CN101013629A - 减小温升的金属化安全膜电力电容器电极结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电力电子元件，特别是减小温升的金属化安全膜电力电容器电极结构，具有上下两层复合层，每个复合层的横向被分为两种不同的电极结构：其中半边为连续的金属电极镀层(1.1)分区，另半边为网格安全膜镀层(1.2)分区；上下复合层的左右分区结构对称，上下交错对应密贴层叠，其特征在于连续的金属电极镀层(1.1)分区的外侧边缘窄带的镀层被加厚为加厚边(1.11)，与外部喷金连接；网格电极层(1.2)分区的外侧边缘窄带为无镀层的留边(2.1)，在上、下层膜都设有间隔的横向全宽度的空隙条(1.4)。本发明可减小电容器的温升，增加了电容器的安全可靠性和工作寿命，更适合于高压电力电容器使用。
Description
技术领域：
本发明涉及电力电子元件，特别是金属化安全膜电力电容器在降低温升方面的电极结构改进。
背景技术：
金属化安全膜电容器，由双层金属化膜层叠卷绕构成电容器。目前有四种基本电极结构形式：一是两层均是金属化连续镀层构成的复合膜，电极有效工作面积利用率高，但安全性能差；二是一层是金属化连续镀层膜，另一层是安全膜；安全膜是由基膜表面的电极镀层用空隙槽分割成许多小单元，小单元间有由可以被自愈电流烧断的导电桥连通所构成的复合膜，由于面元面积极小和保护系统的作用，所以能进行成千上万次自愈而不发生电容器短路，可大大提高电容器的安全可靠性和工作寿命；三是两层均是安全膜，安全性能更好，但电极有效工作面积的损失率高；四是两层均是一半采用连续镀层、另一半采用安全膜，但两层连续镀层和安全膜位置相反，可降低和弥补双安全膜在卷绕时存在的电极有效工作面积的损失率缺陷；这种网格区虽然只占每层安全膜表面的1/2，但由于上下层膜的网格区与连续镀层区交错对应，使整个电容器也能全部被分割成网格小方块单元电容组成，且各小单元电容都会有一个极板是被网格形空隙条隔离成小方块，具有四个起熔断丝作用的连接桥与周围相连，当单元块小电容内存在电弱点击穿时，该极板的连接桥被熔断隔离，最多只有该并联小电容失效，对整个电容影响甚小，从而达到安全保护的目的；而各小单元电容的另一极板处于连续镀层区，与周围没有隔离空隙，因而减小了安全膜电容器的网格空隙带来的电极有效面积的损失，损失率只为双层网格安全膜电容器的1/2。
金属化安全膜电力电容器的介质(基膜)一般为聚丙烯，介质损耗很小，且均匀分布，故温升的热源主要是金属化膜表面电极金属电阻在工作电流下产生的焦耳热。但由于金属化薄膜电容器是无感式喷金连接结构，正常工作时电流路径短，不超过膜宽，焦耳热产生的温升不大，因而通常未被注意。但金属化膜镀层的边缘部分与外部喷金之间的接触连接是薄弱环节，连续镀层边缘与喷金间接触的劣化和损坏，使电容器损坏部分对应的电极有效面积内的充放电必须纵向绕道、经过相邻处的喷金连接流向外部电极，增加了相邻的喷金接触点的电流强度和附近薄膜电极上的发热量，使相邻的喷金接触加快损坏；随着损坏长度迅速延伸，既增长了电流路径和附加发热量，也增大了破坏喷金连接的纵向汇集电流，甚至如同有感式电容器那样，充放电电流需绕道多圈才能汇集到尚未损坏的喷金连接处流向外部电极。这种恶性循环像雪崩一样迅速烧坏喷金连接，并在镀层电阻上产生巨大的附加发热，使电容器薄膜收缩变形、电容器被击穿而损坏。虽然金属化安全膜电容器的网格形电极结构对纵向汇集电流有一定的抑制作用，但当如上述把电容器的一极的全部或分部采用连续镀层与另一极上的安全网格形电极镀层区相对的结构来降低安全膜电极有效工作面积的损失率时，就失去了对纵向汇集电流的抑制作用。
