一种应用于交流电动机上安全膜电容器的可靠性研究

绪论1.1引言金属化膜电容器具有寿命长，体积小，重量轻的特性，安装简便且成本较低，可工作在较高的工作场强下，是电子整机和电器、电力设备不可或缺的元件，广泛应用于家用电器、通讯设备等电子系统领域。随着电子工业和信息技术的高速发展，金属化薄膜电容器的市场需求仍在增加，特别在一些家用电器，人们对其安全性能不断提高，而安全膜电容器是家用电器起动运行元器件性价比较高的选择，从而促使安全膜电容器的发展金属化安全膜使用金属化电容器的发展进入到一个全新的阶段。金属化安全膜防爆电容器从根本上颠覆了传统金属化膜防爆电容器只能依靠机械装置拉伸变形进行防爆或电容器元件串联内部熔丝进行过载保护的防爆技术和原理。金属化安全膜电容器不依赖机械装置进行防爆，所以可以根据需要做成不同形状的干式电容器，而且还能与机械防爆结合做成有双重安全防爆效果的高安全性电容器，使用于一些有特殊安全要求的场合。市场上生产安全膜电容器的厂家很多，但缺少对安全膜电容器性能影响的电容器档次高低，层间空气区域多于普通膜，由于电化学腐蚀，大量层间空气的存在对安全膜的保险丝逐渐腐蚀，最终导致电容器容量快速下降而影响电动机工作。其安全膜上保险丝的尺寸也是非常关键，设计太过灵敏影响电容器的寿命，设计过于迟钝又起不到安全防护的功能。因此，安全膜电容器的可靠性问题是相关领域研究的重要课题。本文针对安全膜电容器的空气电离及保险丝设计两个方面，综述了多年来在实际工作中的相关研究工作并进行了提炼归纳，为安全膜电容器的性能提升、改进设计提供参考。1.2层间空气对安全膜电容器可靠性的影响金属化膜卷绕后每两层安全膜的条状均存在间隙（即空气）被卷在芯子内部，当交流电流通过后，其一，间隙的空气发生电离导致保险丝被电离烧断,（如图1）所示；其二，间隙位置相对容易产生自愈。不管是哪种情况，最终安全膜的有效面积及保险丝逐渐减少，容量下降，导致电容器可靠性降低。图1保险丝烧断1.3安全膜保险丝对电容器可靠性的影响电容器寿命、安全性、自愈性的合格与否，正是因为以上这三大矛盾关系，要求电容在保险丝结构设计上必须通盘考虑缺一不可。电容器寿命是以电容器额定条件下使用时容量不能损失过多作为判据，这项要求保险丝机构越不灵敏，寿命过程保险丝尽量不断开但是又不能影响电容的安全性。安全性要求电容器在发生异常情况下，容量必须快速大幅度损失，这项要求保险丝机构越灵敏越好，异常情况下保险丝必须大部或全部断开但是又不能影响在小范围击穿后的自愈能力。自愈性要求电容在局部范围击穿过程能迅速恢复且容量不能有太多损失但是又不能影响电容的寿命。1.4课题任务及研究意义本文通过对灌注后真空处理方式与大气处理方式试验对比，以及采用不同保险丝尺寸进行试验对比，研究层间气体及保险丝粗细对安全膜电容器可靠性的影响进行研究。对提高安全膜电容器运行可靠性有一定的参考意义，对改善电容器的生产以及设计初期对安全膜尺寸的选取具有实际意义。为安全膜电容器的性能提升、改进设计提供参考2减少层间空气影响的研究2.1层间空气形成机理与解决方案分析2.1.1层间空气形成机理金属化膜是种用高真空蒸镀技术，在有机薄膜表面镀一层铝、锌铝复合金属薄层而制成的，金属化的形式多样，有低方阻型、边缘加厚型、渐变方阻型，安全膜也是由这些金属化组成，只不过在金属化之提用相应的网格膜套再进行蒸镀，实现最终的网状膜，而安全膜电容器是由AB两片膜卷绕而成，如（图1）所示，这样大大减小了电容器的体积，金属化膜厚度一般为微米级，薄膜蒸镀的金属电极为nm级，金属层厚度约0.2um左右，电容器在卷绕时，在设备的张力及压力作用下，将两层膜缠绕在圆形轴上，绕制成一个圆柱体，由于每一张膜存在厚度偏差，以及电晕处理均匀度不同，导致A、B膜层间始终存在一定的间隙，间隙处便有少许空气存在。