金属化膜电容器可靠性研究进展

金属化膜电容器可靠性研究进展

陈忠友

身份证号码：34252419711016XXXX；宁国市裕华电器有限公司宣城宁国242300

摘要：中国现代化工业的迅猛发展，对相关电力设备（如电容器等）的性能和稳定性、可靠性提出了更高的要求。干式金属化膜电容器是一种安全性与稳定性较好的电容器，近来研究较为广泛，特别是针对其运行可靠性的研究成为热点问题。本文综述了多年来金属化膜电容器可靠性方面的研究工作，涉及材料老化、金属化膜自愈等方面，针对金属化膜的自愈机理及应用、材料老化的机理及寿命评估模型等关键问题进行了深入的探讨，为电容器的可靠性优化设计提供理论依据，为相关工程技术人员提供运维参考。

关键词：金属化膜；电容器；可靠性；进展

引言

随着我国现代工业和国防科技的发展，大容量电容器在直流输电网、新能源并网、混合动力汽车等方面的作用越来越重要。高性能电容器件的开发已成为电气工程领域的迫切需求。早期的电容器多是箔式结构，20世纪50年代，金属化膜电容器因其特有的自愈性等优势开始得到应用并迅速发展，逐渐取代传统的箔式电容器。金属化膜电容器相较于铝电解电容器和超级电容器，具有耐电压等级高、可靠性强（自愈性能）、损耗低、维护成本低等优点，是高性能大容量电容器的新兴发展方向。传统金属化膜电容器多为油浸式电容器。金属化膜电容器在运行过程中会发生自愈以及老化现象，造成其性能的逐渐下降，最终导致设备的故障及失效，影响系统的安全稳定运行，因此金属化膜电容器的可靠性问题是相关领域研究的重要课题。本文针对金属化膜电容器的自愈和老化两个方面，综述了多年来国内外专家学者的相关研究工作并进行了提炼归纳，为电容器的性能提升、改进设计提供参考。

1金属化膜自愈特性

明确金属化膜电容器自愈的物理机理，对于金属化膜进一步的设计、改进等具有重要意义。目前金属化膜自愈方面的研究主要集中在自愈的能量、电流的幅值、持续时间、蒸发面积、电弧产生与熄灭机理和影响因素等。普遍认为，金属化膜电容器自愈是否成功关键在于自愈过程能量的大小。适中的电弧能量是自愈成功的关键，过大的能量可能引发贯穿性的电容器短路，过小的能量可能使电极蒸发不完全，导致连续的放电或电晕。优异的自愈性能是金属化膜可靠工作的必要保证。自愈成功的关键是自愈能量的大小。Tortai等人建立了自愈热力学模型，用以解释自愈过程中击穿处介质发热、电弧形成、电极蒸发和电弧熄灭等过程。国外学者一系列自愈研究结果表明，影响金属化膜自愈的因素包括薄膜材料、电容量、电极厚度、层间压强、外施电压和热定型工艺等因素。

自愈能量可表示为

式中：Ub为击穿电压，C0为电容量，β为方阻，f（P）为层间压强的函数，α1、α2、k为系数。笔者通过大量自愈性能模拟测试，得出如下研究结论：1）自愈能量与电极方阻的二次方成反比。由于方阻越大，金属电极越薄，薄膜电弱点击穿瞬间需要较小能量维持自愈电弧燃烧。2）当电极方阻一定时，自愈清除的电极面积与自愈能量呈正比关系。自愈能量越大，自愈过程中蒸发的电极面积越大。3）随着压强增大，自愈能量逐渐减小。当压强大于200kPa，自愈能量小于10mJ；继续增大压强，自愈能量维持较小值。4）随着击穿电压增大，自愈能量增大。自愈性能是电容器可靠性的决定性因素。为提高电容器的性能，降低自愈能量，可采取的主要措施有：增大电容器层间压强、提高金属化膜方阻、优化热定型工艺等。

2老化与寿命预测

2.1老化方式

目前，金属化膜电容器中已明确造成早期老化的原因有4种，分别是赋能不当、电极腐蚀、局部放电和喷金不良。任意一种原因都可能导致电容器的加速老化，提早失效。赋能不当是指当金属化膜的电弱点太多或者金属层电极太厚，就有可能导致金属化膜在赋能过程中自愈不良或电弱点未能完全剔除，在正常工作电压下运行时可能再次发生连续击穿，从而产生大量热量最终导致电容器失效。通常这种老化形式会导致电容器在短期内损坏。

