空氣中的溫濕度對直流支撐電容器性能的影響

空氣中的溫濕度對直流支撐電容器性能的影響

0金屬化薄膜傳感器的應(yīng)用直流器是重要的變流裝置之一，用于穩(wěn)定和過濾，并提供可執(zhí)行的能量交換服務(wù)，如負載和電池。金屬化薄膜電容器相比電解電容器主要有以下優(yōu)勢：高電壓、耐高溫、紋波電流大、小體積和長壽命等。目前，在軌道交通、柔直工程、新能源等領(lǐng)域廣泛選用金屬化薄膜的直流支撐電容器目前國內(nèi)外學者關(guān)于空氣濕度對電容器性能影響的研究，主要集中在壽命、可靠性等方面金屬化薄膜電容器生產(chǎn)過程中需要對空氣濕度進行控制，但這方面生產(chǎn)工藝研究比較少。為此，有必要研究空氣濕度對直流支撐電容器元件性能的影響。本文介紹直流支撐電容器生產(chǎn)工序，介紹生產(chǎn)工藝中的空氣濕度控制，通過試驗分析生產(chǎn)過程中不同相對濕度下直流支撐電容器元件性能的差異，對直流支撐電容器生產(chǎn)工藝中濕度的控制具有良好的指導意義。1干法直流支撐電容器生產(chǎn)技術(shù)根據(jù)填充的絕緣介質(zhì)，直流支撐電容器分為油浸式、干式兩類。目前，除了機車、動車等變流器還采用油浸式電容器結(jié)構(gòu)直流支撐電容器生產(chǎn)工藝流程見圖1。油浸式直流支撐電容器生產(chǎn)工序包括：卷繞、噴金、熱聚合、賦能、焊接、電容器組裝、真空浸漬、例行試驗、包裝入庫與油浸式相比，干式直流支撐電容器主要區(qū)別在于無真空浸漬工序，采用真空澆注工序。卷繞，通過卷繞機把兩層金屬化薄膜卷繞在芯軸上，形成一個元件的過程。噴金，用鋅、錫等材料在熔融狀態(tài)下借助干燥的壓縮空氣噴射，噴涂在元件的兩個端面上。熱聚合，干式電容器元件通常需要處理的環(huán)節(jié)，利用聚丙烯薄膜熱收縮的物理性能，對卷繞好的元件進行熱處理，使元件中的潮氣蒸發(fā)，并使元件變得更密實。通常溫度控制在最高105℃。賦能，在元件兩端施加電壓，利用金屬化薄膜的自愈性，清除元件內(nèi)部絕緣的不良點。焊接，用釬焊將聯(lián)接銅箔或者導線焊接在元件兩個噴金端面上，以將元件的兩個電極引出，把不同元件的電極根據(jù)設(shè)計的結(jié)構(gòu)焊接成元件組。2在生產(chǎn)工藝中的空氣濕度控制2.1空氣中的蒸氣量的測定空氣濕度指空氣中含有水蒸氣的多少，有3種表示方法：1）絕對濕度，表示每立方米空氣中所含的水蒸氣的量，g/m2）含濕量，表示每千克干空氣所含有的水蒸氣量，g/kg。3）相對濕度，用RH表示，表示空氣中的絕對濕度與同溫度下的飽和絕對濕度的比值，得數(shù)是一個百分比。相對濕度計算公式為式中：d絕對濕度也能用相對濕度與溫度來共同描述2.2元件對空氣的吸附通常，卷繞和賦能工序作業(yè)指導書中有空氣相對濕度的要求。1）卷繞工序規(guī)定：元件卷繞時，空氣相對濕度≤60%；卷繞好的元件放入相對濕度≤35%的干燥室內(nèi)，必須在24h內(nèi)進行噴金。2）賦能工序規(guī)定：賦能完的元件，如果當天不能生產(chǎn)完畢，元件應(yīng)放入相對濕度≤35%的干燥室內(nèi)。而生產(chǎn)過程中，在卷繞、噴金、熱聚合、賦能、焊接工序后，元件端面都存在與空氣接觸的情況。卷繞好的元件，元件兩端面有縫隙，空氣會進入兩端面，元件的兩端面會吸入空氣中的水分。噴金、熱聚合、賦能、焊接工序后的元件，其兩端已經(jīng)噴涂金屬顆粒，放置在空氣中，水分會吸附在金屬層的表面噴金過程中，元件端面噴涂熔融狀態(tài)下金屬材料，高溫可排除元件端面的潮氣。熱聚合過程中，溫度控制在105℃以下，高溫也能排除元件中的潮氣。因而，賦能后的元件對空氣相對濕度的控制便顯得尤為重要。通常，電容器生產(chǎn)廠家會在卷繞車間、干燥室、焊接、心子組裝車間裝設(shè)除濕機來控制空氣濕度。3試驗與研究3.1試驗方案的確定卷繞前，金屬化聚丙烯薄膜真空包裝完好。卷繞間空氣相對濕度40%，干燥室空氣相對濕度35%，忽略相對濕度差和溫度差對元件性能的影響。