_金属化薄膜电容器的电流冲击试验

1、金属化薄膜电容器的电流冲击试验陈才明(宁波新容电器科技有限公司,浙江宁波315202摘要:电力电子电容器通常应用于非工频场合,其耐峰值电流I peak 和耐冲击电流I赞s 能力是关键技术参数,由于耐电流能力是金属化薄膜电容器的最薄弱环节,所以有该指标的产品必须进行耐电流能力的试验考核。采用大功率电子开关组成电容器充放电回路,通过调节充电电压或放电回路参数来定量控制放电电流、电流衰减周波和电流电压变化率,试验方法快捷、简便、实用,是金属化电容器进行设计验证和质量控制的有效手段。关键词:金属化电容器;电力电子电容器;电流冲击试验;冲击放电试验Current Surge Test of Metall

2、ized Film CapacitorCHEN Caiming(Ningbo Shine Electrical Technologies Co.,Ltd.,Ningbo 315202,China Abstract:Power electronic capacitor is usually used in the non-power frequency occasions and its peakwithstand current I peak and impulse withstand current I赞s are the key technical parameters.Since the

3、 cur -rent withstand ability is the weakest point of the metalized film capacitor,therefore the capacitor withsuch parameters must be subject to current withstand ability test.The charge and discharge circuit of the capacitor is composed of high power electronic switch,the discharge current,current

4、decay cycle and variation rate of current and voltage are controlled quantitatively by way of adjusting the charging voltage or the discharge circuit parameters.This test method is fast,simple,practical and is effective measures for the design verification and quality control of the metalized capaci

5、tor.Keywords:metalized capacitor ;power electronic capacitor ;surge current test ;surge discharge test0引言电动机电容器、灯具电容器和并联补偿电容器等金属化交流电容器均应用在工频场合,其工作电压确定后工作电流基本确定,电容器寿命及可靠性设计中主要考虑的是工作场强V/m ,即根据工作电压确定薄膜的厚度。随着电力电子技术的迅速发展金属化电容器的应用范围越来越广,如各种变频器、UPS 和SVG 电源、太阳能和风能发电系统,混合动力和纯电动汽车等新能源领域中的储能滤波、吸收保护用电容器都选用薄膜金属化

6、结构,高比能脉冲电容器也开始向金属化发展1,该类电容器应用在电力变换场合,其有效电流I mrs 、最大电流I max 、峰值电流I peak 和冲击电流I s 已成为电容器重要参数,同时电容器的电流负荷试验和电流冲击试验也成为不可缺少的试验项目。1电流冲击试验电容器冲击试验的电流可以是充电的电流,也可以是放电的电流,但一般充电回路的电源内阻较大,难以获得大的充电电流,而放电回路的阻抗理论上可以接近于零,能方便获得大的放电电流峰值,所以电流冲击试验实际上就是电容冲击放电试验。1.1国家标准中的冲击放电试验GB/T 177022013电力电子电容器标准第5.9条中冲击放电试验规定:应采用直流电源对

7、单元充至1.1U NDC 的电压,然后通过尽可能靠近电容器的短路装置放电,在10min 之内对单元进行5次这样的放电2。标准5.9条又补充规定:“如果规定了最大冲击电流,则应通过改变充电电压和放电回路的阻第36卷第6期12月电力电容器与无功补偿Power Capacitor &Reactive Power Compensation Vol.36,No.6:0037-0041Dec.2015收稿日期:2015-07-15!"!"!"!"电力电容器37··2015年第6期电力电容器与无功补偿第36卷抗

8、使放电电流调整到:I test =1.1I s ”。试验后5min 之内,应对单元进行端子间的电压试验。电容测量应在(冲击放电试验之前电压试验之后进行。对于自愈式电容器,电容变化应不超过±1%。应核对下式:tan 1.2tan 0+1×10-41.2现有试验标准存在的问题标准提出通过尽可能靠近电容器的短路装置放电,实际操作中电容充电后一般都采用机械开关直接短路放电,这时放电电流大小取决于被测电容的大小,放电电流峰值取决于放电回路的阻抗,是定性而非定量的试验。对于有最大冲击电流指标的电容器试验来说,即使通过改变充电电压和放电回路的阻抗使放电电流调整到I test =1.1I

9、s ,也会因放电回路电感的大小而影响冲击电流变化率和电流衰减振荡周期,试验效果也会有所区别,也不能说是准确的定量电流冲击试验。另外,GB/T 177022013标准中将冲击放电试验列在型式试验项目中,例行试验项目电性能方面只有端子间和端子与外壳间的电压试验以及电容和tan 的测量,这些试验项目根本无法检验电容器的耐电流能力,也就无法保证电容器的可靠性和使用寿命。1.3电流冲击试验为了能进行定量的电流冲击试验,笔者研制了放电电流可定量的试验设备,该试验的主回路原理如图1所示,控制原理方框图如图2所示。 放电回路比较简单,工作过程如下:1设定充电电压值U ,电压值决定放电电流峰值,I test =

