CN102253089A - 高压陶瓷电容器质量缺陷水平的非破坏检测和评价的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高压陶瓷电容器质量缺陷水平的非破坏检测和评价的方法，其包括以下步骤：1)对同一批次的高压陶瓷电容器进行样本抽取，并对抽取的高压陶瓷电容器样本按1号至n号的顺序编号；2)对高压陶瓷电容器样本进行依次两两组合，即1号和2号、2号和3号、......、(n-1)号和n号、n号和1号；3)在外施电压不超过额定电压的条件下，对步骤2)两两组合的高压陶瓷电容器样本进行绝缘电阻的比值测试；4)对步骤3)获得的绝缘电阻的比值测试按照公式取自然对数，并将其作为自变量x_i进行概率统计分析；5)对步骤4)获得的自变量x_i按照公式计算获得标准方差S；6)对由步骤5)获得的标准方差S进行评价。

Description

高压陶瓷电容器质量缺陷水平的非破坏检测和评价的方法

技术领域

本发明涉及对同一批次的II类高压陶瓷电容器质量缺陷水平的非破坏性检测和评价的方法，特别涉及对两引出端的II类高压陶瓷电容器质量缺陷水平的非破坏性检测和评价。

背景技术

高压陶瓷电容器广泛应用于电力设备中，如常用来改善断路器断口间或避雷器阀片间的电压分布；高压陶瓷电容器在脉冲功率技术也有着广泛应用，如常用在高压电源的倍压电路中。存在缺陷的高压陶瓷电容器若被使用，将会极大地降低设备的可靠性和安全性。然而由于制造工艺的限制，各种缺陷会随机出现在某些高压陶瓷电容器中，这便使得高压陶瓷电容器的质量可靠性无法得到完全保证。因此，在出厂试验或用户验收试验中对高压陶瓷电容器进行质量缺陷水平的检测或评价十分必要。但对高压陶瓷电容器的缺陷水平检验和评价不但应简便快捷、耗费较低，也不应对电容器的性能带来影响。

根据国家标准GB/T 2693-2001和GB/T 9322-1988中的规定，厂商在产品出厂前一般对高压陶瓷电容器进行如下的常规性能检测：

(1)在1kHz、1V的测量电压下，测量高压陶瓷电容器的电容量，电容量需在规定的允许偏差范围内；

(2)在1kHz、1V的测量电压下，测量高压陶瓷电容器的损耗角正切值，损耗角正切值不超过规定值；

(3)在施加500V的直流电压一分钟后，测量高压陶瓷电容器的绝缘电阻，试品的绝缘电阻阻值应不小于4000MΩ(有些国外厂商提高了此项指标的要求，如日本村田公司规定在1kV电压下不小于10000MΩ)；

(4)对高压陶瓷电容器施加1.5倍于额定电压(以下简称U_R)的直流高压，外施电压维持一分钟，在试验期间内电容器应无击穿或飞弧。

常规性能检测的方法是基于简便快捷及低耗费来考虑的，但是这几项测试并不能保证高压陶瓷电容器的质量。

由于试验电压与高压陶瓷电容器的实际工作电压相比较低，因此常规性能检测中的电容量和介质损耗正切值测试无法准确反映电容器的绝缘性能。

绝缘电阻是反映高压陶瓷电容器绝缘性能的重要参数，但常规性能检测中的试验电压与工作电压相比仍有较大差距。而且高压陶瓷电容器的绝缘电阻值巨大(一般大于10000兆欧)，在额定电压下也难以准确测量出绝缘电阻值。此外，由于配方及工艺的差别，绝缘电阻值的高低并不能表明电容器质量可靠性的水平。

对高压陶瓷电容器进行耐压测试一般能发现电容器中较显著的集中性缺陷。但当电容器中的缺陷较小时，想通过耐受电压测试将内部缺陷检测出来十分困难。并且对电容器施加超过U_R的高电压，将可能导致微小缺陷的进一步发展，使得通过耐压测试的电容器在实际使用时存在隐患。