熱聚合和賦能工序之間時間間隔很短，忽略期間相對濕度差和溫度差對元件性能的影響。另外，賦能后的元件有存放在干燥室時間很長的現(xiàn)象。因而，需研究卷繞、噴金、熱聚合工序后相對濕度對元件性能的影響。生產(chǎn)過程中，元件的性能可通過耐壓試驗、充放電試驗因此，確定研究試驗方案如下：1）試驗1:卷繞工序后不同相對濕度對元件耐壓試驗和充放電試驗。2）試驗2:噴金工序后不同相對濕度對元件耐壓試驗和充放電試驗。3）試驗3:熱聚合工序后不同相對濕度對元件耐壓試驗和充放電試驗。4）試驗4:熱聚合工序后不同相對濕度和存放時間對元件的長時間耐久試驗。試驗1-3的工藝分別改變卷繞、噴金、熱聚合工序后的相對濕度，假設(shè)其他工序的相對濕度相同。3.2熱聚合、賦能工序1）試驗1的元件。卷繞后，元件在相對濕度30%、60%、80%環(huán)境下存放24h后，進入噴金、熱聚合、賦能工序。元件編號分別為1A01-1A06、1B01-1B06、1C01-1C06，待試驗的元件放在1號密封周轉(zhuǎn)箱內(nèi)。2）試驗2的元件。噴金后，元件在相對濕度30%、60%、80%環(huán)境下存放24h后，進入熱聚合、賦能工序。元件編號分別為2A01-2A06、2B01-2B06、2C01-2C06，待試驗的元件放在2號密封周轉(zhuǎn)箱內(nèi)。3）試驗3的元件。熱聚合后，元件在相對濕度30%、60%、80%環(huán)境下存放24h后，進入賦能工序。元件編號分別為3A01-3A06、3B01-3B06、3C01-3C06，待試驗的元件放在3號密封周轉(zhuǎn)箱內(nèi)。4）試驗4的元件。熱聚合后，元件在相對濕度30%、60%環(huán)境下分別存放24h、96h、168h、240h、336h后，元件澆注樹脂灌封，元件同時試驗。存放在環(huán)境相對濕度30%的元件編號分別為4A01-4A03、4A04-4A06、4A07-4A09、4A10-4A12、4A13-4A15。存放在環(huán)境相對濕度60%的元件編號分別為、、、、4B13-4B15。3.3電容器充放電試驗1）元件耐電壓試驗。對元件施加直流電壓，從1.5U式中：C2）充放電試驗。先用直流電源對電容器充電至1200V，連續(xù)進行1000次充放電，放電電流10kA，測元件電容和損耗角正切。3）長時間耐久試驗。試驗方法參照電力電子電容器耐久性試驗3.4試驗結(jié)果3.4.1不同相對濕度對元件電容動態(tài)的影響1）元件耐壓試驗。卷繞工序后，不同相對濕度環(huán)境下的元件耐壓差異見圖2。元件在2600VDC的試驗電壓時，電容開始下降。2800VDC的試驗電壓時，電容下降幅度比較大；在相對濕度30%、60%、80%環(huán)境下，元件最大電容變化ΔC（%）分別為：-1.857%、-0.758%、-0.590%。2）充放電試驗。卷繞工序后，不同相對濕度環(huán)境下的元件充放電試驗數(shù)據(jù)見表1。元件在1200VDC的試驗電壓1000次充放電試驗，電容變化較小。在相對濕度30%、60%、80%環(huán)境下的元件最大電容變化ΔC（%）分別為：+0.035%、+0.110%、+0.050%。3.4.2噴金工序后不同相對濕度對元件電容的影響1）元件耐壓試驗。噴金工序后，不同相對濕度環(huán)境下的元件耐壓差異見圖3。元件在2600VDC的試驗電壓時，電容開始下降。2800VDC的試驗電壓時，電容下降幅度比較大；在相對濕度30%、60%、80%環(huán)境下的元件最大電容變化ΔC（%）分別為：-2.318%、-1.498%、-1.000%。2）充放電試驗。噴金工序后，不同相對濕度環(huán)境下的元件充放電試驗數(shù)據(jù)見表2。元件在1200VDC的試驗電壓1000次充放電試驗，電容變化較小。在相對濕度30%、60%、80%環(huán)境下的元件最大電容變化ΔC（%）分別為：-0.115%、-0.064%、-0.100%。3.4.3熱聚合工序后不同相對濕度對元件電容的影響1）元件耐壓試驗。