高壓儲能電容器的絕緣性能缺陷研究

朱泉+朱春良+周鵬杰

摘 要 高壓儲能電容器是廣泛運用于脈沖功率系統的關鍵技術，其趨勢不斷朝著高儲能密度和縮減體積的方向發展，既需要提高儲能密度，又要保證輕量化、小型化生產的需求，也由此帶來了絕緣性能的安全隱患。目前國內出現許多服役期間的高壓儲能電容器頻頻出現絕緣性能缺陷的情況，極大地影響了脈沖功率系統工作的可靠性。

關鍵詞 高壓儲能電容器；絕緣；局部放電；空間電荷；缺陷

中圖分類號：TM533 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）02-0067-01

1 高壓儲能電容器在生產過程中的物理缺陷

1.1 高壓儲能電容器失效曲線

每一臺高壓儲能電容器在通過工廠的檢驗批抽取后，采用絕緣性能試驗來審查該批次產品的單批次性能，其缺陷率應符合下圖的“浴盆曲線”。其中，早期失效表示電容器在生產過程中就發生了裝配不當或者產生了其他因素的物理缺陷；隨機失效表示電容器在使用過程中遭到了人為破壞或不可抗力的硬損；疲勞性失效表示絕緣介質在服役期間因疲勞老化而導致的失效結果，也就是我們在下文要提到的導致高壓儲能電容器絕緣性能缺陷的三大影響因素。

圖1 失效率與壽命時間的關系

1.2 高壓儲能電容器的物理缺陷

高壓儲能電容器在工業化生產過程中，無可避免的會存在內部缺陷，這是最常見以及無法避免的缺陷，普遍的有組合介質薄膜帶有雜質缺陷會在電壓升高后首先擊穿該缺陷處，或是殘存的氣隙和氣泡處出現局部放電造成擊穿。高壓儲能電容器中的復合介質產生褶皺，還能極易導致電容器的早期膨脹。同時，在電容器制造過程中，采用浸漬劑真空凈化處理絕緣油中的水分和空氣時，抑或是在電容器外殼密封流程中，導致了摻入雜質或吸入水分的油隙缺陷，產生局部放電，嚴重地影響了使用性能而降低了產品的使用壽命，使得儲能電容器未完成服役期便逐漸劣化。

2 高壓儲能電容器的絕緣性能缺陷的影響因素

高壓儲能電容器因其工作方式對其絕緣性能造成的強烈局部放電、絕緣表面產生的空間電荷畸變、熱能量引起的絕緣介質老化以及物理應力下的材料表面破壞缺陷，都可以導致絕緣性能產生較大影響，以至于高壓儲能電容器的絕緣失效。現將造成高壓儲能電容器的絕緣性能缺陷原因，可分為三個因素。

2.1 電應力導致的絕緣性能缺陷

在外施電壓的作用下，高壓儲能電容器的絕緣介質表面和內部會產生表面電荷和空間電荷，其中空間電荷對內部場強的影響很大。根據高壓儲能電容器體積小和能量密度大的特點，高工作場強會不斷累積電荷，使得原有電場發生畸變，產生局部電場過強的現象，且存在一個惡性循環的是，當電荷的密度不斷增大，電場的分布畸變也就越嚴重，不光會導致絕緣介質加速老化，更有可能引起絕緣介質擊穿。根據文獻發現，PE（聚乙烯）在直流電壓下老化一定時間后，電極上的局部電場增加為外加電場的8～10倍。這種情況多出現在大脈沖放電的不斷沖擊作用時，造成電場突變，空間電荷突然脫陷，介質擊穿，高壓儲能電容器瞬間失去功效。

2.2 熱應力導致的絕緣性能缺陷

當高壓儲能電容器絕緣介質的電場強度不足以擊穿時，熱應力便成為了絕緣介質性能的主要影響因素。在電容器放電階段，高壓儲能電容器的工作電壓升高，脈沖電流對電容器的內部會產生局部過熱的現象。一旦高壓儲能電容器充放電的頻率過高，熱能就會迅速累積，促進絕緣材料的分解，降低了絕緣性能，加速了老化過程。但進行大脈沖放電存在一定的時間間隔，普遍為幾秒和幾十秒，熱應力的均勻分布和良好的散熱性能，相對于局部放電帶來的絕緣介質的危害要小得多，僅僅是對電介質局部有催化老化的影響。

2.3 機械應力導致的絕緣性能缺陷

機械應力指的是，在電容器的放電階段，高壓儲能電容器表面的絕緣材料在承受了外部的機械應力作用下，產生了對絕緣材料的伸縮、震動及受力不均的影響，導致了絕緣材料分子結構上的絕緣缺陷，如介質松弛、出現皺紋褶皺，可能造成該部分絕緣性能缺陷，而機械應力的作用是一種重復產生的效果，影響了絕緣介質的疲勞和裂紋的形成過程，起到了催化老化和擴散裂痕的作用，讓絕緣材料產生缺陷導致老化或擊穿的結果。這樣一來，空間電荷在絕緣缺陷部位發生畸變，使得局部放電就更容易發生了。

3 小結

高壓儲能電容器是廣泛運用于脈沖功率系統的關鍵技術，其趨勢不斷朝著高儲能密度和縮減體積的方向發展，既需要提高儲能密度，又要保證輕量化、小型化生產的需求，也由此帶來了絕緣性能的安全隱患。目前國內出現許多服役期間的高壓儲能電容器頻頻出現絕緣性能缺陷的情況，極大地影響了脈沖功率系統工作的可靠性。

本文圍繞高壓儲能電容器的絕緣性能在服役期間產生缺陷的因素展開研究，總結以上因素，得出高壓儲能電容器的絕緣性能缺陷是由于出廠結構缺陷、電應力、熱應力、機械應力在電容器絕緣介質內部形成的電弱點，導致了局部放電和空間電荷的產生，加速了絕緣材料的老化和疲勞，促使高壓儲能電容器絕緣失效的結果。

參考文獻

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作者簡介

朱泉，男，漢族，廣西博白人，助理工程師，本科，學士，研究方向：電力系統及其自動化。endprint