CN109683072A - 一种用于交直流复合电压下的金属化膜自愈装置 - Google Patents

一种用于交直流复合电压下的金属化膜自愈装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于交直流复合电压下的金属化膜自愈装置，包括直流电压模块、交流电压模块和自愈发生模块；所述直流电压模块用于输出大小可调的直流电压，所述交流电压模块用于输出幅值、频率均可调的交流电压，所述自愈发生模块用于在所述直流电压或交流电压的作用下发生自愈击穿；本发明的自愈装置成本低、操作方便，输出电压波形畸变小，提高了自愈参数测量的准确度；本发明通过对金属化膜分开施加直流电压与交流电压，可自主调节不同类型电压施加的顺序，以及幅值、频率和升压速率，对研究空间电荷对金属化膜自愈特性的影响具有重要意义。

Description

一种用于交直流复合电压下的金属化膜自愈装置
技术领域
本发明属于高压电工领域，更具体地，涉及一种用于交直流复合电压下的金属化膜自愈装置。
背景技术
金属化膜电容器一般由2～10μm厚薄膜，在其上蒸镀厚度为纳米级的铝或锌-铝金属卷绕而成。在外加电场作用下，薄膜中的电弱点(杂质或缺陷)发生击穿，金属电极在短路电弧的高温等离子体作用下迅速蒸发和向外扩散，使得绝缘恢复，发生“自愈”。自愈特性在提高工作场强的同时以电容量不断下降为代价。自愈成功与否和自愈能量密切相关，自愈能量过高时，击穿点电弧不能熄灭，导致电容介质薄膜击穿烧结。国内外学者多采用金属化膜击穿方法研究其自愈特性，通过测量自愈过程中试品膜上的电压、电流波形参量来研究自愈相关参数。
金属化膜电容器具有体积小、可靠性高和干式无油的特点，广泛应用在电力机车、新能源、柔性直流等领域的高性能电力电子装置中。其工作时承受直流叠加谐波电压作用，谐波分量以工频为主。目前，国内外的学者对金属化膜的自愈特性的研究大多集中在直流电压下，所得结论可能不完全适用于工作在直流叠加谐波电压下的金属化膜电容器，交流电压的存在会使得金属化薄膜的击穿过程更为复杂，因此迫切需要一种能够满足金属化膜在交直流电压叠加条件下的自愈击穿的实验装置，用以研究金属化膜在交直流电压叠加作用下的自愈特性。
对于交直流电压叠加，常用方法是利用任意波形发生器产生直流叠加谐波的低压信号，再利用高压信号放大器进行放大，该方法虽然实现简单，但设备造价昂贵，无法连续调压且输出波形易失真。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种用于交直流复合电压下的金属化膜自愈装置，旨在解决现有的交直流电压叠加方法成本昂贵，无法连续调压且输出波形易失真，不能满足金属化膜自愈实验要求的问题。
为实现上述目的，本发明一方面提供了一种用于交直流复合电压下的金属化膜自愈装置，包括：直流电压模块、交流电压模块和自愈发生模块；
所述自愈发生模块的两端分别与所述直流电压模块的输出端和所述交流电压模块的输出端连接，所述自愈发生模块的负载端接地；
所述直流电压模块的输入端和所述交流电压模块的输入端连接市电；
所述直流电压模块用于输出大小可调的直流电压；
所述交流电压模块用于输出频率、幅值均可调的交流电压；
所述自愈发生模块用于在所述直流电压、交流电压单独作用下，或所述直流电压与交流电压叠加作用下发生自愈击穿。
优选地，所述自愈发生模块包括：被测试品、采样电阻、稳压大电容、充电电阻和隔直单元；
所述被测试品与所述采样电阻串联后，与所述稳压大电容并联；
所述充电电阻与所述并联部分串联后，与所述直流电压模块的输出端连接，用于控制充电电流和所述直流电压模块的输出功率；
所述隔直单元与所述并联部分串联后，与所述交流电压模块的输出端连接，用于阻隔直流电流进入所述交流电压模块，控制所述交流电压模块的输出功率。
进一步优选地，所述隔直单元为RC串联电路。
进一步优选地，所述隔直单元包括：隔直电容和限流电阻；
所述限流电阻的一端与所述交流电压模块的输出端连接，另一端与所述隔直电容的一端连接；
所述隔直电容的另一端与所述被测试品连接。
进一步地，所述被测试品为金属面朝上且层叠放置的两层单面金属化膜，所述两层金属化膜的金属电极之间通过聚丙烯膜隔开，并设置留边，位于上层的金属化膜较宽，与高压电极连接，位于下层的金属化膜与地电极连接，所述被测试品上方覆盖环氧绝缘板，放置在不锈钢加热平台上；
所述两层单面金属化膜的金属电极的重叠部分为有效电极区域，在所述有效电极区域上方通过液压装置对所述环氧绝缘板施加压力以模拟实际金属化膜电容器中由于卷绕而产生的层间压强，通过加热被所述测试品以模拟实际金属化膜电容器工作时发热产生的温升。