现有安全膜技术温升的另一个主要原因是：安全网格中起熔断器作用的导电桥使电极增加电阻，加之导电桥流经的电流方向与膜的横向成θ＝45°角，增大了电流在导电桥上的电流密度和流经距离，电容器的充、放电电流在流过导电桥时产生附加发热。由于导电桥电阻对电容器增加的平均损耗因数很小，仅0.6×10-4左右，因而这一发热问题常被忽视。但电容器工作时不同位置的导电桥流过的电流是不相等的，在电容器各部分产生的附加发热量和温升是不一样的。因为导电桥是依次排列在电容器的从留边到喷金接触边的电流方向上，它们除承载本单元电极的充放电流之外，还要迭加其上游各单元的电流，故导电桥在安全膜上的横向位置离留边的距离越大，则其负载电流越大，为(2n-1)Ie/4。(n为网格导电桥的列序号、与导电桥距留边的距离有关，Ie为一个网格方块单元电容本身在一定交流电压下的电流有效值)。例如，邻近留边处的第1列导电桥的负载电流为1/4 Ie，第2列为3/4 Ie...距离留边50～70mm处的第10列导电桥的负载电流为19/4 Ie，是第1列的19倍。所以安全膜电容器在靠近喷金端部处产生的温升最高，这除了会加速电容器喷金接触的劣化外，还会使这些发热导电桥位置的薄膜耐电压强度降低，首先成为击穿点而自愈烧断，且因其位于网格根部，自愈时带来较大的电容量损失，降低电容器工作寿命。当电容器元件的直径和长度越大、散热条件越差、工作中交流或脉冲电压越高，如在大型交流和电力安全膜电容器中，端部温升将会超过允许值，成为其工作寿命下降和失效损坏的主要原因之一。已有技术对解决耐高压、大功率金属化安全膜电力电容器的温升问题尚未见报道。
发明内容：
本发明的目的在于在减小电极有效工作面积损失的同时，设计一种能降低电容器的最大交流工作温升，安全防爆、延长工作寿命的金属化安全膜电力电容器电极结构。
根据金属化薄膜电容器交流发热、热量在电容器内向外传道、並通过其表面向周围环境散热、达到发热量与散热量相等而热平衡的原理，热平衡后电容器内部温度的分布为：在电容横截圆面上，靠中心卷芯处温度最高，向外递减，在外表处与环境温度相等；在电容器长度方向上，温升最大处在一端或两端，电容器各处相对于环境温度的最大温升值计算公式如下：
ΔT＝[(rMAX 2-r0 2)-ln(rMAX 2/r0 2)×r0 2]×[εε0ω(V/d)Wn1]2R1/(2λd)，
+[(rMAX 2-r0 2)-ln(rMAX 2/r0 2)×r0 2]×[εε0ω(V/d)Wn2]2R2/(2λd)
其中εε0λ是电容器介质的介电系数和热导率，d为膜厚，V为交流工作电压，rMAX为电容器元件半径，r0为内卷芯半径。Wn1、Wn2分别为元件中各处分别到两层膜上各自留边的横向距离：
Wn1＝[(2n1-1)/2]×L0，Wn2＝[(2n2-1)/2]×L0
L0为网格导电桥分布的平均间距，n1，n2为网格区导电桥的列序号，对连续镀层时n1，n2为假想网格区的导电桥列序号。
ΔT算式中的R1、R2为该处两层膜发热源各自的单位面积的电阻。当电容器的两层膜同为全连续镀层的金属化膜、或当电容器的两层膜同为全网格型的金属化安全膜时，R1＝R2。並由理论计算和实验可知，导电桥接点为正方形，並与膜的横向成45°角时的安全膜单位面积的发热电阻为普通金属化膜的3倍。所以，安全膜电容器的最大温升一般为普通连续镀层金属化膜电容器的最大温升的3倍。