卷绕前的安全膜状态如下如（图2）所示，图中的白色间隙即文中所述保险丝。其它条纹为无镀层的白条，卷绕后如（图3）每两层安全膜的条状均存在间隙（即空气）被卷在芯子内部。图2卷绕前安全膜状态图3卷绕前安全膜状态2.1.2减少层间空气的措施层间气隙的存在影响自愈电流，在交流电场条件下，安全膜电容器分割间隙处气隙放电，将导致电极边缘发生大量自愈及电化学腐蚀现象，影响电容器的使用寿命。因此，提出产品灌胶后抽真空，将环氧树脂中气体排除，一来减少固化后起泡的现象，同时，可以有效排出芯子膜层间残存空气。从而减少空气电离的机率，起到延长电容器寿命的作用，以下是参照《IEC60252-1：2013》5.13.2进行耐久性试验（1.25*450Vac85℃600h），抽真空产品与不抽真空产品耐久性试验数据对比（如图3）。图3，抽真空与不抽真空的电容器耐久性试验对比2.2本章总结金属化膜电容器的内部气隙是影响电容器寿命的重要因素，在高电场作用下，空气电离镀层电极发生腐蚀，将保险丝破坏，安全膜电容器内部是由保险丝组成的多元件组合电容器，随着空气电离的加剧，容量损失越大，寿命越短。减少层间气隙，可以通过抽真空方式达到，通过对灌注后抽真空处理的元件与大气灌注的元件进行耐久性试验对比可知，抽真空后的元件由于芯子层间气隙减少，在长时间高电场作用下没有或极少出现空气电离，因此，容量损失较小。3安全膜保险丝对可靠性提高的研究3.1安全膜保险丝的设计金属化安全膜使用金属化电容器的发展进入到一个全新的阶段。金属化安全膜防爆电容器从根本上颠覆了传统金属化膜防爆电容器只能依靠机械装置拉伸变形进行防爆或电容器元件串联内部熔丝进行过载保护的防爆技术和原理。金属化安全膜电容器不依赖机械装置进行防爆，所以可以根据需要做成不同形状的干式电容器，而且还能与机械防爆结合做成有双重安全防爆效果的高安全性电容器，使用于一些有特殊安全要求的场合。安全膜电容器是采用了分离单元构成周期分布网格，单元之间用金属化保险丝连接。当电容器内部出现局部击穿或过流情况时，对应极板单元周围的保险丝熔断，从而隔离了故障单元，防止电容器贯穿性短路击穿现象，最常用的安全膜结构有菱形、T型等，（如图4）所示菱形1安全膜T1形安全膜T2形安全膜菱形2安全膜图4四种安全膜结构示意图3.2实验方案设计3.2.1用菱形安全膜6.8uM进行试验方案一：取边缘主保险丝的尺寸（如图5）所示：长*宽1.0*0.6mm，中间菱形四边副保险丝尺寸：长*宽0.25*0.25mm；按照《IEC60252-1：2013》5.16.4进行防爆试验，试验结果不合格，主要是容值降不到初始值的1%以下且产品外观发生爆裂（如图6）所示；解剖主保险丝有少部份未断造成电容器芯子在高电压下击穿，中间保险丝也有极少部份保险丝未断开；由此可确定主保附丝的尺寸太大，使保险丝断工需要的能量大于薄膜击穿的能量，需要调整尺寸大小。图5网状膜保险丝尺寸图6防爆试验后产品外观爆裂方案二：基于方案一不合格，调整边缘保险丝尺寸为：长*宽0.8*0.6mm，中间副保险丝不变；再次做防爆试验，试验结果合格；用同批次合格样品进行按《IEC60252-1：2013》5.13.2进行耐久性试验（1.25*450Vac85℃600h）试验要求容量变化小于3%，结果显示容量变化一致性较差，有的甚致超出要求范围（如图7）所示。通过解剖试验后不合格品1#，发现芯子压芯面中间保险丝有大量断开（如图8）所示，此为容量变化大的主要原因。我们分析认为任何制造过程都是存在工艺的不一致性，尽管生产自动化规格较大，然而在其生产过程中总存在一些误差，因此，金属化保险丝的宽度不可避免的存在一些误码差，这此误差影响安全膜防爆电容顺的可靠性。