为了更好的保证高压陶瓷电容器的质量，国家标准GB/T2693-2001和GB/T 9322-1988中还规定了产品的鉴定批准试验，主要试验项目如下：

1、在最高工作温度下，向高压陶瓷电容器施加1.25U_R(U_R≥10kV)或1.5U_R(U_R＜10kV)的直流高电压，对其进行1000小时的耐久性测试。要求电容器不发送击穿或飞弧，电容量、介质损耗角正切及绝缘电阻的变化符合标准要求(具体要求详见GB/T 9322-1988的4.14)；

2、对于额定电压不小于10kV的高压陶瓷电容器，向其施加50Hz、3kV的交流电压一分钟，要求放电电荷不超过50pC，不产生电晕(具体要求详见GB/T 9322-1988的4.15)；

3、对于额定电压不小于10kV的高压陶瓷电容器，在额定电压下对其进行10000次的充放电寿命，要求电容量、介质损耗角正切及绝缘电阻的变化符合标准要求(具体要求详见GB/T 9322-1988的4.16)。

国外厂商也对高压陶瓷电容器进行相似的产品质量的可靠性评定试验。如日本村田公司规定：在最高工作温度下，向电容器施加100小时1.25U_R的高电压，要求电容量、介质损耗角正切及绝缘电阻的变化不超过允许范围。

国家标准中规定的鉴定批准试验和国外厂商采用的质量可靠性评定试验，对高压陶瓷电容器的缺陷水平的检验效果良好。但是该方法属于鉴定试验，试验周期较长，无法满足简便快捷的测试要求。而且在测试过程中会对高压陶瓷电容器造成损伤，因此不适用于厂商或用户对高压陶瓷电容器进行质量缺陷水平的非破坏性检测和评价。

发明内容

本发明的目的在于提供一种简单易行、评价结果准确的高压陶瓷电容器质量缺陷水平的非破坏检测和评价的方法。

为达到上述目的，本发明提供一种高压陶瓷电容器质量缺陷水平的非破坏检测和评价的方法，其特征在于：

1)对同一批次的高压陶瓷电容器进行样本抽取，并对抽取的高压陶瓷电容器样本按1号至n号的顺序编号；

2)对高压陶瓷电容器样本进行依次两两组合，即1号和2号、2号和3号、......、(n-1)号和n号、n号和1号；

3)在外施电压不超过额定电压的条件下，对步骤2)两两组合的高压陶瓷电容器样本进行绝缘电阻的比值测试，在首次测得两只电容器各自承担的电压之后，将两只电容器的测量位置互换，再次测量各自所承担的电压，两次测试中施加的电压必须相等，并按照公式(1)进行绝缘电阻的比值的计算：

$\frac{R_i}{R_{i+1}}=\frac{U_2}{U_1}---\left(1\right);$

所述R_i和R_i+1分别代表两两组合的高压陶瓷电容器各自的绝缘电阻，U₁为首次测量分压比时接地侧电容器(其绝缘电阻为R_i+1)所承担的电压，U₂为再次测量分压比时接地侧电容器(其绝缘电阻为R_i)所承担的电压；

其中进行测量时，两只电容器须用一定长度的金属圆杆来延长电气连接，所述金属圆杆的长度可根据式(2)来选取；

L≥U_R/10                                 (2)；

所述L为金属圆杆长度，单位为cm；U_R为高压陶瓷电容器的额定工作电压、单位为kV；

4)对步骤3)获得的绝缘电阻的比值按照公式(3)和(4)取自然对数，并将其作为自变量x_i和x′_i：

$x_i=\left\{\begin{array}{cc}\ln (R_i/R_{i+1})& 1\&le;i<n\\ \ln (R_n/R_1)& i=n\end{array}\right.---\left(3\right);$

$x_i^{\&prime;}=\left\{\begin{array}{cc}\ln (R_{i+1}/R_i)& 1\&le;i<n\\ \ln (R_1/R_n)& i=n\end{array}\right.---\left(4\right);$

6)对步骤5)获得的自变量x_i和x′_i按照公式(5)和(6)计算获得标准方差S：

$\stackrel{\&OverBar;}{x}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}(x_i+x_i^{\&prime;})}{2n}---\left(5\right);$

$S=\sqrt{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{{(x_i-\stackrel{\&OverBar;}{x})}^2+{(x_i^{\&prime;}-\stackrel{\&OverBar;}{x})}^2}{2n-1}}---\left(6\right);$

