空氣中的溫濕度對(duì)直流支撐電容器性能的影響

空氣中的溫濕度對(duì)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(guò)濾，并提供可執(zhí)行的能量交換服務(wù)，如負(fù)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(shì)：高電壓、耐高溫、紋波電流大、小體積和長(zhǎng)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(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)于空氣濕度對(duì)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(guò)程中需要對(duì)空氣濕度進(jìn)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(duì)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(guò)試驗(yàn)分析生產(chǎn)過(guò)程中不同相對(duì)濕度下直流支撐電容器元件性能的差異，對(duì)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(dǎo)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(lèi)。目前，除了機(jī)車(chē)、動(dòng)車(chē)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(jiàn)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(yàn)、包裝入庫(kù)與油浸式相比，干式直流支撐電容器主要區(qū)別在于無(wú)真空浸漬工序，采用真空澆注工序。卷繞，通過(guò)卷繞機(jī)把兩層金屬化薄膜卷繞在芯軸上，形成一個(gè)元件的過(guò)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(gè)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(duì)卷繞好的元件進(jìn)行熱處理，使元件中的潮氣蒸發(fā)，并使元件變得更密實(shí)。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(diǎn)。焊接，用釬焊將聯(lián)接銅箔或者導(dǎo)線焊接在元件兩個(gè)噴金端面上，以將元件的兩個(gè)電極引出，把不同元件的電極根據(jù)設(shè)計(jì)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(cè)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(duì)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(duì)濕度，用RH表示，表示空氣中的絕對(duì)濕度與同溫度下的飽和絕對(duì)濕度的比值，得數(shù)是一個(gè)百分比。相對(duì)濕度計(jì)算公式為式中：d絕對(duì)濕度也能用相對(duì)濕度與溫度來(lái)共同描述2.2元件對(duì)空氣的吸附通常，卷繞和賦能工序作業(yè)指導(dǎo)書(shū)中有空氣相對(duì)濕度的要求。1）卷繞工序規(guī)定：元件卷繞時(shí)，空氣相對(duì)濕度≤60%；卷繞好的元件放入相對(duì)濕度≤35%的干燥室內(nèi)，必須在24h內(nèi)進(jìn)行噴金。2）賦能工序規(guī)定：賦能完的元件，如果當(dāng)天不能生產(chǎn)完畢，元件應(yīng)放入相對(duì)濕度≤35%的干燥室內(nèi)。而生產(chǎn)過(guò)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(huì)進(jìn)入兩端面，元件的兩端面會(huì)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(huì)吸附在金屬層的表面噴金過(guò)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(guò)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(duì)空氣相對(duì)濕度的控制便顯得尤為重要。通常，電容器生產(chǎn)廠家會(huì)在卷繞車(chē)間、干燥室、焊接、心子組裝車(chē)間裝設(shè)除濕機(jī)來(lái)控制空氣濕度。