根据上述理论公式可算得，当电容器的两层膜同为全网格型的金属化安全膜，电容器的两端温升最高，中腰部的温升最低，为端部的1/2，如图5曲线中虚线所示。当电容器的一层膜为全连续镀层金属化膜，另一层膜为全网格型的金属化安全膜时，根据上述理论公式可算得，电容器的连续镀层的金属化膜与喷金连接的一端温升最低，近似于两层膜同为全连续镀层的金属化膜电容器的端部温升，而在电容器的安全膜网格电极层与喷金连接的一端温升最高，此端的高温升值是另一端的低温升值的3倍。其中腰部温升为温升最高端的1/3，也与电容器的低温升端相等，如图5曲线中点划线所示。由于一层膜为全连续镀层金属化膜，另一层膜为全网格型的金属化安全膜这种电容器两端温升不同，半只电容器温升高，另半只电容器温升低，因而可以对它作“去高存低”的改进。
本发明的技术方案是：减小温升的金属化安全膜电力电容器电极结构，具有上下两层复合层，每个复合层横向被分为两种不同的电极结构：其中半边为连续的金属电极镀层分区，另半边为网格安全膜镀层分区；上下复合层的左右分区结构对称，上下交错对应密贴层叠，其特征在于连续的金属电极镀)分区的外侧边缘窄带的镀层被加厚为加厚，与外部喷金连接；网格电极层分区的外侧边缘窄带为无镀层的留边，在上、下层膜都设有间隔的横向全宽度的空隙。
上述网格电极层分区中的网格电极层由空隙线分割成许多正方块电极小单元，相邻小单元之间由可以被自愈电流烧断的导电桥连通，在膜层中央与连续镀层分区相邻的一列网格为不等边五边形，该五边形网格单元块的面积与主网格区的单元块面积相等；每个单元块保持有四个微型熔断丝作用的导电桥与外部相连，其中分布在纵向空隙条上单元块的两个导电桥横向连接连续镀层分区。
上述留边相对于邻层的加厚边向内作微量缩入；同时使上下层的网格区在电容器的中部有微量交叠，交叠宽度L4为1～3mm。
上述减小温升的金属化安全膜电力电容器电极结构可用于高电压工作的内串接式安全膜，各相邻串接的单元之间连接处若为留边时，则合并为一条较宽的纵向空白隔离带(2.2)，或称内留边，由它把两侧处于不同串接单元的网格电极区分隔开，此内留边的宽度为外留边(2.1)宽度的1.5～2倍；各相邻串接的单元之间连接处若为连续镀层时，则相邻处镀层连为一体，不必加厚，也不必插入带有导电桥的纵向隔离空隙带。
本发明金属化安全膜电容器的电极结构，在上、下层膜都设有间隔的横向的全宽度的空隙槽，一端与留边相通，另一端把加厚边纵向截断，使加厚边在纵向上分段负载电流，各分区间的电流通过各自的加厚边与喷金间的连接流向外部，纵向各分区之间被完全隔断，没有相互间的窜流。这种结构的优点在于抑制了连续镀层边缘与喷金间接触的劣化和损坏导致发热变形、击穿损坏的恶性循环。因为如果某一分区中加厚边镀层与外部喷金之间的接触连接存在薄弱环节，被自愈大电流或电晕侵蚀而劣化损坏时，与损坏部分对应的电容电极有效面积内的脉动或交流电流虽然也会流向相邻的喷金接触点，使相邻的喷金接触被蚕蚀损坏，但这种蚕蚀损坏被限制在两条横向空隙槽之间，最多使该分区这段加厚边镀层与外部喷金之间的接触全部损坏，但不会产生喷金接触进一步扩大损坏的恶性循环；电容器只损失掉该分区那一小部分电容量，但不会继续减小容量、增大损耗、发热升温，而能继续正常工作。由于去除了因纵向窜流使喷金接触的损坏被迅速扩大的这一失效根源，故可以大大改进安全膜电容器的可靠性和工作寿命。相比于中国专利公告号CN 2705871Y的“一种金属化安全膜电容器”，其连续镀层电极分区和喷金连接的电极加厚边没有被横向空隙条隔断；其网格区虽也有一定间距的横向空隙条，但实际上没有纵向隔断作用，因为横向空隙条两侧的区域通过与其接壤的连续镀层区相互连通而旁路。