CN104953553A - 一种干式金属化膜电容器气敏保护装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种金属化膜电容器保护装置和方法，干式金属化膜电容器内部不灌封或采用灌封的干式结构，电容器顶部存在一定高度的空隙。热传导型氢气传感器及其检测电路构成的气敏保护装置安装于电容器顶部。当电容器内部元件出现击穿故障时，元件内部会产生大量气体并逸出，该气体会最终汇聚到电容器顶部的空隙中。元件产气中，经检测氢气体积约占85％，因此，该产气会导致电容器顶部空隙中氢气浓度的变化，从而导致检测电路输出信号的变化，实现金属化膜电容器内部故障的检测。检测到故障信号后，可从外部切断电容器电源，从而防止电容器故障继续发展导致电容器爆裂等事故的发生，实现电容器的故障检测和保护。

Description

一种干式金属化膜电容器气敏保护装置和方法

技术领域

本发明属于电气设备技术领域，更具体地，涉及一种干式金属化膜电容器气敏保护装置和方法。

背景技术

金属化膜电容器由金属化膜构成，由于其金属电极厚度很薄，仅为nm级，因而具有自愈特性，内部电弱点击穿后可恢复绝缘，可以工作在临界击穿场强下，大大提高了介质膜的储能密度，减小储能元件的体积。目前金属化膜电容器常作为脉冲功率电源的储能器件，或用于电力系统交直流滤波和无功补偿等场合。

当金属化膜电容器内部介质出现明显老化、运行于高温环境、耐受电压过高或以上因素同时作用时，金属化膜电容器会出现由于自愈失败导致的击穿鼓肚现象，在金属化膜电容器元件击穿的同时，击穿点的高温会导致电容器元件内部聚丙烯膜的分解，从而产生大量气体。如不能及时将电容器从电源切除，会使得金属化膜电容器内部故障元件持续产气最终可能导致电容器爆裂着火，对周围的电气设备造成二次损害，因此，及时有效地对电容器内部故障进行检测并切除故障电容器对于保障设备安全具有重要的意义。

目前，干式金属化膜电容器的保护方式多采用压力保护、温度保险丝保护和熔丝保护等。压力保护的工作原理是电容器故障时产生气体导致电容器内部气压变大，使得电容器外壳变形拉断内部保护装置切断电源，采用压力保护装置的电容器必须待电容器内部气压达到一个较大的值时才能动作，可能出现动作不及时的风险，且压力保护装置一般为机械装置，存放时间长可能出现失效的情况。温度保险丝保护的工作原理是将温度保险丝置于电容器元件芯轴内部，当电容器元件故障时会产生局部高温，使得温度熔丝熔断。该方法存在的问题在于，电容器元件故障时其局部热点的位置随机性很大，无法保证局部热点与温度保险丝所在位置重合以使温度保险丝熔断；此外，熔丝保护的工作原理是利用电容器元件短路时出现低阻短路使得电容器其余并联部分对该短路点放电产生大电流使得熔丝熔断，然而，在金属化膜电容器中，击穿点的短路电阻会在Ω～MΩ之间变化，若出现高阻短路则熔丝无法熔断，该方法的可靠性无法保证。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种干式金属化膜电容器气敏保护装置和方法，其目的在于，利用电容器元件故障产气导致电容器内部空隙中氢气含量的变化对电容器内部故障进行检测，并给出信号以切断干式金属化膜电容器电源，从而克服现有方法中存在的可靠性差的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种干式金属化膜电容器的保护装置，包括热传导型氢气传感器和检测电路，检测电路包括彼此串联连接的第一电阻、电位器、以及第二电阻，第一电阻远离电位器的一端与工作电压的负极以及氢气传感器4的第一输入端电连接，第二电阻远离电位器的一端与工作电压的正极以及氢气传感器的第二输入端电连接，氢气传感器的输出端和电位器的滑动端作为检测电路的电压输出端，分别引出两根信号线至干式金属化膜电容器的外部。