3試驗(yàn)與研究3.1試驗(yàn)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(duì)濕度40%，干燥室空氣相對(duì)濕度35%，忽略相對(duì)濕度差和溫度差對(duì)元件性能的影響。熱聚合和賦能工序之間時(shí)間間隔很短，忽略期間相對(duì)濕度差和溫度差對(duì)元件性能的影響。另外，賦能后的元件有存放在干燥室時(shí)間很長(zhǎng)的現(xiàn)象。因而，需研究卷繞、噴金、熱聚合工序后相對(duì)濕度對(duì)元件性能的影響。生產(chǎn)過(guò)程中，元件的性能可通過(guò)耐壓試驗(yàn)、充放電試驗(yàn)因此，確定研究試驗(yàn)方案如下：1）試驗(yàn)1:卷繞工序后不同相對(duì)濕度對(duì)元件耐壓試驗(yàn)和充放電試驗(yàn)。2）試驗(yàn)2:噴金工序后不同相對(duì)濕度對(duì)元件耐壓試驗(yàn)和充放電試驗(yàn)。3）試驗(yàn)3:熱聚合工序后不同相對(duì)濕度對(duì)元件耐壓試驗(yàn)和充放電試驗(yàn)。4）試驗(yàn)4:熱聚合工序后不同相對(duì)濕度和存放時(shí)間對(duì)元件的長(zhǎng)時(shí)間耐久試驗(yàn)。試驗(yàn)1-3的工藝分別改變卷繞、噴金、熱聚合工序后的相對(duì)濕度，假設(shè)其他工序的相對(duì)濕度相同。3.2熱聚合、賦能工序1）試驗(yàn)1的元件。卷繞后，元件在相對(duì)濕度30%、60%、80%環(huán)境下存放24h后，進(jìn)入噴金、熱聚合、賦能工序。元件編號(hào)分別為1A01-1A06、1B01-1B06、1C01-1C06，待試驗(yàn)的元件放在1號(hào)密封周轉(zhuǎn)箱內(nèi)。2）試驗(yàn)2的元件。噴金后，元件在相對(duì)濕度30%、60%、80%環(huán)境下存放24h后，進(jìn)入熱聚合、賦能工序。元件編號(hào)分別為2A01-2A06、2B01-2B06、2C01-2C06，待試驗(yàn)的元件放在2號(hào)密封周轉(zhuǎn)箱內(nèi)。3）試驗(yàn)3的元件。熱聚合后，元件在相對(duì)濕度30%、60%、80%環(huán)境下存放24h后，進(jìn)入賦能工序。元件編號(hào)分別為3A01-3A06、3B01-3B06、3C01-3C06，待試驗(yàn)的元件放在3號(hào)密封周轉(zhuǎn)箱內(nèi)。4）試驗(yàn)4的元件。熱聚合后，元件在相對(duì)濕度30%、60%環(huán)境下分別存放24h、96h、168h、240h、336h后，元件澆注樹(shù)脂灌封，元件同時(shí)試驗(yàn)。存放在環(huán)境相對(duì)濕度30%的元件編號(hào)分別為4A01-4A03、4A04-4A06、4A07-4A09、4A10-4A12、4A13-4A15。存放在環(huán)境相對(duì)濕度60%的元件編號(hào)分別為、、、、4B13-4B15。3.3電容器充放電試驗(yàn)1）元件耐電壓試驗(yàn)。對(duì)元件施加直流電壓，從1.5U式中：C2）充放電試驗(yàn)。先用直流電源對(duì)電容器充電至1200V，連續(xù)進(jìn)行1000次充放電，放電電流10kA，測(cè)元件電容和損耗角正切。3）長(zhǎng)時(shí)間耐久試驗(yàn)。試驗(yàn)方法參照電力電子電容器耐久性試驗(yàn)3.4試驗(yàn)結(jié)果3.4.1不同相對(duì)濕度對(duì)元件電容動(dòng)態(tài)的影響1）元件耐壓試驗(yàn)。卷繞工序后，不同相對(duì)濕度環(huán)境下的元件耐壓差異見(jiàn)圖2。元件在2600VDC的試驗(yàn)電壓時(shí)，電容開(kāi)始下降。2800VDC的試驗(yàn)電壓時(shí)，電容下降幅度比較大；在相對(duì)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(yàn)。卷繞工序后，不同相對(duì)濕度環(huán)境下的元件充放電試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。元件在1200VDC的試驗(yàn)電壓1000次充放電試驗(yàn)，電容變化較小。在相對(duì)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(duì)濕度對(duì)元件電容的影響1）元件耐壓試驗(yàn)。噴金工序后，不同相對(duì)濕度環(huán)境下的元件耐壓差異見(jiàn)圖3。元件在2600VDC的試驗(yàn)電壓時(shí)，電容開(kāi)始下降。2800VDC的試驗(yàn)電壓時(shí)，電容下降幅度比較大；在相對(duì)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(yàn)。噴金工序后，不同相對(duì)濕度環(huán)境下的元件充放電試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。