CN113311275A - 金属化膜电容器在交直流复合电压下劣化机理的解耦方法 - Google Patents

金属化膜电容器在交直流复合电压下劣化机理的解耦方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种金属化膜电容器在交直流复合电压下劣化机理的解耦方法，属于电力设备测试技术领域。本发明通过对金属化膜电容器及与金属化膜电容器相同参数的导线电容，进行老化试验对比，解耦出电化学腐蚀和热效应、以及自愈现象所造成的金属化膜电容器劣化，解耦方法简单易行，有助于准确分析金属化膜电容器的失效原因，指导电容器的设计和应用方法，以及电容器在工程应用中的可靠性和寿命预测，进而保证换流器的长期稳定运行。本发明可以广泛应用于直流输电换流阀、风电换流器等设备中的直流支撑电容，实用性强。

Description

金属化膜电容器在交直流复合电压下劣化机理的解耦方法
技术领域
本发明属于电力设备测试技术领域，更具体地，涉及一种金属化膜电容器在交直流复合电压下劣化机理的解耦方法。
背景技术
金属化膜电容器由于其自愈特性，具有工作场强高、可靠性强的优点，常作为直流输电换流阀、风电换流器等设备的核心部件——直流支撑电容器，起到稳定直流侧电压、提供负载变化时能量调节、补偿无功功率、减小电压过冲和瞬时过电压等重要作用。由于与开关器件相并联，直流支撑电容器工作时需承受交直流复合电压，其中交流电压分量主要包含工频一次谐波、二次谐波、三次谐波以及数千赫兹的高次谐波，其交流电压分量可以达到直流分量的10％以上。
在交直流复合电压作用下，金属化膜电容会存在由于纹波电流导致的热效应，由于直流电压峰值导致的自愈现象以及由于交流电压导致的电化学腐蚀。三种作用的共同作用使得金属化膜电容器在交直流复合电压下的劣化机理不明确，三种作用的影响权重无法明晰。目前尚没有一种可以对这种多因素劣化进行解耦分析的方法，在这种情况下很容易分析错误金属化膜电容器的失效原因，导致电容器的设计和应用方法错误，这种错误会影响电容器在工程应用中的可靠性和寿命预测，进而可能会导致工程中直流支撑电容器的频繁故障，影响换流器的长期稳定运行。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种金属化膜电容器在交直流复合电压下劣化机理的解耦方法，其目的在于解耦金属化膜电容器在交直流复合电压和纹波电流作用下热效应、电化学腐蚀以及自愈导致的三种电容劣化机理。
为实现上述目的，本发明提供了一种金属化膜电容器在交直流复合电压下劣化机理的解耦方法，包括：
S1.制备与金属化膜电容器相同参数的导线电容；所述导线电容由两张未留边的金属化膜卷绕后两端喷金构成；所述导线电容的电极为渐变方阻，对应金属化膜电容器的留边处方阻最小，对应金属化膜电容器的喷金连接处方阻最大；
S2.对金属化膜电容器施加交直流复合电压，得到金属化膜电容器劣化状态；
S3.对导线电容施加纹波电流，得到导线电容的劣化状态；所述纹波电流为与金属化膜电容器所承受的纹波电流频率、幅值相同的电流；
S4.提取能够表征导线电容劣化状态的特征量，将其等效为金属化膜电容器由电化学腐蚀和热效应导致的劣化特征；
S5.提取能够表征金属化膜电容器劣化状态的特征量，从中剔除导线电容劣化状态的特征量，将剩余特征量等效为由自愈导致的劣化特征。
进一步地，与金属化膜电容器相同参数的导线电容，具体为，与金属化膜电容器相同膜厚、相同材料、相同尺寸的导线电容。
进一步地，S2具体为，
对金属化膜电容器施加交直流电压，测量金属化膜电容器在交直流电压下的电容量变化、温度变化和电极形貌。
进一步地，所述渐变方阻具体设置为，导线电容对应金属化膜电容器喷金连接端方阻设置为0.75R0，距喷金连接端0.4L处方阻设置为0.25R0，距喷金连接端0.4L之内方阻线性变化，其余区域方阻设置为0.25R0；R0、L分别为金属化膜电容器的方阻和膜宽。
进一步地，交直流复合电压中的直流电压大于金属化膜电容器的额定直流电压，交流电压大于金属化膜电容器实际工况中的交流电压。
进一步地，直流电压为金属化膜电容器额定直流电压的1.5～3倍。
进一步地，交流电压为金属化膜电容器实际工况中交流电压的1.5～3倍。
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。
本发明通过对两种“电容”进行老化试验对比，解耦出电化学腐蚀和热效应、以及自愈现象所造成的金属化膜电容器劣化，解耦方法简单易行，有助于准确分析金属化膜电容器的失效原因，指导电容器的设计和应用方法，以及电容器在工程应用中的可靠性和寿命预测，进而保证换流器的长期稳定运行。
本发明可以广泛应用于直流输电换流阀、风电换流器等设备中的直流支撑电容，实用性强。
附图说明
图1是本发明实施例提供的金属化膜电容器和“导线电容”对比的结构示意图；(a)为金属化膜电容器结构；(b)为导线电容结构；
图2是本发明实施例提供的一种“导线电容”方阻分布示意图；
图3是本发明实施例提供的渐变方阻实施方法示意图；
图4是本发明实施例提供的交直流复合电压及纹波电流示意图。
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。
本发明提供的金属化膜电容器在交直流复合电压下劣化机理的解耦方法，包括：
S1.制备与金属化膜电容器相同参数的导线电容；导线电容由两张未留边的金属化膜卷绕后两端喷金构成；所述导线电容的电极为渐变方阻，对应金属化膜电容器的留边处方阻最小，对应金属化膜电容器的喷金连接处方阻最大；
如图1中(a)所示，金属化膜电容器由两张有留边，且留边位置不同的金属化膜重叠卷绕后两端喷金构成；导线电容与金属化膜电容器参数相同(相同膜厚、相同材料、相同尺寸)，如图1中(b)所示，由两张没有留边的金属化膜卷绕后两端喷金构成，卷绕后金属电极串联在回路中，形成没有电容量的假电容，避免其发生自愈现象。
金属化膜电容器电极形式为恒定方阻，导线电容电极为渐变方阻，方阻分布结构如图2所示，重叠的两张膜中，一张由低方阻逐渐过渡至高方阻，对应另一张膜由高方阻逐渐过渡至低方阻，即对应金属化膜电容器的留边处方阻最小，对应金属化膜电容器的喷金连接处方阻最大，保证导线电容和金属化膜电容器各个部位热功率密度相同，以实现两个电极在同一纹波电流下热效应的等效。
一种优选的渐变方阻实施方法，如图3所示，假设金属化膜电容器的方阻为R0，膜宽为L，导线电容对应金属化膜电容器喷金连接端方阻设置为0.75R0，距喷金连接端0.4L处方阻设置为0.25R0，距喷金连接端0.4L之内方阻线性变化，其余区域方阻设置为0.25R0。该渐变方阻实施方法对热效应的等效误差在允许范围之内，且较为简单易行。
S2.对金属化膜电容器施加交直流复合电压，得到金属化膜电容器劣化状态；
金属化膜电容器施加交直流复合电压进行老化试验，如图4所示，同时会承受纹波电流的热效应，实验过程中对电容量的变化、电容的发热、电极损失情况进行测量。交直流复合电压中的直流电压大于金属化膜电容器的额定直流电压(优选1.5～3倍)，交流电压大于金属化膜电容器实际工况中的交流电压(优选1.5～3倍)，以加速老化。
S3.对导线电容施加纹波电流，得到导线电容的劣化状态；所述纹波电流为与金属化膜电容器所承受的纹波电流频率、幅值相同的电流；
导线电容施加图3所示的相同纹波电流，测量“导线电容”的发热及电化学腐蚀情况。
S4.提取能够表征导线电容劣化状态的特征量，将其等效为金属化膜电容器由电化学腐蚀和热效应导致的劣化特征；
由于导线电容没有由于自愈产生的劣化，采用导线电容的测试情况可等效金属化膜电容器的热效应及电化学腐蚀情况。
S5.提取能够表征金属化膜电容器劣化状态的特征量，从中剔除导线电容劣化状态的特征量，将剩余特征量等效为由自愈导致的劣化特征。
将金属化膜电容器与导线电容的老化情况进行对比，可以解耦出纹波电流的热效应、电化学腐蚀以及自愈导致的三种电容劣化机理。
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 (7)

