空气中的温湿度对直流支撑电容器性能的影响

空气中的温湿度对直流支撑电容器性能的影响

0金属化薄膜传感器的应用直流器是重要的变流装置之一，用于稳定和过滤，并提供可执行的能量交换服务，如负载和电池。金属化薄膜电容器相比电解电容器主要有以下优势：高电压、耐高温、纹波电流大、小体积和长寿命等。目前，在轨道交通、柔直工程、新能源等领域广泛选用金属化薄膜的直流支撑电容器目前国内外学者关于空气湿度对电容器性能影响的研究，主要集中在寿命、可靠性等方面金属化薄膜电容器生产过程中需要对空气湿度进行控制，但这方面生产工艺研究比较少。为此，有必要研究空气湿度对直流支撑电容器元件性能的影响。本文介绍直流支撑电容器生产工序，介绍生产工艺中的空气湿度控制，通过试验分析生产过程中不同相对湿度下直流支撑电容器元件性能的差异，对直流支撑电容器生产工艺中湿度的控制具有良好的指导意义。1干法直流支撑电容器生产技术根据填充的绝缘介质，直流支撑电容器分为油浸式、干式两类。目前，除了机车、动车等变流器还采用油浸式电容器结构直流支撑电容器生产工艺流程见图1。油浸式直流支撑电容器生产工序包括：卷绕、喷金、热聚合、赋能、焊接、电容器组装、真空浸渍、例行试验、包装入库与油浸式相比，干式直流支撑电容器主要区别在于无真空浸渍工序，采用真空浇注工序。卷绕，通过卷绕机把两层金属化薄膜卷绕在芯轴上，形成一个元件的过程。喷金，用锌、锡等材料在熔融状态下借助干燥的压缩空气喷射，喷涂在元件的两个端面上。热聚合，干式电容器元件通常需要处理的环节，利用聚丙烯薄膜热收缩的物理性能，对卷绕好的元件进行热处理，使元件中的潮气蒸发，并使元件变得更密实。通常温度控制在最高105℃。赋能，在元件两端施加电压，利用金属化薄膜的自愈性，清除元件内部绝缘的不良点。焊接，用钎焊将联接铜箔或者导线焊接在元件两个喷金端面上，以将元件的两个电极引出，把不同元件的电极根据设计的结构焊接成元件组。2在生产工艺中的空气湿度控制2.1空气中的蒸气量的测定空气湿度指空气中含有水蒸气的多少，有3种表示方法：1）绝对湿度，表示每立方米空气中所含的水蒸气的量，g/m2）含湿量，表示每千克干空气所含有的水蒸气量，g/kg。3）相对湿度，用RH表示，表示空气中的绝对湿度与同温度下的饱和绝对湿度的比值，得数是一个百分比。相对湿度计算公式为式中：d绝对湿度也能用相对湿度与温度来共同描述2.2元件对空气的吸附通常，卷绕和赋能工序作业指导书中有空气相对湿度的要求。1）卷绕工序规定：元件卷绕时，空气相对湿度≤60%；卷绕好的元件放入相对湿度≤35%的干燥室内，必须在24h内进行喷金。2）赋能工序规定：赋能完的元件，如果当天不能生产完毕，元件应放入相对湿度≤35%的干燥室内。而生产过程中，在卷绕、喷金、热聚合、赋能、焊接工序后，元件端面都存在与空气接触的情况。卷绕好的元件，元件两端面有缝隙，空气会进入两端面，元件的两端面会吸入空气中的水分。喷金、热聚合、赋能、焊接工序后的元件，其两端已经喷涂金属颗粒，放置在空气中，水分会吸附在金属层的表面喷金过程中，元件端面喷涂熔融状态下金属材料，高温可排除元件端面的潮气。热聚合过程中，温度控制在105℃以下，高温也能排除元件中的潮气。因而，赋能后的元件对空气相对湿度的控制便显得尤为重要。通常，电容器生产厂家会在卷绕车间、干燥室、焊接、心子组装车间装设除湿机来控制空气湿度。3试验与研究3.1试验方案的确定卷绕前，金属化聚丙烯薄膜真空包装完好。卷绕间空气相对湿度40%，干燥室空气相对湿度35%，忽略相对湿度差和温度差对元件性能的影响。热聚合和赋能工序之间时间间隔很短，忽略期间相对湿度差和温度差对元件性能的影响。