接触不良对CBB电容耐久性实验的影响

杨金萍 姚元杰

（珠海格力电器股份有限公司 珠海 519070）

引言

在能源结构调整的大背景下，能源储存和转换的器件成为工业制造业关注的焦点。金属化聚丙烯电容器（以下简称CBB电容）因其体积小、容量大（最大容量可达接近百微法）、高频性能稳定、击穿后自愈能力强等优质质量性能，多用于交流电机启动，广泛应用于空调、电风扇、洗衣机、发电机等电器上作启动或运转，在工业制造业中处于不可替代地位。CBB电容属于有机介质电容，采用高真空蒸镀技术，以聚丙烯薄膜为载体，蒸镀一层金属膜作为电极[1]，如图1，是以聚丙烯薄膜为介质制成的一种负温度系数（即温度升高时，其容量变小）的无极性电容器。

图1 聚丙烯薄膜的结构

CBB电容在进行耐久性实验时，易出现接触不良情况。由于耐久性实验需全程处于工作状态，且实验时间长，中若途出现接触不良情况会直接导致实验结果失真，需更换测试样品，重新进行实验。对于使用CBB电容作为零部件进行工业生产的企业来说，一旦在耐久性实验中出现接触不良情况，无疑增加了重复实验的时间成本和物力成本，尤其对于批量生产的企业来讲，更有影响生产进度的风险。本文通过模拟CBB电容在耐久性实验中常见的接触不良情况，观察各阶段实验数据，解剖实验样品，探究内部聚丙烯薄膜的自愈点变化，深入分析在接触不良产生异常电场和温场的联合作用下，如何影响CBB电容的耐久性实验结果。

1 CBB电容耐久性实验原理

耐久性实验通过模拟CBB电容作用于单相交流风扇电机启动和运行的实际工作情况，测试电容器长时间工作后能否保持其性能及稳定性，对确保电子设备的可靠性和使用寿命至关重要。电子设备的长期使用可能会导致内部电容器老化和失效，CBB电容内部金属化聚丙烯薄膜大面积击穿、无法自愈时电容器将失容，击穿时伴随能量转换，内部化学能转成热能，严重时会发生爆裂，影响设备的性能和电气安全[2]。根据电容器耐受的实验条件及时间可划分寿命等级，国标GB/T 3667.1-2005《交流电动机电容器》中明确要求。

2 接触不良对CBB电容耐久性实验的研究

除CBB电容自身性能问题，如金属化聚丙烯薄膜表面有油污附着等，外界因素也会直接影响实验结果失真。本文通过模拟实验中常见的接触不良现象，以探究接触不良对CBB电容耐久性实验结果的影响。

由表1可知，寿命等级在C类以上的电容耐久时间需达到600 h，但长时间试验不能适应批量来货和生产投入的实际情况。为降低电容耐久性试验时间，通过试验、分析，所得代替方案如下：针对本次实验的CBB61系列风机电容，在温度为80 ℃的烘箱中,试验设备的温度偏差为（-1～2）℃，在1.35倍额定电压和额定频率下经规定加速寿命时间268 h，电压偏差为±2 V，不发生永久击穿、断开或闪络，通过对比试验前后的电容量差值△C来判定实验结果，△C≤ 3 %即为合格。

表1 交流电动机电容的寿命等级划分

1）选取同规格电容10只，以并联的方式通过导线焊接起来，其中，最后一只电容（测试样品）只对一引出端进行焊接，另一引出端未焊接在导线上，呈半接通状态，如图2。

图2 准备实验样品

图3 初测焊接的9个电容总容量

图4 初测单个未焊接样品的电容量

图5 模拟接触不良现象

图6 复测焊接的9个电容总容量

2）测量焊接的9只电容总容量13.799 4 μF，测试单个未焊接电容的容量1.546 39 μF。

3）按电容耐久实验标准要求，由交流电源供电，通上1.35 Un电压（608 VAC）。

4）将测试样品未焊接上的引出端与对应的带电导线进行接通与断开的多次操作，以此模拟接触不良现象。

5）再次测量焊接在一起的9只电容的总容量（13.802 1 μF）与测试样品的单个电容量（9.742 nF）。电容的单位换算：1 F（法拉）=1×103mF（毫法）=1×106μF（微法）=1×109nF（纳法）=1×1012pF（皮法），测试样品容量已大幅衰减，降至测试前的0.63 %，而其余电容的总容量基本未发生变化。