7)对由步骤6)获得的标准方差S进行评价，若得到的S值较接近0，且不随外施电压的增大而产生较大的变化，则可判断该批次内高压陶瓷电容器的缺陷水平较低，即质量可靠性较高；若得到的标准方差S值较大，或随外施电压的增大而产生较大的变化，则可判断该批次的高压陶瓷电容器的质量可靠性较差。

本发明的检验和评价方法依据如下技术来实现：

温度的提升和电场的提高能将微小的缺陷对高压陶瓷电容器绝缘电阻特性的影响显现出来。对于质量可靠的高压陶瓷电容器，在工作电压和工作温度范围内，所有电容器的绝缘电阻随电压和温度的变化趋势应一致。反映在概率统计方面，在电压和温度发生变化时，绝缘电阻值的整体分散性应较小。当个别高压陶瓷电容器存在缺陷时，其绝缘电阻值相对较低，这必将使得被考察样本的绝缘电阻值的分散性增大。因此，高压陶瓷电容器的绝缘电阻分散性便可反映该批次高压陶瓷电容器的质量缺陷水平。

然而高压陶瓷电容器的绝缘电阻值巨大(一般大于10000兆欧)，在额定电压下难以准确测量出绝缘电阻值。由欧姆定律可知，两只串联的高压陶瓷电容器在直流电压作用下，各自承担的电压与其绝缘电阻成正比。通过测量两只串联电容器的分压比，便可得出两只电容器的绝缘电阻值之比。将所有电容器进行两两组合，便可测得两只电容器的绝缘电阻的比值(Ratio of Two Capacitors’Resistance，以下简称RTCR)的分散性。由于单只电容器的绝缘电阻分散性反映了绝缘电阻值的大小分布，由概率统计分析可得知，RTCR值的分散性便等价于绝缘电阻的分散性。此外，由于高电压测量设备的可靠性，此种间接测量方法不仅能准确反映绝缘电阻特性，也不会对实验设备带来损害。

试验前，对高压陶瓷电容器依据相应国家标准规定进行样品随机抽取。试验时，将两串高压陶瓷电容器置于接近最高工作温度的高温条件下，从零开始逐渐升高电压，对高压陶瓷电容器的RTCR值的分散性进行测量和统计。但对电容器所施加的最高电压不应超过其额定电压。

若高压陶瓷电容器质量可靠，其绝缘电阻值一致性则很好，则RTCR值应等于1。即使考虑到系统误差及测量误差等不可避免因素的影响，所有RTCR值的数学期望值也近似等于1，且标准偏差近似等于0。若高压陶瓷电容器存在内部缺陷，则其绝缘电阻阻值会降低，所得到的RTCR值将会偏离数学期望值。对RTCR值的分散性作出统计分析即可得到被考察样本的质量缺陷水平，并可利用标准偏差等参数进行量化。

本发明具有以下有益效果：

1、基于缺陷在较高温度和较高电场下对绝缘电阻特性的影响，采用可准确反映绝缘电阻特性的间接测量方法。

2、由于测试时的外施电压和环境温度均在额定电压和允许工作温度的范围内，因此本发明中的方法是一种非破坏性的检测和评价的方法。

3、本发明的方法简便快捷，所需的实验条件简便易行，评价结果经验证能准确的反映高压电容器的质量缺陷水平。

4、本发明所提供的评价方法可用于制造厂商对高压陶瓷电容器质量可靠性的常规检验。

附图说明

图1是直流高压的产生和测量装置电路示意图；

图2是RTCR值的误差修正的等效电路示意图；

图3是A型高压陶瓷电容器在60℃时RTCR值的概率分布图；

图4是B型高压陶瓷电容器在60℃时RTCR值的概率分布图；

图5是两种样本在60℃下质量缺陷水平的评价结果。

具体实施方式

符合本发明的一种高压陶瓷电容器质量缺陷水平的非破坏检测和评价的方法，所述的方法包括以下步骤：

(1)样本的抽取方式及编号方式

对同一批次的高压陶瓷电容器进行样品的抽取。对于连续批高压陶瓷电容器样本的选取应采用简单随机抽样方法(详见GB/T3358.1-1993的5.7)或多次抽样的方法(详见GB-T 2828.1-2003的8.1)，对于孤立批高压陶瓷电容器的样本选取应采用GB-T2828.2-2008的4.1中的模式A进行抽样，并对随机抽取的样本按1号至n号的顺序进行编号。其中该随机抽取的样本中的高压陶瓷电容器的绝缘电阻相应的分别为R₁、……R_n。