10、U /R ;2设定充电时间,根据被试电容器容量C x 、充电电源内阻r 和所需电压U ,确定充电时间(如2s ;3充电开关S 由可调时间继电器控制,S 闭合,可调直流电源E 给试验电容器C x 充电;4充电时间到,S 打开,充电结束,控制电路发出脉冲给可控硅SCR ,SCR 导通,电容器C x 开始放电;5由于放电回路存在电阻和电感,放电过程是震荡衰减,经过几个周波后震荡结束,电流为零可控硅SCR 关闭,从开始震荡到结束的几个周波时间一般远小于1s ;6放电结束后,充电开关闭合又开始充电,重复上述试验。如果设定充电时间2s ,放电时间1s ,试验总时间15s ,那么放电试验进行到5次后结束,如

11、果需要进行50次放电试验,只要将试验总时间设定为150s 即可。辅助电源是为控制电路提供工作电源,由于机械开关的触点寿命和可靠性存在问题,所以放电开关采用高压双向大功率可控硅,通过电流传感器(或称电流探头检测放电回路的电流,通过示波器显示放电回路的电压、电流波形和周波数,通过示波器上X -Y 轴的单位可计算出放电电流峰值、电流变化率(d i /d t 、电压变化率(d u /d t 和放电衰减周期。测量值的准确性取决于电流传感器的线性度和频率特性。当充电电压U 确定后,可以改变电阻R 来获得所需峰值的放电电流I test ;如不方便改变回路的阻抗(电阻、电感,可以通过调节充电电压U 获得所需峰

12、值的放电电流I test ;被测电容确定后改变回路电感L 可改变振荡衰减放电的频率;通过改变放电回路的电阻R 可改变放电的周波数3。图3、图4是不同参数下的放电波形,图3的衰减振荡为2个周期,图4为5个周期,显然图3的放电电阻要大些,因为放电回路的电阻大,消耗多,衰减快就难以维持振荡。图1电流冲击试验主回路Fig.1Main circuit of surge current test图2电流冲击试验控制原理方框图Fig.2Control principle block diagram of surgecurrent test图32个周期的放电波形Fig.3Discharge waveform

13、for two cycles38··图45个周期的放电波形Fig.4Discharge waveform for five cycles电流冲击试验的严酷度主要由以下参数决定:1最大放电电流值,其峰值大小取决于充电电压和放电回路的阻抗;2电流变化率(d i /d t ,主要由放电回路的电感L 决定,电感L 越小电流变化率越高;3放电电流的衰减振荡频率f 取决于被测电容C x 和回路电感L ;4放电电流周波数取决于放电回路的电阻R ,在同样电流峰值和变化率下,周波数多,严酷度就高。2电流冲击试验的意义2.1产品的设计验证应用在工频场合的如灯具电容器、交流电动机电容器和并联补偿

14、电容器等,其工作电压确定后工作电流基本确定,但对于工作在非正弦电压或脉冲电流条件下的电容器来说,许多产品是用户定制品,电容器的场强设计只是1个方面,而最大电流I max 、峰值电流I peak 、冲击电流I s 和电流电压变化率等成为电容器设计中的关键参数。对于金属化薄膜电容器来说,提高电流能力的措施很多,如加厚边缘方阻(R /4、缩减薄膜宽度、增加薄膜厚度和采用波浪边分切等,但是否能达到或满足设计要求必须通过有效试验手段来验证。电容器能承受的最大电流I max =kL ,k =f (R 或I max =kS ,k =f (t 、R 。式中:L 为金属化膜长度,R 为边缘方阻值,t 为薄膜厚度

15、,S 为喷金面积,k 为系数。如果能准确定量电流冲击试验,就可以通过大量测试验证得出不同边缘方阻R 或薄膜厚度t 条件下,承受最大电流I max 与薄膜长度L 或喷金面积S 关系的系数k 值。2.2产品质量的控制手段电容器承受电流能力除需要上述措施外,生产工序的质量控制能力也重要,如加厚边方阻误差、错位尺寸误差、喷金粒子粗细、粒子进入深度和粘结牢度、热定形效果及空气水分处理程度等都会影响电容器心子端面喷金结合处的耐电流能力5。GB/T 177022013标准规定的例行试验项目中,电性能方面只有端子间和端子与外壳间的电压试验以及电容和tan 的测量,这些项目根本无法检验电容器的耐电流能力,也就无

