对金属化电容器自愈性能的分析

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
1.1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Rt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—8mm2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1.4～4.5Ω/□范围内，在常压及400V条件下自愈时间约为10～20μS。外施电压高时对应的自愈恢复时间长。

1.2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Io.C.qaTUHAH等人[2]通过解析运算推出了如下的表达式：
r=0.67nroLnb/R
h=4.2×10-7W2d 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
ro－－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，ro=3，则r在%。47～9。26Ω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。
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