另外，赋能后的元件有存放在干燥室时间很长的现象。因而，需研究卷绕、喷金、热聚合工序后相对湿度对元件性能的影响。生产过程中，元件的性能可通过耐压试验、充放电试验因此，确定研究试验方案如下：1）试验1:卷绕工序后不同相对湿度对元件耐压试验和充放电试验。2）试验2:喷金工序后不同相对湿度对元件耐压试验和充放电试验。3）试验3:热聚合工序后不同相对湿度对元件耐压试验和充放电试验。4）试验4:热聚合工序后不同相对湿度和存放时间对元件的长时间耐久试验。试验1-3的工艺分别改变卷绕、喷金、热聚合工序后的相对湿度，假设其他工序的相对湿度相同。3.2热聚合、赋能工序1）试验1的元件。卷绕后，元件在相对湿度30%、60%、80%环境下存放24h后，进入喷金、热聚合、赋能工序。元件编号分别为1A01-1A06、1B01-1B06、1C01-1C06，待试验的元件放在1号密封周转箱内。2）试验2的元件。喷金后，元件在相对湿度30%、60%、80%环境下存放24h后，进入热聚合、赋能工序。元件编号分别为2A01-2A06、2B01-2B06、2C01-2C06，待试验的元件放在2号密封周转箱内。3）试验3的元件。热聚合后，元件在相对湿度30%、60%、80%环境下存放24h后，进入赋能工序。元件编号分别为3A01-3A06、3B01-3B06、3C01-3C06，待试验的元件放在3号密封周转箱内。4）试验4的元件。热聚合后，元件在相对湿度30%、60%环境下分别存放24h、96h、168h、240h、336h后，元件浇注树脂灌封，元件同时试验。存放在环境相对湿度30%的元件编号分别为4A01-4A03、4A04-4A06、4A07-4A09、4A10-4A12、4A13-4A15。存放在环境相对湿度60%的元件编号分别为、、、、4B13-4B15。3.3电容器充放电试验1）元件耐电压试验。对元件施加直流电压，从1.5U式中：C2）充放电试验。先用直流电源对电容器充电至1200V，连续进行1000次充放电，放电电流10kA，测元件电容和损耗角正切。3）长时间耐久试验。试验方法参照电力电子电容器耐久性试验3.4试验结果3.4.1不同相对湿度对元件电容动态的影响1）元件耐压试验。卷绕工序后，不同相对湿度环境下的元件耐压差异见图2。元件在2600VDC的试验电压时，电容开始下降。2800VDC的试验电压时，电容下降幅度比较大；在相对湿度30%、60%、80%环境下，元件最大电容变化ΔC（%）分别为：-1.857%、-0.758%、-0.590%。2）充放电试验。卷绕工序后，不同相对湿度环境下的元件充放电试验数据见表1。元件在1200VDC的试验电压1000次充放电试验，电容变化较小。在相对湿度30%、60%、80%环境下的元件最大电容变化ΔC（%）分别为：+0.035%、+0.110%、+0.050%。3.4.2喷金工序后不同相对湿度对元件电容的影响1）元件耐压试验。喷金工序后，不同相对湿度环境下的元件耐压差异见图3。元件在2600VDC的试验电压时，电容开始下降。2800VDC的试验电压时，电容下降幅度比较大；在相对湿度30%、60%、80%环境下的元件最大电容变化ΔC（%）分别为：-2.318%、-1.498%、-1.000%。2）充放电试验。喷金工序后，不同相对湿度环境下的元件充放电试验数据见表2。元件在1200VDC的试验电压1000次充放电试验，电容变化较小。在相对湿度30%、60%、80%环境下的元件最大电容变化ΔC（%）分别为：-0.115%、-0.064%、-0.100%。3.4.3热聚合工序后不同相对湿度对元件电容的影响1）元件耐压试验。