1.一种金属化膜电容器在交直流复合电压下劣化机理的解耦方法，其特征在于，包括：
S1.制备与金属化膜电容器相同参数的导线电容；所述导线电容由两张未留边的金属化膜卷绕后两端喷金构成；所述导线电容的电极为渐变方阻，对应金属化膜电容器的留边处方阻最小，对应金属化膜电容器的喷金连接处方阻最大；
S2.对金属化膜电容器施加交直流复合电压，得到金属化膜电容器劣化状态；
S3.对导线电容施加纹波电流，得到导线电容的劣化状态；所述纹波电流为与金属化膜电容器所承受的纹波电流频率、幅值相同的电流；
S4.提取能够表征导线电容劣化状态的特征量，将其等效为金属化膜电容器由电化学腐蚀和热效应导致的劣化特征；
S5.提取能够表征金属化膜电容器劣化状态的特征量，从中剔除导线电容劣化状态的特征量，将剩余特征量等效为由自愈导致的劣化特征。
2.根据权利要求1所述的一种金属化膜电容器在交直流复合电压下劣化机理的解耦方法，其特征在于，与金属化膜电容器相同参数的导线电容，具体为，与金属化膜电容器相同膜厚、相同材料、相同尺寸的导线电容。
3.根据权利要求2所述的一种金属化膜电容器在交直流复合电压下劣化机理的解耦方法，其特征在于，S2具体为，
对金属化膜电容器施加交直流电压，测量金属化膜电容器在交直流电压下的电容量变化、温度变化和电极形貌。
4.根据权利要求1-3任一项所述的一种金属化膜电容器在交直流复合电压下劣化机理的解耦方法，其特征在于，所述渐变方阻具体设置为，导线电容对应金属化膜电容器喷金连接端方阻设置为0.75R0，距喷金连接端0.4L处方阻设置为0.25R0，距喷金连接端0.4L之内方阻线性变化，其余区域方阻设置为0.25R0；R0、L分别为金属化膜电容器的方阻和膜宽。
5.根据权利要求1-4任一项所述的一种金属化膜电容器在交直流复合电压下劣化机理的解耦方法，其特征在于，交直流复合电压中的直流电压大于金属化膜电容器的额定直流电压，交流电压大于金属化膜电容器实际工况中的交流电压。
6.根据权利要求5所述的一种金属化膜电容器在交直流复合电压下劣化机理的解耦方法，其特征在于，直流电压为金属化膜电容器额定直流电压的1.5～3倍。
7.根据权利要求5所述的一种金属化膜电容器在交直流复合电压下劣化机理的解耦方法，其特征在于，交流电压为金属化膜电容器实际工况中交流电压的1.5～3倍。
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