而且该专利在膜层网格分区与连续镀层分区相邻的一列网格为三角形，该三角形网格且只有一个导电桥与连续镀层区连通，使该处导电桥附加发热的热能密度倍增，温升提高。本发明的不等边五边形的两个导电桥横向连接连续镀层分区，五边形网格单元块的面积与主网格区的单元块面积相等；每个单元块保持有四个熔断丝作用的微型导电桥与外部相连，分布间距与主网格区的导电桥接点间距L0相同，其中两个分布在纵向空隙边上的导电桥横向连接到连续镀层区，这种结构设计降低了该处的发热密度，並使在电容器的中部上下层的网格区有微量交叠的位置不增加温升，故也是保证本发明安全膜电容器降低温升的关键措施之一。
另外，本发明金属化安全膜电容器电极结构利用金属化膜的温升原理，把与喷金连接侧的电极层采用连续镀层结构，而把与留边连接侧的电极层采用网格安全膜结构，使网格块中起熔断器作用的连接桥的最大交流负载电流，降到普通安全膜靠近喷金连接边网格区的导电桥最大负载交流电流的1/2。因为焦耳热与负载电流的平方成正比，故连接桥带来的发热量将被降低为1/4。
本发明的安全膜电容器的结构相当于对一层膜为全连续镀层金属化膜，另一层膜为全网格型的金属化安全膜电容器结构进行了中腰截断和重新组合，去除了其端部温升比另一端高3倍的那半只电容器、而使用其低温侧半只电容器，交叠组合而成，其等效电路如图6所示。本发明安全膜电容器最大温升位置在电容器的两端和中腰，温升最低处距端部1/4元件长度，如图5曲线中实线所示。与上述已有技术金属化安全膜电容器温度曲线相比，在电容器介质厚度、工作场强、直径、长度相同的情况下，本发明安全膜电容器的最大交流工作温升降低为只有它们的1/3。这也意味着，在相同的允许交流工作温升下，利用本发明安全膜电容器可用更薄的膜制造工作电压更高、电容量更大的大型交流和电力电容器。
本发明金属化安全膜电容器的基本电极结构，用于内串接式安全膜时，各相邻串接的单元之间相接处若为留边，则合并为一条较宽的纵向空白隔离带，称为内留边，由它把两侧处于不同串接单元的网格电极区分隔开，此内留边的宽度为外留边宽度的1.5～2倍；各相邻串接的单元之间相接处若为连续镀层，则相邻处镀层连为一体，不必加厚，也不必插入带有导电桥的纵向隔离空隙带，以免增加温升。由于在上、下两层膜也都设有一定间距的横向的全宽度的空隙槽，消除了分区间的纵向窜流，增加了电容器的安全可靠性和工作寿命，且总的工作电压是各串接单元工作电压之和，所以这种降低了温升的内串接式金属化安全膜更适合于高压电力电容器使用。
附图说明
图1为本发明实施例1低温升金属化安全膜电极结构主视图；
图2为图1中A-A截面示意图；
图3为本发明实施例1上下膜层叠状态主视图；
图4为图3中A-A截面示意图；
图5为实施例1金属化安全膜电容器两端间和已有技术温升值分布曲线图；
图6为本发明实施例1金属化安全膜电容器等效电路图；
图7为本发明实施例2低温升金属化安全膜三串接电极结构主视图；
图8为图7中A-A截面示意图。
图中标记说明：基膜宽度W，网格安全膜镀层(1.2)分区宽度W1，连续的金属电极镀层分区宽度W2，网格的导电桥接点间距L0，网格的留边宽度L1，金属电极镀层加厚边宽度L2，过渡区宽度L3，交叠宽度L4，上层膜S，下层膜X，金属镀层1，基膜2，连续金属电极镀层分区1.1，加厚边1.11，过渡区1.12，网格电极层区1.2，十字空隙条1.21，网格导电桥1.22，正方块电极单元块1.23，五边形网格单元块1.3，纵向空隙分隔条1.31，纵向空隙分隔条导电桥1.32，全宽度横向空隙条1.4，留边2.1，内留边2.2。