热聚合工序后，不同相对湿度环境下的元件耐压差异见图4。元件在2600VDC的试验电压时，电容开始下降。2800VDC的试验电压时，电容下降幅度比较大；在相对湿度30%、60%、80%环境下的元件最大电容变化ΔC（%）分别为：-1.919%、-2.234%、-2.513%。2）充放电试验。热聚合工序后，不同相对湿度环境下的元件充放电试验数据见表3。元件在1200VDC的试验电压1000次充放电试验，电容变化较小。在相对湿度30%、60%、80%环境下的元件最大电容变化ΔC（%）分别为：-0.010%、-0.020%、-0.070%。3.4.4热聚合工序后不同相对湿度和温度对电容响应的影响1）相对湿度30%的元件长时间耐久试验。聚合工序后，不同相对湿度环境下的元件长时耐久试验数据情况见图5(a）。试验1250h后，电容开始下降；试验2000h后，相对湿度30%条件下存放24h、96h、168h、240h、336h的元件电容变化ΔC（%）分别为：-1.375%、-1.692%、-1.708%、-1.817%、-1.943%。2）相对湿度60%的元件长时间耐久试验。热聚合工序后，不同相对湿度环境下的元件长时耐久试验数据情况见图5(b）。试验1250h后，电容开始下降；试验2000h后，相对湿度60%条件下存放24h、96h、168h、240h、336h的元件电容变化ΔC（%）分别为：-1.392%、-1.563%、-1.568%、-1.735%、-1.754%。3.4.5不同相对湿度对元件电化学性能的影响依据图2-4分析得出：1）卷绕、喷金工序后，在相对湿度80%、60%、30%环境下，元件耐压能力依次减弱；2）热聚合工序后，在相对湿度30%、60%、80%环境下，元件耐压能力依次减弱。依据表2-4比较分析得出：1）卷绕工序后，在相对湿度60%、80%、30%环境下，元件耐受电流能力强依次减弱；2）喷金工序后，在相对湿度60%、80%、30%环境下，元件耐受电流能力强依次减弱；3）热聚合工序后，在相对湿度30%、60%、80%环境下，元件耐受电流能力强依次减弱。依据图5分析得出：1）在相对湿度60%环境下的元件长时间耐久能力比相对湿度30%环境下的元件强；2）在相同相对湿度环境条件下，元件存放时间越长，长时间耐久能力越差，寿命越短。从表2可以看出：试验后的元件电容增大；同样，从图5中也可看出：1000h耐久试验后，元件电容增大。元件电容增大的原因：元件在大电流或耐压的过程中，由于电动力、电应力的作用使元件的金属化聚丙烯薄膜收缩，从而使电容变大。其他试验后的元件电容减小，其主要原因：金属化聚丙烯薄膜薄弱点击穿后自愈，极板面积减小综上分析：1）卷绕、喷金工序后，在相对湿度80%、60%、30%环境下，元件耐压能力依次减弱。2）卷绕、喷金工序后，在相对湿度60%、80%、30%环境下，元件耐受电流能力依次减弱。3）热聚合工序后，在相对湿度30%、60%、80%环境下，元件耐压、耐受电流能力依次减弱。4）热聚合工序后，在相对湿度30%、60%环境下，后者长时间耐久能力强。5）相同相对湿度条件下，元件存放时间越长，长时间耐久能力越差，寿命越短。6）元件存放时间影响元件性能。因此，由分析可得出：1）相对湿度会影响直流支撑电容器元件的耐压能力、耐电流能力、使用寿命；2）控制相对湿度60%条件能够保证直流支撑电容器元件性能的质量控制；3）相同相对湿度条件下，元件存放时间越长，寿命越短。由于知识结构和试验条件限制，湿度的条件时基与高低温箱控制输出，与实际生活中出现的自然空气湿度有很大区别。但通过试验分析生产过程中不同相对湿度下直流支撑电容器元件性