最早发现，铝电极金属化膜在高电应力下出现了半径约1~3mm的透明圆形，并证明了该处铝氧化形成了氧化铝，且介质膜表面未发生破坏。极薄的电极金属材料在电场和间隙中的氧气或水蒸汽共同作用下会发生电化学反应，造成电极腐蚀，为提高自愈性能而降低金属层电极厚度后，这种腐蚀的影响会更大。进一步的研究发现，铝电极的腐蚀不仅会造成电极面积的损失，还会引起金属层与基底介质间距离增大，导致电容量下降。在此基础上，针对电容器在直流叠加纹波电压的工作条件下，进行了电容器电极腐蚀老化试验分析，认为在相同的纹波电流下，当施加的直流电压较低时，直流电压对老化作用不明显；当施加的直流电压与额定电压相当时，两者对电容器的电极腐蚀老化有明显的加速作用。当电容元件薄膜层间压力过低时，会导致电容器局部放电，局部放电会造成金属层电极烧蚀、介质老化耐压下降，最终导致大幅度的电容量下降，甚至电容器击穿短路。电容器应用于脉冲放电时，如喷金质量不好会造成喷金层与金属化膜边缘的接触松动或脱离，在大电流作用下端部会发热，温升过大将进一步导致薄膜收缩脱离。

金属化膜电容器的老化主要受两个因素影响，为工作的电压和温度，之外还有湿度、机械应力、辐照等等众多因素。在寿命预测试验中，常研究单一变量，例如电应力水平或热应力水平对老化状态的影响。然而，仅研究单一变量的作用较难正确反映电容器工作中的老化情况。在寿命试验中同时研究多种老化因素的作用，可以更好地反映真实的老化状态，但是选用的应力因素增多会带来试验的复杂性增加，同时多因素的联合作用使得试验的分析与预测变得十分困难。

研究结果表明，电压和温度对金属化膜电容器的寿命起主要决定作用。在高电场作用下，镀层电极可能发生腐蚀老化，介质材料会形成新的弱点，并发生局部击穿。在高热应力下，由于一些低温下不活泼的化学反应在高温下被热激活，这种能量超过化学键活化能时，可能导致聚合物介质的化学结构发生变化甚至降解。一般认为，温度每升高8℃，电容器的寿命将降低一半。研究发现，当谐波幅值与基波相当时，谐波对电容器老化的作用相当明显，此时老化的主要因素为电压峰值、电压有效值和波形的上升沿。文献[20]通过寿命试验发现，多元件组成的电容器寿命要比单一元件的寿命低，而且包含元件数量越多，寿命越短。

2.2寿命预估

目前对于金属化膜电容器老化的研究，集中在基于试验数据的概率统计模型分析，用来预测电容器的寿命。传统的寿命预测模型主要包括最小二乘模型和威布尔分布模型，新型的预测模型有基于物理概率过程的性能降级模型，如Birnbaum-Saunders分布模型和泊松分布模型等。最小二乘模型仅适用于电容损耗均匀稳定的场合，因此无法分析电容器的终生可靠性；威布尔分布模型在可获取大量的寿命周期实验数据时效果最好，但只能预测器件的终止寿命而不涉及其电容损耗过程。性能降级模型充分利用了电容损耗特征数据，可以反映电容器老化过程中的性能变化。

结语

本文从金属化膜电容器的结构、自愈和老化的角度综述了其研究进展。经过数十年的发展，金属化膜电容器性能得到了长足的提升，这离不开对科学机理的研究与工程应用的结合。尽管如此，如何进一步的提高电容器的工作电压、储能密度和可靠性，以及如何对电容器进行在线的状态评估等方面，还需要进一步的研究开发。

参考文献

［1］陈启明，王端，宋耀东，等.HVDC用干式直流滤波电容器通流性能研究[J].电力电容器与无功补偿，2016，35：36⁃40.

［2］陈才明，贾德星，朱一元.干式无油化结构是自愈式电容器的发展趋势[J].电力电容器与无功补偿，2016，35（4）：1⁃4.

［3］李化，李智威，黄想，等.金属化膜电容器研究进展[J].电力电容器与无功补偿，2017，36（2）：1⁃4.