具体实施方式
实施例1：参照图1、图2，在宽度为W的聚丙烯基膜2上真空蒸镀锌/铝复合的金属镀层1构成复合膜，金属镀层构成电容器的电极。复合膜横向由纵向空隙分隔条1.31被分为左右不同的电极结构，其中半边W2宽度范围内为连续的金属电极镀层分区1.1，另半边W1宽度范围内为网格安全膜镀层分区1.2。连续金属电极镀层分区1.1的外侧边缘窄带的镀层被加厚为加厚边1.11，与外部喷金连接，两端的喷金分别与电容器的引线P1和P2相连，加厚边宽度L2与过渡区1.12宽度L3之和为3～5mm，加厚边金属镀层厚度为工作区电极镀层厚度的2倍以上，使工作区方阻为5.5～9.5Ω/□，加厚边方阻为1～4Ω/□。
网格电极层区由十字空隙线1.21分割成许多正方块电极小单元1.23，空隙线1.21的宽度为0.2～0.3mm，方块电极1.23的边长为5～15mm，根据每次自愈容许损失的电容量选择，并要考虑到电极面积损失率等于1.21空隙宽度相对于方块电极1/2边长之比的因素；相邻小单元1.23之间由可被自愈电流烧断的导电桥1.22连通，导电桥1.22的宽度为0.2～0.5mm，由电容器安全自愈允许的最大熔断能量决定。网格电极层分区1.2的外侧边缘为无镀层的空白留边2.1，留边2.1的宽度L1根据工作电压而定，为1.5～3mm。在网格电极层分区1.2最内侧的一列网格设计为不等边五边形，五边形网格单元块1.3的面积与主网格区的方块单元1.23面积相等，每个单元块保持有四个熔断丝作用的微型导电桥与外部相连，分布间距与主网格区的导电桥接点间距L0相同，其中两个是分布在纵向空隙分隔条1.31上的导电桥1.32，横向连接连续金属电极镀层分区1.1。在复合膜间隔设有贯穿左右不同的电极区的横向全宽度空隙条1.4，空隙宽度为0.3～0.5mm，空隙条1.4的一端与留边2.1相通，另一端把加厚边1.11纵向截断，使加厚边在纵向上分段负载电流，各分区间的电流通过各自的加厚边与喷金间的连接流向外部，纵向各分区之间被完全隔断，没有相互间的窜流。
参照图3、4所示，两层基膜2上真空蒸镀锌/铝复合的金属镀层1构成电极，上复合膜S、下复合膜X密贴层叠。上层膜的左半侧结构与下层膜的右半侧相同，上下交错相对，但层叠时膜层的留边2.1相对于邻层的加厚边1.11向内作微量缩入，差边量为0.6～1.8mm，同时使上下层的网格区在电容器的中部有微量交叠，交叠宽度L4为1～3mm，从图6等效电路来看，上下层网格交叠区相当于并联了一个小电容B。在上、下层膜都设有一定间距的横向的全宽度的空隙槽1.4。上述电极结构的安全膜，采用基膜厚度6μm、宽度150mm、单元电极小方块10×10mm2、微型导电桥0.3×0.3mm2、内卷芯直径9mm、制成电容器元件的外径φ60mm、电容量达200μf的大功率电容器，在交流50赫兹、电压450V下工作，热平衡后，元件两端和中腰部的最大交流工作温升为6.84℃。此温升量远小于允许的15℃限值，故电容器可正常安全工作；而且单个200μf的电容器、在450V电压下工作的功率达到了12.7 KVA，说明本设计上述金属化安全膜电极结构提供了更适合于交流和电力具有较长的工作寿命的电容器。而传统的喷金连接侧具有导电桥结构的单安全膜电容器、或双安全膜电容器，如果其体形尺寸和电容量与本实施例相同，电容器元件端部的最大交流工作温升将为本实施例6.84℃的3倍，达20.5℃。由于温升超过允许的15℃限值，这将会使电容器在工作中引起过温失效，工作寿命达不到要求。
