金屬化薄膜電容器極殼間局部放電研究

廈門法拉電子股份有限公司 黃俊聰

金屬化薄膜電容器極殼間局部放電研究

廈門法拉電子股份有限公司 黃俊聰

局部放電是影響電容器絕緣性能的重要因素，長期使用過程中還會影響電容器的使用壽命，尤其是對電壓較高的軌道交通行業(yè)而言更為重要。本文對局部放電的原理和過程進行了研究，并找出改善局部放電水平的方法。

薄膜電容（Film Capacitor）；局部放電（Partial Discharge）；軌道交通（Rail Transit）；帕申定律（Paschen Law）

1 引言

局部放電（Partial Discharge，PD，簡稱局放）是在電場作用下，導體間絕緣僅部分區(qū)域被擊穿的電氣放電現(xiàn)象。局放產生的擊穿并沒有貫穿施加電壓的導體之間，放電的幅度通常較小，單次放電產生的能量微弱，因此局放并不會影響絕緣體短期內的絕緣強度。但系統(tǒng)內絕緣長期存在局放時，內部局部的缺陷會慢慢擴大，絕緣強度逐漸劣化，日積月累，最終可導致絕緣被擊穿。局放對器件而言是一種隱患。

圖 1和圖 2列舉了局放引起的絕緣不良。可以看出電容大部分的絕緣情況仍然良好，但局部區(qū)域的絕緣已經遭到破壞。尤其是圖1，其底部局部區(qū)域的絕緣材料已經碳化，除了引起設備運行問題外，還可能導致漏電，甚至是電擊等人身傷害。因此電容器的局放性能應當引起足夠的重視。

圖1 局部放電引起絕緣材料局部碳化

圖2 局部放電引起側面絕緣下降

在高電壓、長壽命要求的場合，不僅僅要關注例行試驗時不能發(fā)生絕緣擊穿，也需要關注產品的局放性能。在目前薄膜電容器的各應用領域里，高壓輸配電和軌道交通行業(yè)對局放均有要求。我司與某軌道交通行業(yè)客戶合作進行電容國產化開發(fā)，鑒于局放對薄膜電容器的影響，特對其展開研究。

2 局放的過程

局放可分為氣隙放電、沿面放電、電暈放電、電樹枝放電等類型。其中對金屬化膜電容器的極殼間局放性能有影響的是氣隙放電。因此以下僅對氣隙放電進行討論。

圖3 局部放電類型

圖4所示是典型的含有氣隙的介質剖面圖，在分析時可以將其等效為圖 5三電容模型。利用這兩個模型可以對局放過程進行分析。

圖4 含有氣隙的介質剖面圖

圖5 三電容模型

其中：Cg是氣隙的等效電容，Cb是與Cg串聯(lián)的介質等效電容，Cm是其余其它部分的等效電容。

設電極間施加交流電壓值為u，計算Cg上的電壓ug為：

設氣隙g的擊穿電壓為Ug。氣隙上電壓ug隨著外部施加電壓u而升高，當ug達到Ug時（此時電壓u的數(shù)值記為Us），氣隙Cg發(fā)生放電。ug的數(shù)值從Ug瞬間下降到Ur，放電熄滅。稱Ur為殘余電壓。

放電火花一經熄滅，ug再次上升。此時外加電壓u仍在上升，ug也跟著上升。當ug再次達到Ug時，氣隙Cg再次發(fā)生放電，電壓再次下降到Ur，放電再次熄滅。

對應的電壓電流波形圖請見圖6。

圖6 局部放電時氣隙中電壓電流波形

從以上分析可以看出，一旦系統(tǒng)存在著條件使得氣隙上電壓ug達到擊穿電壓Ug，那么局放就會反復出現(xiàn)。

3 局放的測量

局放有多種測量方法，分為電測量和非電測量。電測量有脈沖電流法、超高頻檢測法，非電測量有光檢測法、超聲波檢測法等等。國標《GB/T 7354-2003 局部放電測量》推薦使用脈沖電流法。

從圖6可以看出，局放形成的瞬間，Cg上對應產生一個脈沖電流。仍沿用三電容模型對其進行分析。

當Cg放電時，總放電電容Cg’為：

Cg上的電壓變化為（Ug-Ur），因此一次脈沖放電放出的電荷為：

圖7 放電時的三電容模型

在進行實際操作時，公式（3）中各變量的數(shù)值都是無法直接測量的，為了得到能夠反應局部放電水平的數(shù)值，需要找到能夠直接測量的量。

外部施加電壓u同時也作用于Cm上，當Cg上的電壓ug變化（Ug-Ur）時，外部施加電壓的變化量△U為：

將式（3）代入式（4），可得：

與△U對應的電荷變化量為：

將式（5）代入式（6），即得：

△qr稱為真實放電量，由式（3）可知真實放電量是無法直接測量得到的。

△q稱為視在放電量，由公式（6）進一步得到：

式（8）中的CX即為絕緣體的總電容量，由于△U和CX都可以測量得出，故此△q也可以測量得出。又由式（7）可知，視在放電量△q的數(shù)值比真實放電量△qr的值要來得小。

