射一般 指气体本身电离产生的初始电子，包括光子辐射引起气体电离和阴极离子的场 致分离。初始电子的产生由下式表示 4 4 1 ： j = 等= r l ( g a s ，互，如) p ( 3 - 1 ) 口z 其中：r l ( g a s ，e ，q 棚) 是与气体种类g a s 、电场场强局和光子能量q 耐相关的函 数：p 为气体压强；是承受光子辐射和场强的有效气隙体积。 表面发射是指绝缘体表面散射的电子，包括：阴极场发射【4 5 】，绝缘表面陷 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 阱的电子脱陷嗍，离子碰撞产生的电子释放和表面光效应【4 7 】( 包括在导体和绝 缘表面) ，符合r i c h a r d s o n s c h o t t l g 准则【4 s 】： 警= c f - 型笋1 ( 3 2 ， 其中：p ，i o ，k ，e o ，丁和沙分别是基本电荷、光子频率、玻尔兹曼常数、 真空介电常数、温度、脱陷功函数，e ，( f ) 是气隙的内部场强。 由式3 1 、3 - 2 可知，局部放电初始电子产生的体发射和表面发射两种机制 产生的发射速率均与气隙内部的场强相关，且气隙内部场强越高，电子发射概 率越大。由于储能电容器为密闭设计结构，当外部环境条件一致的情况下，气 隙内部的气体种类g a s 、光子能量、气体压强、温度、光子辐射和场强的有 效气隙体积等因素在短时内不会发生变化。在试验过程中，局部放电初始电子 产生速率只于外部施加场强的强弱相关。 由于储能电容器储能密度大，在体积确定的情况下，须提高绝缘介质的工 作场强。一般情况下，介质工作在其最大耐受场强条件下。以试验中使用的电 容器为例，电容器额定工作电压为4 k v ，绝缘介质采用2 膜1 纸结构。双面粗 化聚丙烯膜( r r p p 膜) 最大耐受场强值为2 8 0 3 0 0 v l x m ，电容器纸在良好浸 渍的情况下可高于5 0 w “m 。电容器在实际工作条件下，绝缘材料上承受的电 场强度可通过图3 1 所示进行计算。 图3 - 1 储能电容器绝缘结构示意图 在直流条件下，电容器两端电压等于其额定工作电压u e = - 4 k v ，电容器内 部绝缘介质电压按照各部分绝缘电阻分配。其中，聚丙烯膜的电导率为1 x l o 。17 ； 浸渍后的电容器纸电导率为l x l o d 2 1 x l o d 5 。电容器纸的电导率远大于聚丙烯 膜的电导率，可近似认为电容器两端电压全部施加在聚丙烯膜上。因此，聚丙 烯膜在直流条件下的工作场强为： 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 e 7 p 尸j 嘶，zt p p f i l m = 2 0 0v i n n ( 3 3 ) d p 陌 其中，u p p f i i m 为聚丙烯膜上承受的工作电压；d p p f i l m 为聚丙烯膜厚度，7 为电场 强度的方向单位向量。 电容器纸的工作场强为： j r 厂 e 胤p 积t j p a p e r7 = 0 v p m ( 3 _ 4 ) d p 啦旺 其中，u p a p e r 为聚丙烯膜上承受的工作电压；d p a p s r 为聚丙烯膜厚度。 在电容器脉冲放电阶段下，电容器两端电压快速翻转。电容器两端电压在 1 “s 的时间内由4 k v 转变为2 4 k v 。由于聚丙烯膜在电容器充电阶段和等待放 电阶段，介质被外施电压长时间作用，膜表面及其内部会聚集起感应电荷，该 感应电荷形成的电场和外施电场方向相反。当电容器放电阶段，外施电场翻转 迅速，绝缘材料中感应电荷重新分布需要一定时间，从而造成绝缘材料内部的 感应电场和外施电场叠加，增强了材料中的电场强度。为了方便分析，本文计 算时进行如下假设：电容器在放电阶段前，材料内部感应电荷极化已达到稳定 状态，感应电荷形成的电场已达到最大值；在放电阶段，外施电压翻转为2 4 k v 的时候，材料内感应电场来不及变化，保持数值和方向不变。本文计算时取聚 丙烯膜的介电常数为2 2 ：浸渍后的电容器纸的介电常数为5 。因此，在电容器 放电阶段前，聚丙烯膜中感应电荷形成电场强度磊约为1 0 9 v p r o ；电容器纸中 感应电荷形成的电场强度近似等于0 v p m 。 由于在电容器放电阶段，电场为瞬态电场，因此电容器内部各绝缘材料承 受电压是按照各部分的电容量进行分配。材料的电容量可根据式3 5 进行计算： c ：兰业 ( 3 5 ) 4 x k d 其中岛为真空介电常数，为该材料的相对介电常数，s 为电极间材料的有效 面积，k 为静电力常量，d 为该材料的厚度。可见两种材料如果在电极极板间面 积相同厚度近似相等，材料的电容量与其相对介电常数成正比。聚丙烯膜承受 的电场强度为： r 厂 e z p p f u mi + e o = 2 0 7 3 0 v p m ( 3 。6 ) d p p 融l m 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 3 页 电容器纸承受的电场强度为： ，厂 e ，只伊擞z 二丝丝f + e ，o = 5 4 1 0 v l a i n ( 3 7 ) d p p | 隙 在电容器放电阶段，电容器内部绝缘上承受的电场强度整体要大于直流充 电阶段其承受的场强值。特别是电容器纸，在放电阶段其承受的场强要远大于 在充电阶段的场强，甚至可能超过电容器纸的最高工作场强，将导致局部放电 在此处发生。电容器放电阶段，内部绝缘上施加的场强已经接近绝缘介质最大 耐受场强；在电容器电极边缘，由于电极结构造成电场分布的畸变，致使该处 场强可能超过介质的最大耐受场强，可能导致在此处发生局部放电，致使绝缘 老化。， 局部放电造成绝缘材料老化是个极其复杂的过程，往往受很多因素影响。 局部放电主要通过两种方式造成绝缘材料性能劣化：化学作用和物理高能粒子 的轰击。在绝缘内部气隙中或者在电极和绝缘介质间的空隙中，绝缘老化情况 主要按照图3 2 所示情况发展【4 9 】。局部放电在气隙内部发生，会使气隙内的空 气分解，并伴随有气体或液体副产物，造成气隙内部湿度增加，使气隙那表面 电导率增大【5 0 , 5 1 】。随着局部放电的频繁发生在气隙内表面会形成液体层，甚至 聚集成液滴状。带电粒子不断轰击气隙内表面，伴随局部放电副产物的作用， 气隙内表面粗糙度会逐渐增大。之后，随着局部放电的不断作用，会在气隙表 面附着上一定数量的固体副产物【5 2 1 ，造成气隙表面绝缘性能下降，使气隙内的 局部放电更容易发生，导致绝缘表面上电树枝出现并逐步发展。电树枝在绝缘 材料内部不断生长，最终导致绝缘发生击穿。 表面腐蚀放电副产物 劳”渤女静瓤 ? j 。，。一“ 。?。镕 ；表面电导物理粒予轰裔 1 | j ?气学 ；率增加化学腐蚀 电树产生绝缘击我i t 图3 - 2 局部放电造成绝缘老化示意图 局部放电一旦在电容器内部发生，可能会造成聚丙烯膜、电容