金属化膜脉冲电容器若干问题的研究

论文摘要

金属化膜电容器是脉冲功率系统的关键元件之一,本文以金属化膜脉冲储能电容器为主要研究对象,对如何提高金属化膜电容器的储能密度以及探索其在实际中的应用进行了深入地研究。本文首先阐述了脉冲功率和脉冲电容器的发展状况。通过试验研究了金属化膜电极的自愈特性,研究结果表明:外电路的注入的电流大小对混合电极电容器的自愈特性影响较大;混合电极电容器存在一定的自愈性能,但与金属化膜电容器相比其自愈能力较弱;自愈点直径随工作电压的增加而增加,电压达到一定值时,有新自愈点出现;同一自愈点连续发生几次自愈时,自愈电压、自愈能量和自愈电流随次数增加而增加;对于混合电极电容器,可在较低的工作场强下实现可靠的自愈,从而提高电容器的安全性。采用液体具有表面张力模型对金属化膜层间压强进行了理论计算分析,结果表明:电容器的层间压强由里向外是递减的,热处理对膜电容器层间压强影响很大。通过单片膜试验研究了压强对自愈过程的影响。试验结果表明:自愈能量和自愈直径随压强增加而减小,这与自愈模型的理论分析相符合。通过解剖电容器元件,发现电容器内部压强对金属化膜自愈特性的影响与压强对单片金属化膜自愈特性的影响相似。采用两种脉冲电流试验方法对熔丝的断开特性进行研究,试验表明:聚丙烯膜厚度对熔丝断开的能量影响不大;方阻值对熔丝断开能量影响较大;金属化膜熔丝断开能量随放电时间的增加而减小。根据脉冲放电后熔丝断开最高温升的计算表明:熔丝表面最高温升与熔丝阻值,熔丝放电时间有关;当熔丝放电时间很短时,熔丝表面温升可达到铝的熔点,熔丝的断开是由于聚丙烯熔化或金属层熔化,使熔丝产生裂纹,发生击穿放电使金属层蒸发而引起。当熔丝的放电时间达数μs时,熔丝最高温升小于聚丙烯熔点,此时熔丝的断开是由于电流热效应使聚丙烯层收缩,金属层膨胀,两者之间的作用力导致金属层产生裂纹,裂纹处发生沿面击穿放电使金属层蒸发而引起。实验研究了重复频率条件下电容器温升的影响因素,模拟计算了电容器单次放电能量、单次放电最高温升、稳态表面最高温升、稳态内部温升分布及元件高度对内外温升的影响。实验研究表明:电容器表面最高温升随线电流密度的增加而增加,随频率的线性增加;油的对流散热能显著降低电容器的温升;单次放电温升很小:稳态内部最高温升与电容器内径的大小有关;电容量和峰值电流不变的情况下,其内外温差随元件高度的减小而减小。最后,采用热刺激电流方法研究了直流注入和陡脉冲注入对PP膜空间电荷的影响,研究结果表明空间电荷与脉冲上升沿相关性不大,但与极化场强、极化时间有关,热刺激电流的理论也证实了这一点。因此,研究陡脉冲注入对空间电荷的影响,需要改进试验方法,研制新的陡脉冲电源和采用新的空间电荷的测量方法。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 脉冲功率技术的发展
• 1.2 脉冲功率系统及其对电容器的需求
• 1.3 论文的主要工作与章节安排
• 2 金属化膜电极自愈特性研究
• 2.1 金属化膜电容器的自愈过程及影响因素
• 2.2 混合电极电容器的自愈过程
• 2.3 试验装置
• 2.4 试验结果及分析
• 2.5 本章小结
• 3 压强对金属化膜电容器自愈特性影响的研究
• 3.1 膜电容器层间压强计算
• 3.2 压强对自愈性能影响的试验研究
• 3.3 本章小结
• 4 安全膜的熔丝特性研究
• 4.1 熔丝在金属化膜电容器中的作用
• 4.2 四种常见的安全膜
• 4.3 脉冲电流熔丝特性的试验研究
• 4.4 本章小结
• 5 重复频率工作条件下金属化膜电容器特性研究
• 5.1 重复频率下金属化膜电容器的温升
• 5.2 试验装置
• 5.3 重频试验内容的研究
• 5.4 重频工作下条件下电容器的失效机理的分析
• 5.5 重复频率试验结果的理论分析
• 5.6 本章小结
• 6 陡脉冲注入对PP膜空间电荷的影响
• 6.1 介质击穿中的空间电荷效应
• 6.2 试验装置及试验内容
• 6.3 试验结果及分析
• 6.4 本章小结
• 7 全文总结
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读博士学位期间发表的论文目录