元件在1200VDC的試驗(yàn)電壓1000次充放電試驗(yàn)，電容變化較小。在相對(duì)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(duì)濕度對(duì)元件電容的影響1）元件耐壓試驗(yàn)。熱聚合工序后，不同相對(duì)濕度環(huán)境下的元件耐壓差異見(jiàn)圖4。元件在2600VDC的試驗(yàn)電壓時(shí)，電容開(kāi)始下降。2800VDC的試驗(yàn)電壓時(shí)，電容下降幅度比較大；在相對(duì)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(yàn)。熱聚合工序后，不同相對(duì)濕度環(huán)境下的元件充放電試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。元件在1200VDC的試驗(yàn)電壓1000次充放電試驗(yàn)，電容變化較小。在相對(duì)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(duì)濕度和溫度對(duì)電容響應(yīng)的影響1）相對(duì)濕度30%的元件長(zhǎng)時(shí)間耐久試驗(yàn)。聚合工序后，不同相對(duì)濕度環(huán)境下的元件長(zhǎng)時(shí)耐久試驗(yàn)數(shù)據(jù)情況見(jiàn)圖5(a）。試驗(yàn)1250h后，電容開(kāi)始下降；試驗(yàn)2000h后，相對(duì)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(duì)濕度60%的元件長(zhǎng)時(shí)間耐久試驗(yàn)。熱聚合工序后，不同相對(duì)濕度環(huán)境下的元件長(zhǎng)時(shí)耐久試驗(yàn)數(shù)據(jù)情況見(jiàn)圖5(b）。試驗(yàn)1250h后，電容開(kāi)始下降；試驗(yàn)2000h后，相對(duì)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(duì)濕度對(duì)元件電化學(xué)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(duì)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(duì)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(duì)濕度60%、80%、30%環(huán)境下，元件耐受電流能力強(qiáng)依次減弱；2）噴金工序后，在相對(duì)濕度60%、80%、30%環(huán)境下，元件耐受電流能力強(qiáng)依次減弱；3）熱聚合工序后，在相對(duì)濕度30%、60%、80%環(huán)境下，元件耐受電流能力強(qiáng)依次減弱。依據(jù)圖5分析得出：1）在相對(duì)濕度60%環(huán)境下的元件長(zhǎng)時(shí)間耐久能力比相對(duì)濕度30%環(huán)境下的元件強(qiáng)；2）在相同相對(duì)濕度環(huán)境條件下，元件存放時(shí)間越長(zhǎng)，長(zhǎng)時(shí)間耐久能力越差，壽命越短。從表2可以看出：試驗(yàn)后的元件電容增大；同樣，從圖5中也可看出：1000h耐久試驗(yàn)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(guò)程中，由于電動(dòng)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(yàn)后的元件電容減小，其主要原因：金屬化聚丙烯薄膜薄弱點(diǎn)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)濕度30%、60%環(huán)境下，后者長(zhǎng)時(shí)間耐久能力強(qiáng)。5）相同相對(duì)濕度條件下，元件存放時(shí)間越長(zhǎng)，長(zhǎng)時(shí)間耐久能力越差，壽命越短。6）元件存放時(shí)間影響元件性能。因此，由分析可得出：1）相對(duì)濕度會(huì)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(duì)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(duì)濕度條件下，元件存放時(shí)間越長(zhǎng)，壽命越短。由于知識(shí)結(jié)構(gòu)和試驗(yàn)條件限制，濕度的條件時(shí)基與高低溫箱控制輸出，與實(shí)際生活中出現(xiàn)的自然空氣濕度有很大區(qū)別。但通過(guò)試驗(yàn)分析生產(chǎn)過(guò)程中不同相對(duì)濕度下直流支撐電容器元件性