視在放電量△q是局部放電試驗中的重要參數(shù)，其單位為pC，其中C是電量的單位庫侖，1pC=1×10-12C。

另有兩個重要參數(shù)為放電起始電壓和放電熄滅電壓。放電起始電壓是指外加電壓逐漸升高，能觀測到重復局放的最低電壓；放電熄滅電壓是指外加電壓逐漸降低到觀察不到重復局放的電壓。

采用圖 8電路對局部放電進行測量。

圖8 局部放電測量電路

圖9 局部放電測試儀

客戶需求共2個吸收電容。吸收電容又稱緩沖電容，用以吸收掉由母排雜散電感等引起的尖峰電壓，起到保護如IGBT等開關器件的作用。吸收電容在系統(tǒng)運行時存在較高的峰值電壓。

其中一個電容額定電壓為2500Vdc，容量為2×0.2μF，實際運行電壓峰值為1900Vdc。另一個電容額定電壓為2500Vdc，容量為2×0.02μF，實際運行電壓峰值為2200Vdc。

第一次試制樣品，對電容進行極殼間局部放電測試，得到數(shù)值如下：

表1 第一次試制樣品極殼間局部放電數(shù)值

測試數(shù)值與實際使用電壓比較接近，但仍不夠理想。為了進一步提高可靠性，對電容的局放性能進行了優(yōu)化。

4 局放的改善

如前面分析，局放產生的原因是絕緣體局部區(qū)域電場強度達到擊穿場強，因此改善局放的思路首先放在擊穿場強上。

帕申定律（Paschen Law）指出，均勻電場中氣體擊穿電壓是UB是氣壓P和氣隙距離d的乘積的函數(shù)，即：

其曲線如圖 10所示。

圖10 帕申曲線（Paschen Curve）

從曲線可以看出，擊穿電壓存在著一個最小值。以擊穿電壓最小值為界，無論P·d是增大還是減小，都可以提高擊穿電壓。

結合電容器的生產制作工藝，增加P·d是不切實際的。在電容器制造流程中有一道灌封工序，若增大氣壓P，則會造成灌封料內的氣隙無法順利排出，成品電容會存在較多氣隙，氣隙間隙d也會增大。這樣雖然P·d的數(shù)值增大了，但氣隙數(shù)量增加會影響電容器對外界環(huán)境因素的防護能力；且如上分析氣隙更容易被擊穿，增加了整個電容發(fā)生局放的風險，得不償失。

而如果減小氣壓P，則灌封時氣隙可以較充分地被排出，氣隙數(shù)量少，氣隙間隙d的值也小，P·d值減小，擊穿電壓也隨之上升。實際工藝操作過程采用真空灌封。

上述改善思路是通過改變P·d值來增大擊穿電壓，除此之外還可以考慮降低氣隙上的電壓。由式（1）可知，ug的數(shù)值與Cg和Cb有關，Cg難以直接控制，但改變Cb的值，也可以起到改變ug的效果。

電容器的計算公式為：

其中是相對介電常數(shù)，k是靜電力常量，S是兩極相對面積，d是兩極間距離。和k是常數(shù)，在氣隙形狀確定的情況下S也基本確定，但可以通過改變d來改變容量。若d減小，則C增大；反之若d增大，則C減小。

表2 第二次試制樣品極殼間局部放電數(shù)值

結合式（1）和式（10），可知等效電容Cb的值減小，將有助于改變氣隙的分壓，使得ug減小；而減小Cb的方法則是增大兩極間的距離。從電容器內部結構的角度考慮，盡可能地增大絕緣部分的厚度，就能減小氣隙分壓，從而起到改善局放的效果。

此外，電容器的灌封層和外殼屬于不同的材料，在兩者結合處較容易產生氣隙。若能增強二者的結合程度，則可減少氣隙，同樣能起到改善局放的效果。常見的方法有對外殼內壁進行處理、調整灌封料成分等。

如上分析分別從提高擊穿電壓、降低氣隙分壓、減少氣隙生成這三個方面來改善局放。按照如上所述思路，進行第二次樣品試制。再次對電容進行局部放電測試，得到數(shù)值如表2所示。

可以看出第二次試制樣品的局放水平有了較大幅度的提高，說明改善措施是行之有效的。

5 總結

本文從客戶實際應用的角度出發(fā)，針對局部放電這一影響長期使用壽命的隱患進行了研究，分析了局部放電的原理和模型，找到了提高擊穿電壓、降低氣隙分壓、減少氣隙生成等幾種改善局部放電性能的思路。利用理論指導電容器的設計和工藝改進。改進后的電容樣品局部放電性能良好，得到客戶的認可，也為軌道交通行業(yè)電容進一步國產化打下基礎。

[1]孫目珍.電介質物理基礎.[M].廣州:華南理工大學出版社,2014: 148-161.

[2]GB/T 7354-2003.局部放電測量[S].

[3]GB/T 25121-2010.軌道交通機車車輛設備電力電子電容器[S].

[4]李軍浩,韓旭濤等.電氣設備局部放電檢測技術述評[J].高電壓技術,2015,41(8):2583-2601.

黃俊聰（1983—），男，福建漳州人，廈門法拉電子股份有限公司技術部工程師，研究方向：薄膜電容器市場運用與研究。