优选地，所述直流电压模块包括：第一调压器、第一升压变压器和硅堆；
所述第一调压器的输入端连接市电，输出端通过所述第一升压变压器与所述硅堆的输入端连接；所述硅堆的输出端与所述充电电阻连接。
优选地，所述交流电压模块包括：第二调压器、整流桥、稳压电容、逆变桥和第二升压变压器；
所述第二调压器的输入端接电源，输出端通过所述整流桥和逆变桥与所述第二升压变压器的输入端连接；所述稳压电容并联在所述整流桥两端；所述第二升压变压器的输出端与所述限流电阻连接。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：
本发明的自愈装置成本低、操作方便，输出电压波形畸变小，提高了自愈参数测量的准确度。
本发明通过对金属化膜分开施加直流电压与交流电压，可自主调节不同类型电压施加的顺序，以及幅值、频率和升压速率，对研究空间电荷对金属化膜自愈特性的影响具有重要意义。
附图说明
图1是本发明的用于交直流复合电压下的金属化膜自愈装置的结构示意图；
图2是本发明的用于交直流复合电压下的金属化膜自愈装置具体实施结构图；
图3是本发明的自愈装置中被测试品的布置方式示意图；
图4是通过本发明的自愈装置施加在被测试品上的直流叠加交流电压波形；
图5是被测试品在直流叠加交流电压下发生自愈击穿时局部放大的电压电流波形图；
图6是被测试品在多个交流电压周期下发生自愈时的电压和电流波形；
1为直流电压模块，2为交流电压模块，3为自愈发生模块。
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。
如图1所示，本发明实施例提供的一种用于交直流复合电压下的金属化膜自愈装置包括：直流电压模块1、交流电压模块2和自愈发生模块3；
自愈发生模块3的两端分别与直流电压模块1的输出端和交流电压模块2的输出端连接，自愈发生模块3的负载端接地；
直流电压模块1的输入端和交流电压模块2的输入端连接市电；
直流电压模块1用于输出大小可调的直流电压；
交流电压模块2用于输出频率、幅值均可调的交流电压；
自愈发生模块3用于在所述直流电压、交流电压单独作用下，或所述直流电压与交流电压叠加作用下发生自愈击穿。
具体地，如图2所示，直流电压模块1包括：调压器T1、升压变压器T2和硅堆D；调压器T1通过升压变压器T2与硅堆D连接；
交流电压模块2包括：调压器T3、整流桥、稳压电容C2、逆变桥和升压变压器T4；
调压器T3通过整流桥与稳压电容C2并联，所述并联部分通过逆变桥与升压变压器T4连接；
自愈发生模块3包括：充电电阻R0、采样电阻R1、限流电阻R2、稳压大电容C0、隔直电容C1和被测试品；
被测试品与采样电阻R1串联后与稳压大电容C0并联，所述并联部分一端通过充电电阻R0与硅堆D连接，另一端通过隔直电容C1和限流电阻R2串联后与升压变压器T4连接。
采样电阻R1选用阻值为1Ω的无感电阻，通过测量采样电阻R1上的电压信号来测量击穿时流过试品的电流；
稳压大电容C0用于稳定所述被测试品两端电压并为所述试品自愈过程提供能量，一般选取的电容值C0>>10Cs，Cs为被测试品的电容量；
当直流电流流经交流变压器的绕组，直流电流成为变压器励磁电流的一部分，该直流电流使变压器铁心偏磁，工作点改变，原来磁化曲线工作区的一部分移至铁心磁饱和区，造成总励磁电流变成尖顶波，最终导致变压器输出波形畸变、振动增大以及损耗加，因此设置隔直电容C1用于避免直流电流流入升压变压器T4，同时为使交流电压模块2输出的大部分交流电压施加在C0上，也即被测试品两端，宜选取C1>10C0；
直流电压模块通过充电电阻R0对被测试品施加直流电压，为防止充电电流过大和被测试品发生自愈时放电脉冲被电源的杂散电容旁路，宜选取R0>>10/ωC0，但R0也不宜过大，避免因充电时间常数τ＝R0C0太大，造成被测试品电容两端电压上升太慢，宜选取R0≤1/10C0；
为防止交流电压模块输出的交流电压在限流电阻R2上的分压过大，导致被测试品上分压不足，宜选取R2＜1/ωC1；
R0和R2的阻值选取应使得被测试品被击穿时，流经直流电压模块1和交流电压模块2的电流均不超过各自的额定输出电流。
上述装置中，被测试品的布置方式如图3所示，被测试品为金属面朝上且层叠放置的两层单面金属化膜，且上层金属化膜较下层金属化膜更宽，两层金属化膜的金属电极之间通过聚丙烯膜隔开，并设置留边，上层金属化膜与高压电极连接，下层金属化膜与地电极连接，留边以及上层金属化膜更宽均是为了预留充足的沿面距离，防止上下两层膜的金属电极发生沿面闪络，被测试品上方覆盖环氧绝缘板后，放置在不锈钢加热平台上；