优选地，第一电阻、电位器、以及第二电阻之间的电阻值之比为4:1:4。

优选地，氢气传感器为热传导式氢气传感器。

按照本发明的另一方面，提供了一种干式金属化膜电容器，包括多个电容器元件以及上述保护装置，保护装置设置于干式金属化膜电容器内顶部的一侧，多个电容器元件设置于干式金属化膜电容器内，电容器元件与干式金属化膜电容器顶部之间具有空隙。

按照本发明的另一方面，提供了一种干式金属化膜电容器的保护方法，是应用在上述干式金属化膜电容器的保护装置中，该方法包括以下步骤：

(1)将保护装置置于氢气浓度为0ppm的环境中，并调节电位器，使得检测电路的输出电压为0mV；

(2)将保护装置置于氢气体积浓度为N的环境中，并测量此时检测电路的输出电压值U_N。

(3)确定保护装置所处环境中氢气体积浓度n与检测电路的输出电压U之间的关系：n＝U*(N/U_N)。

(4)将保护装置安装于干式金属化膜电容器的顶部，将干式金属化膜电容器接入电源，当干式金属化膜电容器内部有电容器元件出现击穿短路故障时，电容器元件大量产气，该气体最终汇聚到干式金属化膜电容器顶部的空隙中；

(5)判断保护装置的电压输出端处的输出电压信号是否达到设定阈值，如果到达，则给出报警信号，并将干式金属化膜电容器从电源切除，否则继续等待气体汇聚到干式金属化膜电容器顶部的空隙中。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、本发明方法可较为灵敏地对金属化膜电容器内部故障进行检测，检测方式简便有效；

2、本发明的保护装置安装于干式金属化膜电容器内的顶部，便于安装和检修；

3、本发明采用的检测电路结构较为简单，其运行稳定性和安全性较好。

附图说明

图1是本发明干式金属化膜电容器的保护方法的流程图。

图2是本发明干式金属化膜电容器的保护装置的示意图。

图3是具有本发明保护装置的干式金属化膜电容器的局部剖视图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明的思路在于，提供一种干式金属化膜电容器的保护装置和方法，其作用在于当金属化膜电容器内部元件出现击穿短路故障时，电容器元件会产生大量气体，该气体主要成分为氢气。电容器元件产生的气体最终会汇聚到电容器顶部的空隙中，使得该部分空间气体成分中氢气含量增大，氢气含量增大会导致电容器顶部的氢气传感器阻值变大，通过检测电路使得输出信号变化，从而实现电容器内部故障的检测，最终可根据输出信号的变化对电容器内部故障情况进行判断，做出是否断开电容器电源的判断。

如图2所示，本发明干式金属化膜电容器的保护装置包括热传导型氢气传感器4和检测电路，检测电路包括彼此串联连接的第一电阻1、电位器2、以及第二电阻3，第一电阻1远离电位器2的一端与工作电压的负极以及氢气传感器4的第一输入端电连接，第二电阻3远离电位器2的一端与工作电压的正极以及氢气传感器4的第二输入端电连接，氢气传感器4的输出端和电位器2的滑动端作为检测电路的电压输出端，分别引出两根信号线至干式金属化膜电容器的外部。

在本实施方式中，第一电阻1、电位器2、以及第二电阻3之间的电阻值之比为4:1:4，优选地，三者的电阻值分别为2kΩ、500Ω、以及2kΩ。

在本实施方式中，氢气传感器4为热传导式氢气传感器。

如图3所示，本发明干式金属化膜电容器的保护装置5是设置在干式金属化膜电容器7内顶部的一侧，该干式金属化膜电容器7中设置有多个电容器元件，且该电容器元件与该干式金属化膜电容器7顶部之间具有一定的空隙6，其高度一般为10至20厘米。