熱聚合工序后，不同相對濕度環(huán)境下的元件耐壓差異見圖4。元件在2600VDC的試驗電壓時，電容開始下降。2800VDC的試驗電壓時，電容下降幅度比較大；在相對濕度30%、60%、80%環(huán)境下的元件最大電容變化ΔC（%）分別為：-1.919%、-2.234%、-2.513%。2）充放電試驗。熱聚合工序后，不同相對濕度環(huán)境下的元件充放電試驗數(shù)據(jù)見表3。元件在1200VDC的試驗電壓1000次充放電試驗，電容變化較小。在相對濕度30%、60%、80%環(huán)境下的元件最大電容變化ΔC（%）分別為：-0.010%、-0.020%、-0.070%。3.4.4熱聚合工序后不同相對濕度和溫度對電容響應(yīng)的影響1）相對濕度30%的元件長時間耐久試驗。聚合工序后，不同相對濕度環(huán)境下的元件長時耐久試驗數(shù)據(jù)情況見圖5(a）。試驗1250h后，電容開始下降；試驗2000h后，相對濕度30%條件下存放24h、96h、168h、240h、336h的元件電容變化ΔC（%）分別為：-1.375%、-1.692%、-1.708%、-1.817%、-1.943%。2）相對濕度60%的元件長時間耐久試驗。熱聚合工序后，不同相對濕度環(huán)境下的元件長時耐久試驗數(shù)據(jù)情況見圖5(b）。試驗1250h后，電容開始下降；試驗2000h后，相對濕度60%條件下存放24h、96h、168h、240h、336h的元件電容變化ΔC（%）分別為：-1.392%、-1.563%、-1.568%、-1.735%、-1.754%。3.4.5不同相對濕度對元件電化學性能的影響依據(jù)圖2-4分析得出：1）卷繞、噴金工序后，在相對濕度80%、60%、30%環(huán)境下，元件耐壓能力依次減弱；2）熱聚合工序后，在相對濕度30%、60%、80%環(huán)境下，元件耐壓能力依次減弱。依據(jù)表2-4比較分析得出：1）卷繞工序后，在相對濕度60%、80%、30%環(huán)境下，元件耐受電流能力強依次減弱；2）噴金工序后，在相對濕度60%、80%、30%環(huán)境下，元件耐受電流能力強依次減弱；3）熱聚合工序后，在相對濕度30%、60%、80%環(huán)境下，元件耐受電流能力強依次減弱。依據(jù)圖5分析得出：1）在相對濕度60%環(huán)境下的元件長時間耐久能力比相對濕度30%環(huán)境下的元件強；2）在相同相對濕度環(huán)境條件下，元件存放時間越長，長時間耐久能力越差，壽命越短。從表2可以看出：試驗后的元件電容增大；同樣，從圖5中也可看出：1000h耐久試驗后，元件電容增大。元件電容增大的原因：元件在大電流或耐壓的過程中，由于電動力、電應(yīng)力的作用使元件的金屬化聚丙烯薄膜收縮，從而使電容變大。其他試驗后的元件電容減小，其主要原因：金屬化聚丙烯薄膜薄弱點擊穿后自愈，極板面積減小綜上分析：1）卷繞、噴金工序后，在相對濕度80%、60%、30%環(huán)境下，元件耐壓能力依次減弱。2）卷繞、噴金工序后，在相對濕度60%、80%、30%環(huán)境下，元件耐受電流能力依次減弱。3）熱聚合工序后，在相對濕度30%、60%、80%環(huán)境下，元件耐壓、耐受電流能力依次減弱。4）熱聚合工序后，在相對濕度30%、60%環(huán)境下，后者長時間耐久能力強。5）相同相對濕度條件下，元件存放時間越長，長時間耐久能力越差，壽命越短。6）元件存放時間影響元件性能。因此，由分析可得出：1）相對濕度會影響直流支撐電容器元件的耐壓能力、耐電流能力、使用壽命；2）控制相對濕度60%條件能夠保證直流支撐電容器元件性能的質(zhì)量控制；3）相同相對濕度條件下，元件存放時間越長，壽命越短。由于知識結(jié)構(gòu)和試驗條件限制，濕度的條件時基與高低溫箱控制輸出，與實際生活中出現(xiàn)的自然空氣濕度有很大區(qū)別。但通過試驗分析生產(chǎn)過程中不同相對濕度下直流支撐電容器元件性