上层金属化膜与下层金属化膜金属电极的重叠部分为有效电极区域，在有效电极区域上方通过液压装置对环氧绝缘板施加压力以模拟实际金属化膜电容器中由于卷绕而产生的层间压强，通过加热被测试品以模拟实际金属化膜电容器工作时发热产生的温升。
本发明的自愈装置能够在实验中对金属化膜试品施加如图4所示的直流电压，以及幅值和频率均可调交流电压，满足直流叠加交流电压条件下的金属化膜发生自愈的实验要求。
为研究直流叠加交流电压幅值和频率对金属化膜自愈特性的影响，实验时，先对被测试品金属化膜施加给定幅值和频率的交流电压，然后启动直流电压模块，以一定升压速率给金属化膜试品施加直流电压，直至金属化膜试品发生自愈，流过被测试品的电流从零上升到峰值，而后下降到零，与此同时试品两端的电压从击穿前的电压值减小至一定值，而后恢复到击穿前的电压值，整个过程持续几微妙到数十微妙，通过示波器记录上述波形，得到如图5所示的电压ucs(t)、电流ics(t)变化曲线。
为记录自愈发生在直流叠加交流电压下的击穿相位，通过存储时间更长的录播仪记录被测试品在多个交流电压周期下发生自愈时的电压和电流波形，即可得到如图6所示的电压ucs(t)、电流ics(t)变化曲线，从而得到试品发生击穿时对应的电压相位。
本发明的装置中直流电压模块1和交流电压模块2可单独作用，用于研究电压类型对金属化膜自愈特性的影响；直流电压模块1和交流电压模块2也可共同作用，通过改变直流电压和交流电压的预加顺序，用于研究空间电荷对金属化膜自愈特性的影响。
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 (8)

1.一种用于交直流复合电压下的金属化膜自愈装置，其特征在于，包括：直流电压模块、交流电压模块和自愈发生模块；
所述自愈发生模块的两端分别与所述直流电压模块的输出端和所述交流电压模块的输出端连接，所述自愈发生模块的负载端接地；
所述直流电压模块的输入端和所述交流电压模块的输入端连接市电；
所述直流电压模块用于输出大小可调的直流电压；
所述交流电压模块用于输出频率、幅值均可调的交流电压；
所述自愈发生模块用于在所述直流电压、交流电压单独作用下，或所述直流电压与交流电压叠加作用下发生自愈击穿。
2.根据权利要求1所述的一种用于交直流复合电压下的金属化膜自愈装置，其特征在于，所述自愈发生模块包括：被测试品、采样电阻、稳压大电容、充电电阻和隔直单元；
所述被测试品与所述采样电阻串联后，与所述稳压大电容并联；
所述充电电阻与所述并联部分串联后，与所述直流电压模块的输出端连接，用于控制充电电流和所述直流电压模块的输出功率；
所述隔直单元与所述并联部分串联后，与所述交流电压模块的输出端连接，用于阻隔直流电流进入所述交流电压模块，控制所述交流电压模块的输出功率。
3.根据权利要求2所述的一种用于交直流复合电压下的金属化膜自愈装置，其特征在于，所述隔直单元为RC串联电路。
4.根据权利要求3所述的一种用于交直流复合电压下的金属化膜自愈装置，其特征在于，所述隔直单元包括：隔直电容和限流电阻；
所述限流电阻的一端与所述交流电压模块的输出端连接，另一端与所述隔直电容的一端连接；
所述隔直电容的另一端与所述被测试品连接。
5.根据权利要求2所述的一种用于交直流复合电压下的金属化膜自愈装置，其特征在于，所述被测试品为金属面朝上且层叠放置的两层单面金属化膜，所述两层金属化膜的金属电极之间通过聚丙烯膜隔开，并设置留边，位于上层的金属化膜较宽，与高压电极连接，位于下层的金属化膜与地电极连接，所述被测试品上方覆盖环氧绝缘板。
6.根据权利要求5所述的一种用于交直流复合电压下的金属化膜自愈装置，其特征在于，所述两层单面金属化膜的金属电极的重叠部分为有效电极区域，在所述有效电极区域上方通过液压装置对所述环氧绝缘板施加压力以模拟实际金属化膜电容器中由于卷绕而产生的层间压强，通过加热被所述测试品以模拟实际金属化膜电容器工作时发热产生的温升。
7.根据权利要求1-6任一项所述的一种用于交直流复合电压下的金属化膜自愈装置，其特征在于，所述直流电压模块包括：第一调压器、第一升压变压器和硅堆；
所述第一调压器的输入端连接市电，输出端通过所述第一升压变压器与所述硅堆的输入端连接；所述硅堆的输出端与所述充电电阻连接。
8.根据权利要求1-7任一项所述的一种用于交直流复合电压下的金属化膜自愈装置，其特征在于，所述交流电压模块包括：第二调压器、整流桥、稳压电容、逆变桥和第二升压变压器；
所述第二调压器的输入端连接市电，输出端通过所述整流桥和逆变桥与所述第二升压变压器的输入端连接；所述稳压电容并联在所述整流桥两端；所述第二升压变压器的输出端与所述限流电阻连接。
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