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高压储能电容器绝缘失效机理及测试技术的研究

张血琴  
【摘要】: 脉冲功率系统已应用于许多高科技领域,向高储能密度、轻量化、小型化等方向发展,其核心问题是建立高储能密度的脉冲功率储能系统,而高储能密度电容器是主要的研究对象之一。为了适应脉冲功率系统的发展需求,需要提高电容器的储能密度,即在减小体积的同时提高绝缘介质储能能力。这要求绝缘介质具有更高的承载性能,同时也给电容器的绝缘性能带来了隐患,影响了电容器的工作可靠性。由于高压储能电容器的特殊工作条件,传统的出厂试验方法,无法预知电容器的绝缘状态及寿命。因此,高压储能电容器可靠性的评估是脉冲功率系统安全运行的关键技术。论文在国内外储能电容器的研究成果基础上,研究高压储能电容器绝缘性能的测试评估技术,分析大脉冲放电条件下的老化机理,将有效的促进储能电容器的设计、制作与评估工作,为脉冲功率系统的工作可靠性提供保障。 高压储能电容器的工作条件为直流充电,大电流、短时脉冲放电。大脉冲放电过程是电容器绝缘老化、电气性能下降的主要过程。在该过程中,局部放电、空间电荷作为绝缘介质老化的主要影响因素,受电容器的特殊工作条件影响,对电容器绝缘老化起不同作用。长期的局部放电作用是高压储能电容器绝缘介质失效的主要原因之一。空间电荷影响局部放电的发生,其反复的注入与脱陷可能引起聚合物降解,最终导致介质击穿。由于所研究的电容器工作频率较低,热场的老化作用不明显,应力的作用可一定程度促进老化进程。 大脉冲放电与脉冲方波的具有相似的高电压变化率du/dt,电压变化率影响着空间电荷积累的密度以及局部放电发生的程度,可将脉冲方波下绝缘受损的研究理论应用于大脉冲放电作用下的绝缘性能评估。由于大脉冲放电的电流幅值达到kA级,无法在该条件下直接通过传感器提取局部放电信号。根据高压储能电容器直流充电,大脉冲放电的工作过程,提出对电容器进行直流局部放电测试。通过直流局部放电的原理分析及仿真,其放电参数与绝缘的缺陷特征参量紧密相关,可有效反映绝缘的电气性能状态。 根据电容器的制作工艺及老化情况,电容器缺陷可分四种主要类型:内部缺陷、接触缺陷、重叠缺陷和油质缺陷。利用有限元仿真分析电容器四种典型缺陷在大脉冲放电过程中的电场分布情况。利用宽频带检测阻抗测试传统典型缺陷的直流局部放电波形,分析直流条件下局部放电参量的基本特点,确定内部放电、表面放电与电晕放电的波形特征及其频谱能量分布。 建立高灵敏度直流局部放电测试分析系统,对直流局部放电信号进行采集与特征提取。采用阻抗平衡检测法提取局部放电信号,降低电源与外界干扰对微信号的影响;由于直流局部放电的随机性,采用触发采集信号,并引入Δt参量,基于q、n、Δt参数得出放电谱图和指纹统计参量,用于电容器局部放电的测试与分析。 直流局部放电的测试与直流电压升压过程相关,应分为过渡区和平稳区两个区域进行测试。基于该测试规则,对四种基本缺陷类型的直流局部放电谱图进行分类。并以内部缺陷和油质缺陷为研究对象,对比仿真与测试结果,证明内部缺陷放电较油质缺陷更剧烈的特征关系。对电容器进行大脉冲放电老化,将不同老化阶段的电容器按同向、反向接线形式分别进行直流局部放电测试,建立局部放电参量与老化次数的关系,讨论局部放电及空间电荷在老化过程中起的作用。受电容器的老化条件与测试条件的影响,空间电荷的分布位置、数量等使得电容器的局部放电测试结果不同。


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