CN112444700A - 一种自愈式金属化膜电容器自愈性能的测试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种自愈式金属化膜电容器自愈性能的测试方法，包括测试装置，所述测试装置包括脉冲抽取单元M1和与脉冲抽取单元M1并联的试品电容Cs、由电阻分压器及电压表组成的直流电压测量单元PV1和数据采集及处理单元M2，所述方法包括数据采集及处理单元M2在试品电容Cs发生自愈时，采集脉冲抽取单元M1输出的向下跳变的脉冲电压信号波形，得到自愈前的试验电压、自愈持续时间、自愈能量和自愈频次测试数据。这种方法成本低、基于自愈时电压降落的直接测量，自愈参数的测量简单方便，同时能在试品电容自愈失败时，数据采集及处理单元不会被过电压损坏。

Description

一种自愈式金属化膜电容器自愈性能的测试方法
技术领域
本发明属涉及于自愈式金属化膜电容器性能测试技术，具体是一种自愈式金属化膜电容器自愈性能的测试方法。
背景技术
自愈式金属化膜电容器具有自愈特性，当金属化膜电容器介质局部发生击穿时，击穿点周围的金属镀层受热蒸发，并在极短时间内恢复绝缘性能。自愈发生时总是伴随着能量的消耗，自愈能量越大，自愈持续时间越长，则金属镀层蒸发面积越大，电容损失越大，自愈失败的概率越高；单位时间内自愈发生的次数越多，则电容损失速度越快。因此，检测自愈式金属化膜电容器的自愈能量、自愈时间和自愈频次是检测自愈式金属化膜电容器性能的重要手段。
自愈测试方法主要有声测法和电测法：声测法是检测自愈时发生的声音，并以检测到的声音作为自愈式金属化膜电容器发生自愈的依据，该方法只能检测自愈的频次，难以准确地测量自愈能量、自愈时间的大小；电测法是检测自愈发生时电容器端电压的下降幅度，并以此作为自愈式金属化膜电容器发生自愈的依据。根据自愈式金属化膜电容器的电容Cs、自愈发生前的端电压U1及自愈发生后的端电压U2来计算自愈能量W:
W=Cs*(U1 2- U2 2)/2 （1）
由于自愈式金属化膜电容器较频繁发生自愈时的直流试验电压一般在数千伏，而自愈发生时端电压下降幅值仅为数百毫伏至数十伏，因此用常规的交直流阻容分压器配合数字示波器难以准确测量自愈发生时端电压下降幅值。
目前常用的电测法是基于电荷补偿的测试方法。文献见：李化等人所著的《自愈式金属化膜电容器自愈理论及规律研究》（《电工技术学报》2012年第27卷第9期）；毛伟等人所著的《基于电荷补偿的自愈式金属化膜电容器自愈测试方法》（《太赫兹科学与电子信息学报》2018年第16卷第6期）。基于电荷补偿测试方法，是将试品电容Cs与采样电阻串联，再与补偿电容并联，然后接入直流充电回路。在试品电容Cs发生自愈时，其端电压降低，补偿电容向其补偿电荷并形成电流，在采样电阻上产生脉冲电压信号。通过对脉冲信号进行积分运算，得到信号曲线与时间轴所包络的面积，根据此面积间接求得自愈时的电压降幅，然后用式（1）计算自愈能量。
电荷补偿法虽然能够准确测量自愈能量，但自愈发生时端电压下降幅度不是直接测量得到，而是通过计算间接得到，测量原理和数据分析计算都非常复杂，还需用到积分运算，此外，该方法不能准确测量自愈持续时间。
发明内容
本发明的目的是正针对现有技术的不足，而提供一种自愈式金属化膜电容器自愈性能的测试方法。这种方法成本低、基于自愈时电压降落的直接测量，自愈参数的测量简单方便，同时能在试品电容自愈失败时，数据采集及处理装置不会被过电压损坏。
实现本发明目的的技术方案是：