(2)样本的组合

对高压陶瓷电容器样本进行依次两两组合，即1号和2号、2号和3号、……、(n-1)号和n号、n号和1号。这种组合方式可以使每只电容器样品所施加电压的次数均为两次，在避免了累积效应的同时还保证了数据的全面性。

(3)RTCR值的测量

在外施电压不超过额定电压的条件下，对步骤2)两两组合的高压陶瓷电容器样本进行绝缘电阻的比值测试。即在首次测得两只电容器各自承担的电压之后，将两只电容器的测量位置互换，再次测量各自所承担的电压，两次测试中施加的电压必须相等，并按照公式(1)进行绝缘电阻的比值的计算：

$\frac{R_i}{R_{i+1}}=\frac{U_2}{U_1}---\left(1\right).$

所述R_i和R_i+1分别代表两两组合的高压陶瓷电容器各自的绝缘电阻，U₁为首次测量分压比时接地侧电容器(其绝缘电阻为R_i+1)所承担的电压，U₂为再次测量分压比时接地侧电容器(其绝缘电阻为R_i)所承担的电压。

其中进行测量时，两只电容器须用一定长度的金属圆杆来延长电气连接，所述金属圆杆的长度可根据式(2)来选取；

L≥U_R/10                          (2)。

所述L为金属圆杆长度，单位为cm；U_R为高压陶瓷电容器的额定工作电压、单位为kV。从而避免两只电容器之间的电晕或闪络等放电现象影响RTCR值的准确性，测量时两串电容器须用一定长度的金属圆杆来延长电气连接。

由于试品为电容性负载，施加在两串电容器组上的直流电压能保持稳定，故实验中的直流产生电路采用半波整流电路即可。如图1所示，直流高压的产生和测量装置主要由调压器T₁、工频试验变压器T₂、整流二极管元件D、滤波电容器C_f、保护电阻R_P1和R_P2和静电电压表V₁和V₂等组成。其中静电电压表V₁用于测量施加在两只电容器上的总电压，静电电压表V₂用于测量接地侧电容器承担的电压。测量电路接地侧电容器上的电压(即电压表V₂)可以采用合适量程的静电电压表，外施直流高电压的测量(即电压表V₁)也可以采用静电电压表。

由于高压陶瓷电容器绝缘电阻值对电压的变化较为敏感，因此直流产生电路中的滤波电容器的电容量必须远大于样品的电容量，这样就能防止泄漏电流较大导致的电压下降，保证了直流高电压的稳定性。

此外，所有设备和测量仪器应经过校正，以保证测量结果的准确无误。

另外，在测量时，好需要注意环境温度及外施电压水平。环境温度不应超过高压陶瓷电容器的最高工作温度，以防电容器包封材料发生变性。考虑到温箱在升温过程中将会超过预设温度，为了保证电容器的安全，可以选取低于最高工作温度10～20℃来进行RTCR值的分散性评价。在进行RTCR值的测量时，外施电压也不应超过两只高压陶瓷电容器的额定电压之和。由于本评价方法的外施电压和环境温度均在额定电压和工作温度范围内，因此不会对电容器的性能造成损害，这也是本方法的一个显著优点。

由于静电电压表V₂的引入会使两串分压比的测量结果产生系统误差，因此必须对测量结果进行误差修正。误差修正的方法为：在首次测得两只电容器所承担的电压之后(如图2-a所示)，将两只电容器的测量位置互换，再次测量各自所承担的电压(如图2-b所示)。误差修正实验的过程中，两次施加的外电压应相等。图2中，R_x代表静电电压表V₂的绝缘电阻，R_i和R_i+1分别代表两只电容器各自的绝缘电阻。U₁为首次测量分压比时接地侧电容器(其绝缘电阻为R_i+1)所承担的电压，U₂为再次测量分压比时接地侧电容器(其绝缘电阻为R_i)所承担的电压。