如图1所示，本发明干式金属化膜电容器的保护方法是应用在上述干式金属化膜电容器的保护装置中，且该方法包括以下步骤：

(1)将保护装置置于氢气浓度为0ppm的环境中，并调节电位器，使得检测电路的输出电压为0mV；

(2)将保护装置置于氢气体积浓度为N的环境中，并测量此时检测电路的输出电压值U_N。

(3)确定保护装置所处环境中氢气体积浓度n与检测电路的输出电压U之间的关系：n＝U*(N/U_N)。

(4)将保护装置安装于干式金属化膜电容器的顶部，将干式金属化膜电容器接入电源，当干式金属化膜电容器内部有电容器元件出现击穿短路故障时，电容器元件大量产气，该气体最终汇聚到干式金属化膜电容器顶部的空隙中；

(5)判断保护装置的电压输出端处的输出电压信号是否达到设定阈值(该阈值与干式金属化膜顶部空隙大小有关，空隙越大阈值越小)，如果到达，则给出报警信号，并将干式金属化膜电容器从电源切除，否则继续等待气体汇聚到干式金属化膜电容器顶部的空隙中。

具体而言，对电容器元件击穿短路过程中产生的气体的成分进行检测，结果见表1，由表1可知电容器元件产气中氢气体积占绝大部分(85％)，因此，当元件产气汇聚到金属化膜电容器整机顶部空隙时，该空隙内氢气的含量会明显上升，从而引起氢气传感器阻值减小，输出电压信号变大。

表1 电容器元件产气成分检测

气体成分

H2

CH4

CO

CO2

C2H4

C2H2

C2H6

测试1

85.4％

3.7％

5.8％

0.1％

0.6％

4.1％

0.3％

测试2

85.1％

3.8％

5.9％

0.1％

0.7％

4.1％

0.3％

测试3

84.5％

3.9％

6.3％

0.1％

0.7％

4.2％

0.3％

平均值

85.0％

3.8％

6.0％

0.1％

0.7％

4.1％

0.3％

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种干式金属化膜电容器的保护装置，包括热传导型氢气传感器和检测电路，检测电路包括彼此串联连接的第一电阻、电位器、以及第二电阻，其特征在于，

第一电阻远离电位器的一端与工作电压的负极以及氢气传感器4的第一输入端电连接；

第二电阻远离电位器的一端与工作电压的正极以及氢气传感器的第二输入端电连接；

氢气传感器的输出端和电位器的滑动端作为检测电路的电压输出端，分别引出两根信号线至干式金属化膜电容器的外部。

2.根据权利要求1所述的保护装置，其特征在于，第一电阻、电位器、以及第二电阻之间的电阻值之比为4:1:4。

3.根据权利要求1所述的保护装置，其特征在于，氢气传感器为热传导式氢气传感器。

4.一种干式金属化膜电容器，包括多个电容器元件以及根据权利要求1至3中任意一项所述的保护装置，其特征在于，

保护装置设置于干式金属化膜电容器内顶部的一侧；

多个电容器元件设置于干式金属化膜电容器内；

电容器元件与干式金属化膜电容器顶部之间具有空隙。

5.一种干式金属化膜电容器的保护方法，是应用在权利要求1至3中任意一项所述的干式金属化膜电容器的保护装置中，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)将保护装置置于氢气浓度为0ppm的环境中，并调节电位器，使得检测电路的输出电压为0mV；

(2)将保护装置置于氢气体积浓度为N的环境中，并测量此时检测电路的输出电压值U_N。

(3)确定保护装置所处环境中氢气体积浓度n与检测电路的输出电压U之间的关系：n＝U*(N/U_N)。

(4)将保护装置安装于干式金属化膜电容器的顶部，将干式金属化膜电容器接入电源，当干式金属化膜电容器内部有电容器元件出现击穿短路故障时，电容器元件大量产气，该气体最终汇聚到干式金属化膜电容器顶部的空隙中；

(5)判断保护装置的电压输出端处的输出电压信号是否达到设定阈值，如果到达，则给出报警信号，并将干式金属化膜电容器从电源切除，否则继续等待气体汇聚到干式金属化膜电容器顶部的空隙中。