高压储能电容器的绝缘性能缺陷研究

朱泉+朱春良+周鹏杰

摘 要 高压储能电容器是广泛运用于脉冲功率系统的关键技术，其趋势不断朝着高储能密度和缩减体积的方向发展，既需要提高储能密度，又要保证轻量化、小型化生产的需求，也由此带来了绝缘性能的安全隐患。目前国内出现许多服役期间的高压储能电容器频频出现绝缘性能缺陷的情况，极大地影响了脉冲功率系统工作的可靠性。

关键词 高压储能电容器；绝缘；局部放电；空间电荷；缺陷

中图分类号：TM533 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）02-0067-01

1 高压储能电容器在生产过程中的物理缺陷

1.1 高压储能电容器失效曲线

每一台高压储能电容器在通过工厂的检验批抽取后，采用绝缘性能试验来审查该批次产品的单批次性能，其缺陷率应符合下图的“浴盆曲线”。其中，早期失效表示电容器在生产过程中就发生了装配不当或者产生了其他因素的物理缺陷；随机失效表示电容器在使用过程中遭到了人为破坏或不可抗力的硬损；疲劳性失效表示绝缘介质在服役期间因疲劳老化而导致的失效结果，也就是我们在下文要提到的导致高压储能电容器绝缘性能缺陷的三大影响因素。

图1 失效率与寿命时间的关系

1.2 高压储能电容器的物理缺陷

高压储能电容器在工业化生产过程中，无可避免的会存在内部缺陷，这是最常见以及无法避免的缺陷，普遍的有组合介质薄膜带有杂质缺陷会在电压升高后首先击穿该缺陷处，或是残存的气隙和气泡处出现局部放电造成击穿。高压储能电容器中的复合介质产生褶皱，还能极易导致电容器的早期膨胀。同时，在电容器制造过程中，采用浸渍剂真空净化处理绝缘油中的水分和空气时，抑或是在电容器外壳密封流程中，导致了掺入杂质或吸入水分的油隙缺陷，产生局部放电，严重地影响了使用性能而降低了产品的使用寿命，使得储能电容器未完成服役期便逐渐劣化。

2 高压储能电容器的绝缘性能缺陷的影响因素

高压储能电容器因其工作方式对其绝缘性能造成的强烈局部放电、绝缘表面产生的空间电荷畸变、热能量引起的绝缘介质老化以及物理应力下的材料表面破坏缺陷，都可以导致绝缘性能产生较大影响，以至于高压储能电容器的绝缘失效。现将造成高压储能电容器的绝缘性能缺陷原因，可分为三个因素。

2.1 电应力导致的绝缘性能缺陷

在外施电压的作用下，高压储能电容器的绝缘介质表面和内部会产生表面电荷和空间电荷，其中空间电荷对内部场强的影响很大。根据高压储能电容器体积小和能量密度大的特点，高工作场强会不断累积电荷，使得原有电场发生畸变，产生局部电场过强的现象，且存在一个恶性循环的是，当电荷的密度不断增大，电场的分布畸变也就越严重，不光会导致绝缘介质加速老化，更有可能引起绝缘介质击穿。根据文献发现，PE（聚乙烯）在直流电压下老化一定时间后，电极上的局部电场增加为外加电场的8～10倍。这种情况多出现在大脉冲放电的不断冲击作用时，造成电场突变，空间电荷突然脱陷，介质击穿，高压储能电容器瞬间失去功效。

2.2 热应力导致的绝缘性能缺陷

当高压储能电容器绝缘介质的电场强度不足以击穿时，热应力便成为了绝缘介质性能的主要影响因素。在电容器放电阶段，高压储能电容器的工作电压升高，脉冲电流对电容器的内部会产生局部过热的现象。一旦高压储能电容器充放电的频率过高，热能就会迅速累积，促进绝缘材料的分解，降低了绝缘性能，加速了老化过程。但进行大脉冲放电存在一定的时间间隔，普遍为几秒和几十秒，热应力的均匀分布和良好的散热性能，相对于局部放电带来的绝缘介质的危害要小得多，仅仅是对电介质局部有催化老化的影响。

2.3 机械应力导致的绝缘性能缺陷

机械应力指的是，在电容器的放电阶段，高压储能电容器表面的绝缘材料在承受了外部的机械应力作用下，产生了对绝缘材料的伸缩、震动及受力不均的影响，导致了绝缘材料分子结构上的绝缘缺陷，如介质松弛、出现皱纹褶皱，可能造成该部分绝缘性能缺陷，而机械应力的作用是一种重复产生的效果，影响了绝缘介质的疲劳和裂纹的形成过程，起到了催化老化和扩散裂痕的作用，让绝缘材料产生缺陷导致老化或击穿的结果。这样一来，空间电荷在绝缘缺陷部位发生畸变，使得局部放电就更容易发生了。

3 小结

高压储能电容器是广泛运用于脉冲功率系统的关键技术，其趋势不断朝着高储能密度和缩减体积的方向发展，既需要提高储能密度，又要保证轻量化、小型化生产的需求，也由此带来了绝缘性能的安全隐患。目前国内出现许多服役期间的高压储能电容器频频出现绝缘性能缺陷的情况，极大地影响了脉冲功率系统工作的可靠性。

本文围绕高压储能电容器的绝缘性能在服役期间产生缺陷的因素展开研究，总结以上因素，得出高压储能电容器的绝缘性能缺陷是由于出厂结构缺陷、电应力、热应力、机械应力在电容器绝缘介质内部形成的电弱点，导致了局部放电和空间电荷的产生，加速了绝缘材料的老化和疲劳，促使高压储能电容器绝缘失效的结果。

参考文献

[1]M.H.El-hnsseini，P.Venet，G.Rojat，M.Fathallah.Effect of geometry on the aging of metalized polypropylene film capacitors.IEEE Annual Power Electronics Specialists Conference，Vancouver，Canada，2001，4：2061-2066.

[2]Tewen Zhang，J.LewinerJ，C.Alqui，N.Hanpton.Evidence of Strong Correlation between Space-charge Build up and Breakdown in Cable Insulation.IEEE Transaction on Dielectrics and Electrical Insulation，1996，3（6）：778-783.

作者简介

朱泉，男，汉族，广西博白人，助理工程师，本科，学士，研究方向：电力系统及其自动化。endprint