一种自愈式金属化膜电容器自愈性能的测试方法，包括测试装置，所述测试装置包括脉冲抽取单元M1和与脉冲抽取单元M1并联的试品电容Cs、由电阻分压器及电压表组成的直流电压测量单元PV1和数据采集及处理单元M2，其中，直流电压测量单元PV1、脉冲抽取单元M1、试品电容Cs并联后串接充电限流电阻Rx1与直流试验电源G1连接，脉冲抽取单元M1的输出端连接数据采集及处理单元M2，数据采集及处理单元M2直接测量自愈式金属化膜电容器即试品电容Cs自愈发生前的端电压、自愈持续时间及自愈发生后端电压的变化幅度，数据采集及处理单元M2为示波器或数据采集卡与计算机组成的装置；
所述脉冲抽取单元M1包括高压臂电容C1、高压臂电阻R1、限流电阻R2、低压臂电阻R3和瞬态抑制二极管V1，其中，高压臂电容C1与高压臂电阻R1并联后，再与限流电阻R2、并联瞬态抑制二极管V1的低压臂电阻R3串联，高压臂电容C1的电容值大于低压臂的分布电容及接于低压臂的数据采集及处理单元M2的输入电容的1000倍，限流电阻R2的电阻值小于低压臂电阻R3的电阻值的1/1000，这里设置常规阻容分压器没有的瞬态抑制二极管V1，在试品电容Cs自愈失败时，与限流电阻R2一道为高压臂电容C1提供放电通道，限制在低压臂电阻R3上产生的过电压，保护数据采集及处理单元M2不受损害；
所述方法包括如下步骤：
1）直流试验电源G1通过限流电阻Rx1对试品电容Cs和脉冲抽取单元M1的高压臂电容C1充电，直流电压测量单元PV1指示试验电压，当充电完成处于稳定状态时，试品电容Cs端电压为U1，脉冲抽取单元M1的输出电压为U1/K，K为脉冲抽取单元M1的直流分压比，直流分压比为(R1+R3)/R3，R1、R3为高压臂电阻R1、低压臂电阻R3的电阻值；
2）数据采集及处理单元M2在自愈式金属化膜电容器即试品电容Cs发生自愈时，采集脉冲抽取单元M1输出的向下跳变的脉冲电压信号波形；数据采集及处理单元M2自动分析处理此电压信号，得到自愈前的试验电压、自愈持续时间、自愈能量和自愈频次测试数据；试品电容Cs自愈结束后，直流试验电压通过限流电阻Rx1继续对试品电容Cs和脉冲抽取单元M1的高压臂电容C1进行充电，直至试品电容Cs的端电压达到U1，进入稳定状态；
3）数据采集及处理单元M2依据信号波形，计算向下跳变前的电压幅值，电压幅值乘以脉冲抽取单元M1的直流分压比K，得到金属化膜电容器Cs自愈发生前的端电压U1，自愈发生前的信号幅值为U1/K，乘以直流分压比K即为自愈前的试验电压U1，试品电容Cs自愈发生时，端电压开始下降，经时间Tx后自愈结束，电压由U1下降至U2后停止下降，由于电容两端的电压不能突变，且脉冲抽取单元M1时间常数R3*C1大于自愈持续时间Tx的1000倍，因此，脉冲抽取单元M1输出电压能准确地反映试品电容Cs两端电压变化；
4）数据采集及处理单元M2依据信号波形，计算向下跳变时的下降时间，下降时间乘以1.25，得到试品电容Cs的自愈持续时间，信号的下降时间即信号下降10%峰峰值至下降到90%峰峰值的时间乘以1.25即为自愈持续时间Tx；
5）数据采集及处理单元M2依据信号波形，计算信号的峰峰值，信号的峰峰值即为自愈发生后试品电容Cs端电压的下降幅度U1-U2，峰峰值即为金属化膜电容器Cs自愈后的端电压变化幅度，依据公式W=Cs*(U1 2- U2 2)/2得到自愈能量W。
本技术方案中的脉冲抽取单元M1与常规的交直两用阻容分压器相比，具有以下特点：
1）保留了高压臂电阻R1、低压臂电阻R3及高压臂电容C1，因此仍具有直流分压功能；
2）取消了低压臂电容、且高压臂电容C1 的取值较大，大于低压臂的分布电容及数据采集及处理单元M2的输入端电容的1000倍，时间常数R3* C1也大于自愈持续时间的1000倍，因此脉冲抽取单元M1的输出信号能准确地反映自愈发生时试品电容Cs端电压的下降幅度和下降时间；