16、法保证电容器的使用寿命和可靠性。GB/T 177022013标准规定的型式试验项目中有冲击放电试验,如果冲击放电试验能定量、快速在例行试验中应用,将是十分有效的产品质量控制手段。如果将电流冲击试验作为每个产品必须经过的规定工序来进行,那么产品的早期失效可以避免,可靠性将大大提高。目前有的厂家在电力电子电容器生产中已将电流冲击试验项目作为一个生产工序,要求100%测试。2.3产品的可靠性试验产品的质量需要严格的试验考核来证明,其中电容器使用寿命和可靠性需要通过的是耐久性试验,但电容器的耐久性试验一般需要2个月左右时间,而且耐久性试验的加速因子是固定的,并非所有电力电子电容器都适合,对于不同使用要

17、求的定制品应采用不同的加速因子和不同严酷度,所以快速有效的电流负荷试验6和电流冲击试验是非常适用的试验项目。3试验实例以出口美国的UPS 用电容器为例,客户要求电容器出厂时都必须进行5次电流冲击试验,试验后电容量变化不能超过0.5%,1kHz 测量损耗角正切tan 变化的增量不能超过0.001。产品百分之百测试,测试报告记录5个数据,表1是部分规格产品的试验要求和试验前后结果。从表1中可见产品经过5次电流冲击试验后电容量和损耗角正切变化很少,只有Z26S5846M50N 的1号产品测试后容量和损耗角正切的变化量超出要求,为了找出超标原因,对Z26S5846M50N 的5个样品再进行3个周期共1

18、5次电流冲击试验,试验后结果数据显示1号品容量和损耗角正切的变化明显增加,其他正常产品没有显著变化,具体数据见表2。对变化超标的1号产品解剖发现,电容器外圈金属化薄膜的错位处损伤,喷金接触处有放电现象,沿错位处纵向有一亮线将金属化层隔离,导致了容量严重下降。经分析认为造成该质量原因是在心子清理工序,是在外包剥离时造成了心子外圈喷金接触损伤,导致电流冲击试验时,外圈部分电容电流的输出位置受阻,随着电流冲击次数的增加,金属熔蚀的空白亮线迅速向心子内圈纵深发展,图5是解剖发现的部分受损伤金属化膜。2015年第6期·电力电容器·陈才明金属化薄膜电容器的电流冲击试验(总第162期39

19、· ·2015年第6期电力电容器与无功补偿第36卷表215次电流冲击后测试数据Table2Test data after surge current for15times产品编号额定容量/F额定电压/V(AC编号n=5脉冲电流/A试验次数n测试前测试后C/(%<0.5%tan<0.001容量C1/%损耗tan1容量C2/%损耗tan2Z26S5846M50N表1UPS电容器电流冲击试验报告Table1Surge current test report of UPS capacitor产品编号额定容量/F额定电压/V(AC编号n=5脉冲电流/A试验次数n测试前测试

20、后C(%<0.5%tan<0.001容量C1/%损耗tan1容量C2/%损耗tan2Z26S3760M50NZ26S3775M50NZ26S5846M50NZ26S6028M50NZ26S6620M50NZ26S4658M50N9040··图5电流冲击试验后金属化薄膜受损情况Fig.5Damage of metal film after surge current test4结束语1峰值电流I peak 、冲击电流I s 和电流电压变化率等是电力电子电容器的重要技术参数,与箔式结构相比金属化电容器的耐电流是薄弱环节,但GB/T177022013电力电子电容器标准

21、中没有检验耐电流能力的出厂例行试验项目,这就有可能使该类电容器质量处于失控状态。2金属化电容器的电流冲击试验采用冲击放电试验,文章介绍的由大功率可控硅电子开关组成的充放电电路能进行定量控制,能定量放电电流峰值、电流和电压变化率、衰减振荡的频率和周波数等。3电流冲击试验和电流负荷试验一样是金属化电力电子电容器设计验证、工序质量控制和可靠性试验的有效手段。如果将电流冲击试验作为电容器生产的一个工序,使每个产品都能通过试验,这就能显著减少产品的早期失效,能提高产品的可靠性和寿命。4试验实例证明次数有限的电流冲击试验对正常产品的性能没有影响,对缺陷产品有较高筛选能力。参考文献1谭康华,梁志刚,郭淼,等

22、.高比能脉冲电容器一些问题的探讨J .电力电容器与无功补偿,2015(2:46-49.TAN Kanghua ,LIANG Zhigang ,GUO Miao ,et al.Discussion on some issues of high specific energy pulse capacitor J .Power Capacitor &Reactive Power Compensation ,2015(2:46-49.2GB/T 177022013电力电子电容器标准S .GB/T 17702-2013Capacitors for power electronics S .3齐玮,王冰,李振超.金属化膜脉冲电容器寿命测试方法J .电力电容器与无功补偿,2014,35(1:55-59.QI Wei ,WANG Bing ,LI Zhenchao.Life tes