6）解剖测试样品，观察内部金属化薄膜，可见9个接触良好的CBB电容保险丝未断裂（图7灰框位置），单个接触不良的CBB电容芯体安全膜内其中一侧芯体端面连接到安全膜网格的主保险丝出现大规模断开现象（图8灰框位置），安全膜网格间的保险丝完好，安全膜内未见明显的自愈点。

图7 复测单个未焊接样品的电容量

图8 接触良好的CBB电容剖面

图9 接触不良的CBB电容剖面

3 实验结果分析

本文基于对CBB61系列电容的耐久性实验，研究了实验中常见的接触不良现象对CBB电容耐久性实验的影响，结论如下：

接触不良引发过高峰值的脉冲电流，导致电容内部保险丝断裂，聚丙烯薄膜的有效面积减少，电容值减少。由实验可知，单个电容未通电，接通后其余电容放电对其充电，多重充电产生瞬时峰值过大的脉冲电流，单个电容为防止受到大电流冲击，内部保险丝断开。保险丝连接金属聚丙烯薄膜，薄膜有效面积的大小决定电容值大小[3]，保险丝断开后薄膜间断路，薄膜完好但有效面积骤减，导致电容容量大幅衰减，同时可见其余接触良好的电容容量并未影响（不会受到测试样品接触不良产生电流脉冲影响）。

接触不良产生脉冲电流，高强度高频率的瞬时电荷在电容器内部积累，导致电容器极板之间的电位差和电场强度增加，损伤CBB电容内部结构，增加电容量损耗。在薄膜电容器内部，金属化薄膜与喷涂金属间的通过铝颗粒连接，以Al为蒸镀金属层，其附着力较好，制程易于控制[4]。Al表面氧化生成Al2O3，其结构致密，可大大延缓内层继续氧化，因此镀铝金属化薄膜长时间存放或使用，其电特性参数不会因氧化而改变。但制成的电容器在交流高压大电流下工作，尤其在电场强度过大的边缘部分，Al2O3会因电场强度过高而出现击穿现象[5]，导致金属化聚丙烯电容器内部损伤，电容量损耗快速增大。

接触点的接触电阻和脉冲电流大，产生较高热能以至于金属薄膜无法将热能消耗掉，加速金属聚丙烯薄膜老化。当电容遇到脉冲电流，根据焦耳定律，表达式如下：

式中:

Q—接触不良时产生的热量；

I—脉冲电流；

R—接触电阻；

t—接触不良的时间。

连接区域产生热能，导致金属化薄膜与喷涂金属连接区域的温度升高[6]，电容器本身存在温度系数，在规定环境温度范围内，电容量随温度升高而降低。

接触不良除对电容容量直接影响外，其引起信号传输中反射和散射增加，导致线路中物理耦合效应增强，间接影响电容耐久性实验结果。若接触不良严重，会导致电路完全中断或信噪比明显下降[7]，大幅增加CBB电容的等效串联电阻和串联电感，破坏电容性能，导致耐久性实验结果失真。

4 结论及展望

排查实验仪器、实验方法和实验流程，CBB电容耐久性实验中接触不良的原因可分为两大类：①焊接不良，把测试样品焊接成完整电路时，引脚处有焊料缺失、虚焊情况，为避免该因素引起实验中的接触不良，可在焊接完成后借助万用表测试电路的导通情况，若导通异常，可复测单个CBB电容，在实验开始前即可发现问题，避免实验开始后对实验结果造成影响；②测试仪器的夹具未夹稳，测试值不准确，该因素可通过多次测试取均值来降低对实验结果的影响。

国务院总理李克强在中国实施制造强国战略的第一个十年行动纲领《中国制造2025》中指出中国制造业大而不强的特点，强调了质量效益的重要性。CBB电容作为储能、换能元器件，因其体积小、质量轻、质量性能稳定，在工业制造业领域具有不可替代的优势。耐久性实验作为评判CBB电容质量性能的重要标准，需保证实验结果的准确性与可靠性，以使其优越的质量性能发挥最大的质量效益。