3）增加了限流电阻R2，限流电阻R2与低压臂并联的瞬态抑制二极管V1配合，在试品电容Cs自愈失败而短路时，为高压臂电容C1提供放电通道，限制在低压臂R3两端出现的过电压，避免损坏数据采集及处理装置M2，限流电阻R2的取值小于低压臂电阻R3的1/1000，分压计算时可忽略其影响。
有益效果：
本技术方案与基于电荷补偿的测试方法需要间接计算自愈时电压降落相比，本技术方案基于自愈时电压降落的直接测量，测试原理易于理解，自愈参数的测量和计算都简单方便；与基于电荷补偿的测试方法不能测量自愈持续时间相比，本技术方案除了能够测量自愈能量、自愈频次外，还能测量自愈持续时间；本技术方案采集一个电压信号就能得到试品电容自愈发生前的端电压、自愈持续时间和自愈能量，节省了测试设备；本技术方案具有完善的保护措施，确保在试品电容自愈失败时，数据采集及处理单元不会被过电压损坏。
这种方法成本低、基于自愈时电压降落的直接测量，自愈参数的测量简单方便，同时能在试品电容自愈失败时，数据采集及处理单元不会被过电压损坏。
附图说明
图1为实施例的测试电路原理示意图；
图2为实施例中脉冲抽取单元M1输出信号波形示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的内容作进一步的阐述，但不是对本发明的限定。
实施例：
一种自愈式金属化膜电容器自愈性能的测试方法，包括如图1所示的测试装置，所述测试装置包括脉冲抽取单元M1和与脉冲抽取单元M1并联的试品电容Cs、由电阻分压器及电压表组成的直流电压测量单元PV1和数据采集及处理单元M2，其中，直流电压测量单元PV1、脉冲抽取单元M1、试品电容Cs串接充电限流电阻Rx1后与直流试验电源G1连接，脉冲抽取单元M1的输出端连接数据采集及处理单元M2，数据采集及处理单元M2直接测量自愈式金属化膜电容器即试品电容Cs自愈发生前的端电压、自愈持续时间及自愈发生后端电压的变化幅度，数据采集及处理单元M2为示波器或数据采集卡与计算机组成的装置；
所述脉冲抽取单元M1包括高压臂电容C1、高压臂电阻R1、限流电阻R2、低压臂电阻R3和瞬态抑制二极管V1，其中，高压臂电容C1与高压臂电阻R1并联后，再与限流电阻R2、并联瞬态抑制二极管V1的低压臂电阻R3串联，其中，高压臂电容C1的电容值大于低压臂的分布电容及接于低压臂的测量仪器的输入电容的1000倍，限流电阻R2的电阻值小于低压臂电阻R3的电阻值的1/1000，这里设置常规阻容分压器没有的瞬态抑制二极管V1，在试品电容Cs自愈失败时，与限流电阻R2一道为高压臂电容C1提供放电通道，限制在低压臂电阻R3产生的过电压，保护据采集及处理单元M2不受损害；
所述方法包括如下步骤：
1）直流试验电源G1通过限流电阻Rx1对试品电容Cs和脉冲抽取单元M1的高压臂电容C1充电，直流电压测量单元PV1指示试验电压，当充电完成处于稳定状态时，试品电容Cs端电压为U1，脉冲抽取单元M1的输出电压为U1/K，K为脉冲抽取单元M1的直流分压比，直流分压比为(R1+R3)/R3，R1、R3为高压臂电阻R1、低压臂电阻R3的电阻值；
2）数据采集及处理单元M2在自愈式金属化膜电容器即试品电容Cs发生自愈时，采集脉冲抽取单元M1输出的向下跳变的脉冲电压信号波形；数据采集及处理单元M2自动分析处理此电压信号，得到自愈前的试验电压、自愈持续时间、自愈能量和自愈频次测试数据；试品电容Cs自愈结束后，直流试验电压通过限流电阻Rx1继续对试品电容Cs和脉冲抽取单元M1的高压臂电容C1进行充电，直至试品电容Cs的端电压达到U1，进入稳定状态；