上述各宽度范围内都以0.1mm为单位变化。
实施例2：涉及金属化内串接式安全膜电容器的电极结构，如图7、8所示，上膜层S、下膜层X密贴层叠，每个串接单元的上下两层膜的电极结构和相对关保与实施例1安全膜电容器的电极结构基本相同；串接单元横向按序排列，排列方法为：第1单元的上层膜外侧若为连续镀层加厚边1.11，与外部喷金连接，则单元内侧为留边，与同在上层膜但属第2单元的留边连成一体，合成为内留边2.2，内留边的宽度为外留边2.1的1.5～2倍；而第1单元的下膜层外侧应为留边带2.1、单元内侧为连续镀层，该连续镀层与同在下层但属第2单元的连续镀层连成一体，但两单元相交边界处的镀层不须加厚；第2单元与第3单元交界处的上下层膜电极结构的对应关係和1、2单元交界处相反，即在上层膜的交界处为连续镀层，下层膜的交界处为内留边2.2；在后接单元的交界处又反过来，即第3、4单元交界处的上下层膜电极结构与前边的2、3单元交界处相反...，不管串接单元数增至多大，都以此类推；但最后单元的上下两层膜中，外侧是连续镀层膜，其边缘镀层须加厚成加厚边1.11，与外部喷金连接；而另一层膜的外侧则是留边2.1。本实施例串接单元数为3的内串接式安全膜电容器的元件，其安全可靠性和降底最大交流工作温升等方面的优点与实施例1相同，但工作电压增高致450VAC×3＝1350VAC。
Claims (4)
1、减小温升的金属化安全膜电力电容器电极结构，具有上下两层复合层，每个复合层横向被分为两种不同的电极结构：其中半边为连续的金属电极镀层(1.1)分区，另半边为网格安全膜镀层(1.2)分区；上下复合层的左右分区结构对称，上下交错对应密贴层叠，其特征在于连续的金属电极镀层(1.1)分区的外侧边缘窄带的镀层被加厚为加厚边(1.11)，与外部喷金连接；网格电极层(1.2)分区的外侧边缘窄带为无镀层的留边(2.1)，在上、下层膜都设有间隔的横向全宽度的空隙条(1.4)。
2、根据权利要求1所述的减小温升的金属化安全膜电力电容器电极结构，其特征在于网格电极层(1.2)分区中的网格电极层由空隙线(1.21)分割成许多正方块电极小单元(1.23)，相邻小单元之间由可以被自愈电流烧断的导电桥(1.22)连通，在膜层中央与连续镀层(1.1)分区相邻的一列网格为不等边五边形，五边形网格单元块(1.3)的面积与主网格区的单元块(1.23)面积相等，每个单元块保持有四个微型熔断丝作用的导电桥(1.22)与外部相连，其中分布在纵向空隙条(1.31)上各单元块的两个导电桥(1.32)横向连接连续镀层(1.1)分区。
3、根据权利要求1所述的减小温升的金属化安全膜电力电容器电极结构，其特征在于留边(2.1)相对于邻层的加厚边(1.11)向内作微量缩入；同时使上下层的网格区在电容器的中部有微量交叠，交叠宽度L4为1～3mm。
4、根据权利要求1、2或3所述的减小温升的金属化安全膜电力电容器电极结构，其特征在于可用于高电压工作的内串接式安全膜，各相邻串接的单元之间连接处若为留边时，则合并为一条较宽的纵向空白隔离带(2.2)，或称内留边，由它把两侧处于不同串接单元的网格电极区分隔开，此内留边的宽度为外留边(2.1)宽度的1.5～2倍；各相邻串接的单元之间连接处若为连续镀层时，则相邻处镀层连为一体。
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