高壓儲能電容器絕緣失效機(jī)理及測試技術(shù)的研究.pdf

1、脈沖功率系統(tǒng)已應(yīng)用于許多高科技領(lǐng)域，向高儲能密度、輕量化、小型化等方向發(fā)展，其核心問題是建立高儲能密度的脈沖功率儲能系統(tǒng)，而高儲能密度電容器是主要的研究對象之一。為了適應(yīng)脈沖功率系統(tǒng)的發(fā)展需求，需要提高電容器的儲能密度，即在減小體積的同時提高絕緣介質(zhì)儲能能力。這要求絕緣介質(zhì)具有更高的承載性能，同時也給電容器的絕緣性能帶來了隱患，影響了電容器的工作可靠性。由于高壓儲能電容器的特殊工作條件，傳統(tǒng)的出廠試驗方法，無法預(yù)知電容器的絕緣狀態(tài)及壽命

2、。因此，高壓儲能電容器可靠性的評估是脈沖功率系統(tǒng)安全運行的關(guān)鍵技術(shù)。 本文在國內(nèi)外儲能電容器的研究成果基礎(chǔ)上，研究高壓儲能電容器絕緣性能的測試評估技術(shù)，分析大脈沖放電條件下的老化機(jī)理，將有效的促進(jìn)儲能電容器的設(shè)計、制作與評估工作，為脈沖功率系統(tǒng)的工作可靠性提供保障。高壓儲能電容器的工作條件為直流充電，大電流、短時脈沖放電。大脈沖放電過程是電容器絕緣老化、電氣性能下降的主要過程。在該過程中，局部放電、空間電荷作為絕緣介質(zhì)老化的主要

3、影響因素，受電容器的特殊工作條件影響，對電容器絕緣老化起不同作用。長期的局部放電作用是高壓儲能電容器絕緣介質(zhì)失效的主要原因之一?？臻g電荷影響局部放電的發(fā)生，其反復(fù)的注入與脫陷可能引起聚合物降解，最終導(dǎo)致介質(zhì)擊穿。由于所研究的電容器工作頻率較低，熱場的老化作用不明顯，應(yīng)力的作用可一定程度促進(jìn)老化進(jìn)程。大脈沖放電與脈沖方波的具有相似的高電壓變化率du/dt，電壓變化率影響著空間電荷積累的密度以及局部放電發(fā)生的程度，可將脈沖方波下絕緣受損的研

4、究理論應(yīng)用于大脈沖放電作用下的絕緣性能評估。由于大脈沖放電的電流幅值達(dá)到kA級，無法在該條件下直接通過傳感器提取局部放電信號。根據(jù)高壓儲能電容器直流充電，大脈沖放電的工作過程，提出對電容器進(jìn)行直流局部放電測試。通過直流局部放電的原理分析及仿真，其放電參數(shù)與絕緣的缺陷特征參量緊密相關(guān)，可有效反映絕緣的電氣性能狀態(tài)。 根據(jù)電容器的制作工藝及老化情況，電容器缺陷可分四種主要類型：內(nèi)部缺陷、接觸缺陷、重疊缺陷和油質(zhì)缺陷。利用有限元仿真分

5、析電容器四種典型缺陷在大脈沖放電過程中的電場分布情況。利用寬頻帶檢測阻抗測試傳統(tǒng)典型缺陷的直流局部放電波形，分析直流條件下局部放電參量的基本特點，確定內(nèi)部放電、表面放電與電暈放電的波形特征及其頻譜能量分布。建立高靈敏度直流局部放電測試分析系統(tǒng)，對直流局部放電信號進(jìn)行采集與特征提取。采用阻抗平衡檢測法提取局部放電信號，降低電源與外界干擾對微信號的影響；由于直流局部放電的隨機(jī)性，采用觸發(fā)采集信號，并引入△t參量，基于q、n、△t參數(shù)得出放電

6、譜圖和指紋統(tǒng)計參量，用于電容器局部放電的測試與分析。直流局部放電的測試與直流電壓升壓過程相關(guān)，應(yīng)分為過渡區(qū)和平穩(wěn)區(qū)兩個區(qū)域進(jìn)行測試?；谠摐y試規(guī)則，對四種基本缺陷類型的直流局部放電譜圖進(jìn)行分類。并以內(nèi)部缺陷和油質(zhì)缺陷為研究對象，對比仿真與測試結(jié)果，證明內(nèi)部缺陷放電較油質(zhì)缺陷更劇烈的特征關(guān)系。對電容器進(jìn)行大脈沖放電老化，將不同老化階段的電容器按同向、反向接線形式分別進(jìn)行直流局部放電測試，建立局部放電參量與老化次數(shù)的關(guān)系，討論局部放電及空間