3）数据采集及处理单元M2依据信号波形如图2所示，计算向下跳变前的电压幅值，电压幅值乘以脉冲抽取单元M1的直流分压比K，得到金属化膜电容器Cs自愈发生前的端电压U1，自愈发生前的信号幅值为U1/K，乘以直流分压比K即为自愈前的试验电压U1，试品电容Cs自愈发生时，端电压开始下降，经时间Tx后自愈结束，电压由U1下降至U2后停止下降，由于电容两端的电压不能突变，且脉冲抽取单元M1时间常数R3*C1大于自愈持续时间Tx的1000倍，因此，脉冲抽取单元M1输出电压能准确地反映试品电容Cs两端电压变化；
4）数据采集及处理单元M2依据信号波形，计算向下跳变时的下降时间，下降时间乘以1.25，得到试品电容Cs的自愈持续时间，信号的下降时间即信号下降10%峰峰值至下降到90%峰峰值的时间乘以1.25即为自愈持续时间Tx；
5）数据采集及处理单元M2依据信号波形，计算信号的峰峰值，信号的峰峰值即为自愈发生后试品电容Cs端电压的下降幅度U1-U2，峰峰值即为金属化膜电容器Cs自愈后的端电压变化幅度，依据公式W=Cs*(U1 2- U2 2)/2得到自愈能量W。

Claims (1)

1.一种自愈式金属化膜电容器自愈性能的测试方法，其特征在于，包括测试装置，所述测试装置包括脉冲抽取单元M1和与脉冲抽取单元M1并联的试品电容Cs、由电阻分压器及电压表组成的直流电压测量单元PV1和数据采集及处理单元M2，其中，直流电压测量单元PV1、脉冲抽取单元M1、试品电容Cs并联后串接充电限流电阻Rx1，再与直流试验电源G1连接，脉冲抽取单元M1的输出端连接数据采集及处理单元M2，数据采集及处理单元M2直接测量自愈式金属化膜电容器即试品电容Cs自愈发生前的端电压、自愈持续时间及自愈发生后端电压的变化幅度；
所述脉冲抽取单元M1包括高压臂电容C1、高压臂电阻R1、限流电阻R2、低压臂电阻R3和瞬态抑制二极管V1，其中，高压臂电容C1与高压臂电阻R1并联后，再与限流电阻R2、并联瞬态抑制二极管V1的低压臂电阻R3串联，高压臂电容C1的电容值大于低压臂的分布电容及接于低压臂的测量仪器的输入电容的1000倍，限流电阻R2的电阻值小于低压臂电阻R3的电阻值的1/1000；
所述方法包括如下步骤：
1）直流试验电源G1通过限流电阻Rx1对试品电容Cs和脉冲抽取单元M1的高压臂电容C1充电，直流电压测量单元PV1指示试验电压，当充电完成处于稳定状态时，试品电容Cs端电压为U1，脉冲抽取单元M1的输出电压为U1/K，K为脉冲抽取单元M1的直流分压比，其值为(R1+R3)/R3，R1、R3为高压臂电阻R1、低压臂电阻R3的电阻值；数据采集及处理单元M2在自愈式金属化膜电容器即试品电容Cs发生自愈时，采集脉冲抽取单元M1输出的向下跳变的脉冲电压信号波形，数据采集及处理单元M2自动分析处理此电压信号波形，得到自愈前的试验电压、自愈持续时间、自愈能量和自愈频次测试数据；
2）依据信号波形，计算向下跳变前的电压幅值，电压幅值乘以脉冲抽取单元M1的直流分压比K，得到金属化膜电容器Cs自愈发生前的端电压U1；
3）依据信号波形，计算向下跳变时的下降时间，下降时间乘1.25，得到试品电容Cs的自愈持续时间，信号的下降时间即信号下降10%峰峰值至下降到90%峰峰值的时间乘以1.25即为自愈持续时间Tx；
4）依据信号波形，计算信号的峰峰值，信号的峰峰值即为自愈发生后试品电容Cs端电压的下降幅度U1-U2，峰峰值即为金属化膜电容器Cs自愈后的端电压变化幅度，依据公式W=Cs*(U1 2- U2 2)/2得到自愈能量W。
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