(4)RTCR值的统计分析方法

为了使不同厂家的高压陶瓷电容器的评价结果可相互比较，对RTCR值取自然对数，并将其作为自变量进行概率统计分析。由两只高压陶瓷电容器可同时得出两个数据，即ln(R_i/R_i+1)和ln(R_i+1/R_i)。在概率统计分析过程中，为了保证样数据的完整性及评价的准确性，两种数据必须全部计入。

式(3)和式(4)给出了两个自变量的计算公式：

$x_i=\left\{\begin{array}{cc}\ln (R_i/R_{i+1})& 1\&le;i<n\\ \ln (R_n/R_1)& i=n\end{array}\right.---\left(3\right);$

$x_i^{\&prime;}=\left\{\begin{array}{cc}\ln (R_{i+1}/R_i)& 1\&le;i<n\\ \ln (R_1/R_n)& i=n\end{array}\right.---\left(4\right).$

(5)计算标准方差

表征离散数据分散性的参数为数学期望值和标准偏差，本方法中的数学期望值计算公式如式(5)所示，标准偏差的计算公式如式(6)所示，式中n为电容器样本的总数量。

$\stackrel{\&OverBar;}{x}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}(x_i+x_i^{\&prime;})}{2n}---\left(5\right);$

$S=\sqrt{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{{(x_i-\stackrel{\&OverBar;}{x})}^2+{(x_i^{\&prime;}-\stackrel{\&OverBar;}{x})}^2}{2n-1}}---\left(6\right).$

由式(5)和式(6)可知，在对RTCR值取自然对数后，所得到的变量的数学期望值恒为零。从而，高压陶瓷电容器的质量评价仅用标准偏差一个参数即可，这也便于各种高压陶瓷电容器的质量可靠性的对比，进而可以在有多种选择条件时选择质量最优的一种。

在获得批次内所有抽样样品的RTCR值之后，可通过软件编程来计算出自变量的标准偏差S。

(6)高压陶瓷电容器缺陷水平的评价方法

批次内高压陶瓷电容器的缺陷水平较低，即质量可靠性较高时，计算得到的S值应较接近0(理想情况为0，但实际会受到误差的影响)，且随着外施电压的增大基本恒定。当高压陶瓷电容器的质量可靠性较差时，S值较大，且随外施电压的增大而增大。

下面通过具体实验说明本发明的效果。

(1)样本的抽取

抽样得到的两种II类高压陶瓷电容器为：A型高压陶瓷电容器(20kV，3300pF)共计50只，B型高压陶瓷电容器(15kV，5300pF)共计50只。两种样本的工作温度范围均为20～80℃。

(2)常规性能的检测结果

对两种高压陶瓷电容器先进行如国家标准GB/T 2693-2001和GB/T 9322-1988中规定的常规性能检测。检测内容及结果为：

1、对样品施加1.5倍U_R的直流高压，两种样品均未发生击穿或飞弧，均符合国家标准的要求；

2、对两种样品进行电容量测量，电容量均符合国家标准的要求；

3、对两种样品进行介质损耗测量，介质损耗均符合国家标准的要求；

4、测量两种样品的绝缘电阻，绝缘电阻值均大于10000MΩ，均符合国家标准的要求。

由此可知，两种高压陶瓷电容器样本的性能指标都符合国家标准的要求。

(3)本发明中检测和评价方法的实验结果

实验前，将两串电容器组置于温箱中，并在60℃下保持4～6小时使得高压陶瓷电容器本体温度分布的均匀。为了不使电容器的包封材料在实验过程中发生损坏，实验在60℃下(低于最高工作温度20℃)测量两只电容器的RTCR值。实验中采用了长5cm、直径6mm的铜制圆杆进行电气连接，以防止电晕或闪络现象的发生。