同样，在生产电容器的过程中压芯压力过大，对保险丝也会造成损伤，通电后保险丝提前断开。为排除这种可能性。为了验证，采用同一批生产的安全膜重新制作芯子，调整热压压力，将原来1.2mpa减小到1mpa还是同样一批网状膜进行验证。防爆试验仍合格，耐久性数据有明显改善，但仍有少数产品容量衰减。经过解剖不合格品发现仍是中间保险丝有较多断开。试验表明，中间保险丝对耐久试验影响致关重要，此次试验表明副保险丝尺寸：长*宽0.25*0.25mm满足不了耐久性试验要求。必须再调整副保险丝尺寸进行验证。图7方案二耐久性数据图81#电容器耐久性试验后解剖方案三：调整副险丝尺寸为：长*宽0.4*0.25mm，再次进行耐久性试验（1.25*450Vac85℃600h），结果合格（如图9）所示；同时用同批次样品进行防爆试验也是合格的。也就是说，此次保险丝尺寸的调整能达到标准要求。图9方案三耐久性试验数据3.3本章总结安全膜保险丝的设计原理是：边缘保险丝希望在防爆试验时全部动作断开最终电容器容量降到初始容量的1%以下；而中间保险线是作为辅助作用，即使边缘保险丝在防爆试验时少数没有动作，而临近它的中间保险丝及时动作从而也能将容量降到初始值的1%以下。但是，在耐久性试验时我们又不希主、副保险丝动作。因此，只能通过反复验证，才能找到保险丝的最佳尺寸组合。我们在研究初期，对十几种保险丝尺寸进行了逐一验证，不同的网膜搭配方式等都有不同效果，而上述尺寸的搭配只是众多方案中的一种。4结论本文从安全膜保险丝尺寸对电容器可靠性、防爆性能的影响，及层间气隙对电容器的影响，并浅析了如何提升电容器的可靠性。并从一种形状的安全膜保险丝尺寸进行了试验，由于安全膜电容器的可靠性影响因素还有很多，特别是安全膜保险丝尺寸的设计及安全膜的开状，以及网格大小，都能决定电容器的寿命与安全性，两者是相互制约的矛盾体，而且不同网状的图形，主保险丝与副保险丝尺寸的设计均有不同；压芯压力的大小、网膜的搭配对电容器的防爆性能及寿命均有在同程度的影响，而且没有统一的方案，生产工艺的影也是不可忽视的重要因素。但我们只能在同一生产工艺前提下，针对不同的保险丝尺寸、保险丝的形状、以及不同保险丝的搭配方式进行验证，而开展这些工作的研究均是为了找到电容器寿命、安全性、自愈性三者都符合试验要求为前提，并能应用于实际生产，因此需要经需要进一步的验证及研究。参考文献吕霏.《层间空气对金属化膜电容器工作特性影响的研究》2012年1月6日文中2.1.1引用陈忠友.《金属化膜电容器可靠性研究进展》基层建设2019年第6期文中1.2、2.1.2引用引用《IEC60252-1：2013》中耐久性试验条款文中2.1.22.3.1引用引用《IEC60252-1：2013》中耐久性试验条款文中2.1.22.3.1引用王振东.《金属化薄膜电容器损耗的工艺研究》20081220文中2.11引用西安电子科技大学（技术物理学院）《电容器设计计》文中1.2、1.3引用许峰，高鹏.《金属化安全膜防爆电容器的防爆原理及发展概况》文中1.1引用胡仲霞.《安全膜电容器及其防爆机理》文中3.2.1引用附件：网络学院毕业论文独创性声明本人声明，所呈交的毕业论文系在指导老师的指导下本人独立完成的研究成果。论文中依法引用他人的成果，均已做出明确标注或得到许可。论文内容未包含法律意义上已属于他人的任何形式的研究成果，如果本论文有摘抄他人的研究成果，被他人追究责任，则本人负全部责任，与指导老师和学校无关。本人如违反上述声明，愿意承担以下责任和后果：交回学校授予的毕业证书；学校可以在相关媒体上对作者本人的行为进行通报；本人按照学校规定的方式，对因不当取得证书给学校造成的名誉损害，进行公开道歉；本人负责因论文成果不实产生的法律纠纷。论文作者签名：日期：年月日毕