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对金属化电容器自愈性能的分析 (1) 摘要：近两年我国电力电容器制造行业已在低压电容器制造领域推出了金属化 产品来取代原有的油浸纸质产品。金属化电容器的显著特点就是具有所谓的 “自愈性”，即在介质击穿时击穿点能像伤口愈合一线瞬时恢复绝缘性能…… 关键词：金属化电容器 自愈性能分析 近两年我国电力电容器制造行业已在低压电容器制造领域推出了金属化产品来 取代原有的油浸纸质产品。金属化电容器的显著特点就是具有所谓的“自愈 性”，即在介质击穿时击穿点能像伤口愈合一线瞬时恢复绝缘性能。由于具有 这种宝贵的自愈性能，金属化电容器能采用极薄的单层薄膜介质。这样电容器 就能采用很高的工作电场强度，因而电容器的体积和重量都大大减小。但自愈 是有一定限度的在某些场合下，自愈性能的丧失就会导致电容器的故障。因 此，了解金属化电容器的自愈性能对于产品的设计和使用都是重要的。下面我 们分析以下金属化电容器在发生击穿时的自愈过程以及影响该过程的诸因素。 1、自愈过程的分析 自愈过程的描述 请参看图1a、b、c,介质由击穿到绝缘恢复的全过程可分步描述如下： 第一步：发生击穿 电容器在外施电压作用下由于介质中的杂质或气隙等弱点的存在或发展引起介 质击穿形成导电通路； 第二步：接着在导电通路处附近很小范围内的金属层中流过一个前沿很陡的脉 冲电流。邻近击穿点处金属层上的电流突然上升，按其离击穿点的距离而成反 比分布。在瞬刻t，半径为R的区域内金属层的温度达到金属的熔点，于是在 此范围内的金属熔化并产生电弧。该电流引起电容器释放能量，在弧道局部区 域温度突然升高，压力突然增加。 第三步：绝缘恢复 随着放电能量的作用，半径为 Rt的区域内金属层剧烈蒸发并伴随喷溅。在该区 域半径增大的过程中电弧被拉断，金属被吹散并受到氧化与冷却，最后破坏了 导电通路，在介质表面形成一个以击穿点为中心的失掉金属层的圆形绝缘区 域。如此自愈过程即告完成。 失掉金属层的圆形绝缘区域称作自愈晕区，其面积通常在 1— 8mm的范围内。 典型的自愈晕区处型如图 2所示。还需指出晕区金属层的蒸发不是靠弧道释放 的热量而是靠电流通过金属层直接发热的。在自愈过程中电流是沿介质表面在 气体媒质中通过的，整个过程进行很快。据研究 ［1］，当极板表面电阻在1.4? 4.5 Q / □范围内，在常压及400V条件下自愈时间约为10?20卩S。外施电压高 时对应的自愈恢复时间长。 电容器内发生自愈时的等值电路 自愈过程中电容器的等值电路如图 3所示。图中击穿点S模拟放电通道及附近 的两个极板上的金属层蒸发的区域； c、r 、h 则代表电容器完好部分的饿等值 参数。 S可看作是一个非线性有功元件，它在某一瞬间的静态与动态电阻不仅与此刻 的饿电流、电压有关，而且和先前的过程有关。 S上的电压在自愈开始时由电 容器极板上的起始电压值很快将到 O,然后在比较缓慢地依指数规律上升直到 自愈结束。自愈过程进行得很快，电容器上的电压 Uc还来不及下降，所以外电 路的影响可不考虑。 关于发生自愈时电容器等值回路的参数 r、L计算lo.C.qaTUHAH等人［2］通过解 析运算推出了如下的表达式： r=0.67nr oLnb/R -7 2 h=4.2 X 10 W Lnb/R 式中：W-—元件圈数 b——极板宽度 d--介质厚度 n——等于1或2的系数，指单面或双面金属化纸 r o--极板表面电阻 R——自愈晕区半径 我们可以推算一下，若 b=100mm R=1?4mm r°=3，贝U r在% 47?9。26 Q的 范围内。 IO.C. qaTUHAH等人进行的计算与实验还表明当r径为最大。自愈晕区半径 R 与电极表面电阻的关系示图 4。 2、影响自愈过程的诸因素 2.1 外施电压对自愈的影响 为了实现自愈必须在围绕击穿点处有一定的能量作用形成去掉金属的圆形区 域。但如释放的能量太多，临近的介质就会遭受破坏而引起新的击穿，如此发 展下去就会导致介质反复击穿从而使击穿点处介质烧灼结瘤和自愈失效。可见 为了获得足够的自愈晕区并使临近的介质不致受到损伤，自愈放电能量必须控 制在一定的范围内。自愈区耗散的能量是影响自愈性能的一个重要参数。 H.Heywang[3]经过一系列的测试发现自愈能量与外施电压的 4次方成正比，即 Ea U4 Shaw D.G[1]用表面电阻为1.4 Q的双面金属化纸样品在常压下试验求得放电量 与外施电压（400?1000V范围内）的关系为： Ea U4.7 两者的结果是相当接近的。此外，相应于不同的自愈能量会形成大小不同的晕 区面积，有的研究者则从晕区面积的大小与外施电压的关系来研究自愈性能。 H.A.Topomuh[4] 经研究得到电容值不同时锌金属化纸电容器的自愈区面积与外 施电压的关系，结果如图 5 所示