图3和图4分别为A型和B型电容器样品在60℃时两串分压比的统计分布图。由图3和图4可知，A型高压陶瓷电容器RTCR值的分散性随电压的增加逐渐增大，B型高压陶瓷电容器RTCR值的一致性比较好。对两种样本进行如前所述的数据处理，可得如图5所示的质量缺陷水平的评价结果。由图5容易得知，本方法的评价结果为：A型高压陶瓷电容器的质量缺陷水平较高，其质量可靠性较低；B型高压陶瓷电容器样品的质量缺陷水平较低，其质量可靠性较高。

(4)评价结果的验证

为了验证缺陷水平的检测及评价结果的正确性，结合脉冲功率技术的实际需求，将五只高压陶瓷电容器串联后置于变压器油中对其条件更为严苛的直流耐压实验。

升压方式为：电压从最低值即零电压开始，匀速升压，速率约为3-4kV/s，电压升至5UN，并保持电压3min，记录电容器发生击穿的时间及试验过程中的现象。

试验结果为：十组A型高压陶瓷电容器均未通过此项耐压试验，十组B型高压陶瓷电容器均能稳定耐受60kVDC的直流电压。这表明了对两种高压陶瓷电容器样品的缺陷水平检测的评价结果的准确性。

对比常规性能检测结果可知，本发明方法能更有效地检测出高压陶瓷电容器可能存在的缺陷。在具体实施例中，两种高压陶瓷电容器样品之间的质量差异在60℃、10kV的试验条件下即能得到显著的区分，且电压越高区分度越好。

Claims (1)

1.一种高压陶瓷电容器质量缺陷水平的非破坏检测和评价的方法，其特征在于：

1)对同一批次的高压陶瓷电容器进行样本抽取，并对抽取的高压陶瓷电容器样本按1号至n号的顺序编号；

2)对高压陶瓷电容器样本进行依次两两组合，即1号和2号、2号和3号、......、(n-1)号和n号、n号和1号；

3)在外施电压不超过额定电压的条件下，对步骤2)两两组合的高压陶瓷电容器样本进行绝缘电阻的比值测试，在首次测得两只电容器各自承担的电压之后，将两只电容器的测量位置互换，再次测量各自所承担的电压，两次测试中施加的电压必须相等，并按照公式(1)进行绝缘电阻的比值的计算：

$\frac{R_i}{R_{i+1}}=\frac{U_2}{U_1}---\left(1\right);$

所述R_i和R_i+1分别代表两两组合的高压陶瓷电容器各自的绝缘电阻，U₁为首次测量分压比时接地侧电容器(其绝缘电阻为R_i+1)所承担的电压，U₂为再次测量分压比时接地侧电容器(其绝缘电阻为R_i)所承担的电压；

其中，进行测量时，两只电容器须用一定长度的金属圆杆来延长电气连接，所述金属圆杆的长度可根据式(2)来选取；

L≥U_R/10                                       (2)；

所述L为金属圆杆长度，单位为cm；U_R为高压陶瓷电容器的额定工作电压、单位为kV；

4)对步骤3)获得的绝缘电阻的比值按照公式(3)和(4)取自然对数，并将其作为自变量x_i和x′_i：

$x_i=\left\{\begin{array}{cc}\ln (R_i/R_{i+1})& 1\&le;i<n\\ \ln (R_n/R_1)& i=n\end{array}\right.---\left(3\right);$

$x_i^{\&prime;}=\left\{\begin{array}{cc}\ln (R_{i+1}/R_i)& 1\&le;i<n\\ \ln (R_1/R_n)& i=n\end{array}\right.---\left(4\right);$

5)对步骤4)获得的自变量x_i和x′_i按照公式(5)和(6)计算获得标准方差S：

$\stackrel{\&OverBar;}{x}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}(x_i+x_i^{\&prime;})}{2n}---\left(5\right);$

$S=\sqrt{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{{(x_i-\stackrel{\&OverBar;}{x})}^2+{(x_i^{\&prime;}-\stackrel{\&OverBar;}{x})}^2}{2n-1}}---\left(6\right);$

6)对由步骤5)获得的标准方差S进行评价，若得到的S值较接近0，且不随外施电压的增大而产生较大的变化，则可判断该批次内高压陶瓷电容器的缺陷水平较低，即质量可靠性较高；若得到的标准方差S值较大，或随外施电压的增大而产生较大的变化，则可判断该批次的高压陶瓷电容器的质量可靠性较差。

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