2007年 第2期 高谐能脉冲电容器的研制
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高储能脉冲电容器的研制
金 玲
(西安西容自愈式电容器有限公司, 西安710082)
摘 要:介绍了一种高储能脉冲电容器的主要技术指标、产品设计方法及试验验证。关键词:储能; 自愈; 耐久性能
中图分类号:T M 531. 2 文献标识码:B 文章编号:1002-0349(2007) 02-0025-04
D evelop m ent on t he H i g h -energy St orage I m pulse C apacit or
JI N L i n g
(X i an XD X irong Se l-f hea ling Po w er Capacitor C o . , Ltd , X i an 710082, China)
Abst ract :This paper introduces t h e m ain technical features , desi g n m ethods and tests of a high -en -er gy storage i m pulse capac itor . K eyw ords :Energy sto rage ; Se l-f heali n g ; Endurance property 1 引言
大功率脉冲技术是以较小功率的电源在相对较长的时间间隔内对电容器充电, 积储至极大的所需能量, 然后在极短的时间内(最短可达纳秒级) 将所储能量迅速向负载倾注, 形成强大的冲击电流和磁场的一种电物理技术。这种技术广泛用于高电压或强电流试验、高能物理、强冲击光源、激光技术和地质探矿、采矿以及定位、火箭技术等高能源装置中。脉冲电容器是其重要的组成部分。
目前脉冲电容器的结构有箔式电极结构和金属化电极结构两大类。金属化电极结构的电容器具有 自愈 特性, 使工作场强有较大幅度地提高, 从而使脉冲电容器的比能从电容器的70J~180J/L提高到500J~1000J/L。按照工作条件和寿命要求的不同, 还有更高比能的脉冲电容器, 由于金属化电容器的固有电感极低, 使释能效率提高, 又由于储能高、损耗小, 使高能脉冲电源的体积大为紧缩, 体现了这类电容器的极大优越性。2 一种特殊高储能脉冲电容器的研制
2005年8月西容公司与西安交通大学合作 成功研制出一种特殊高比能脉冲电容器, 单台储存能量大于34kJ , 储能密度大于500J/L, 寿命大于20000次。在研制过程中, 针对高储能及长寿命进行了专项技术研究, 通过对多种方案的探讨, 研制出了高储能密度脉冲电容器, 并通过了型式试验及验收试验。2. 1 主要技术参数
额定电压:25kV
DC
额定电容:110 F 电容偏差:0~+10%储能密度: 500J/L工作峰值放电电流:>9. 6k A
损耗角正切值tan : 0. 0005(0. 1U n 工频电压下、20 时) 充放电试验要求:20000次耐久性能试验后电容量下降率
2. 2. 1 工作场强
根据技术要求, 首先考虑的是提高电容器的耐电强度及工作场强的选择。场强是决定储能密度大小的主要因素, 当膜的耐电强度约在400V /
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电力电容器 2007年 第2期
而当膜的耐电强度约在450V / m 时, 设计的脉冲电容器的储能密度为800J/L。高的场强会带来高的储能密度. 但高的场强也会带来 自愈 的失效和增加加工工艺的复杂性。当电弱点发生击穿时, 高的电压将向击穿点灌入高的能量, 而自愈时吸收的能量与金属镀层的厚度有关, 镀层越厚吸收的能量越高。
提高耐电强度的方法主要有以下几种:①选择金属化膜基膜的质量是关键的一步, 基膜厚度的均匀性和耐压强度、蒸镀工艺的控制都是非常重要的;
②要在恒张力的全自动卷绕机上卷绕元件, 张力要均匀一致, 元件层之间的压力要适当加大, 自愈现象见图1、图2、图3;
③金属镀层越薄耐电强度越高(自愈效果越好) , 但耐电流能力变差。选择合适的镀层参
数是必要的。
图5 端面大电流引起的电容下降提高端面耐电流能力的主要方法有:①选取了合适的极板有效宽度和场强以限制端部线电流密度(流过端部单位极板长度的电流A /m), 从而提高电容器的寿命;
②增加金属化膜端部的镀层厚度、波浪分切都可增加接触面, 减少接触电阻, 使耐电流能力提高;
③严格控制加工工艺, 特别是端面喷金工艺。由于端面接触电阻受很多因数的影响, 如, 喷金颗粒的质量、喷金速度、热处理温度等, 所以控制好加工工艺过程可以提高产品寿命。2. 2. 3 结构
元件采用了内串结构, 使产品的重量和体积大为减小, 提高了产品体积比能。
图2 层间压力较小的自愈现象
2. 2. 2 端面耐电流能力
高储能脉冲电容器的工作场强一般都设计得很高, 其端部往往都要通过很高的脉冲电流。由于金属化膜镀层很薄, 端面喷金属层后金属层与镀层之间会产生一定的接触电阻, 高的脉冲电流
会使端面发热, 3 产品型式试验
委托国家电力电容器质量检验中心依据脉冲电容器行业标准(J B /T8168-1999) 及企业技术条件(ZY. W 03. 007) 对产品进行检验。包括20000次耐久性能在内的所有各项性能均达到技术要求, 见试验报告:NO(2005) 037。4 产品验收试验
[1]
[1]
图3 空气隙的爬电现象
部电流的分布不均, 从而降低了电容器的使用寿命。对大量的失效元件进行解剖发现, 元件电容值下降过大或失效, 大多数是端面脱落所引起, 见图5。而 自愈 不会导致电容值的大幅下降。
图1
适度压力的自愈现象
2007年 第2期 高谐能脉冲电容器的研制
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进行试验。试验项目、要求及试验结果如下。4. 1 耐电压试验4. 1. 1 试验方法和要求
在试品两出线端子间施加30kV (1. 2U N ) 直流电压, 历经1m i n 后通过和耐久性试验(4. 2条) 相同的放电组件进行放电。试验期间不得发生击穿或闪络。试验前后测量电容, 电容变化率不应超过测量误差。
4. 1. 2 试验结果
通过了耐电压试验。试验前后的实测电容值同为111. 7 F , 没有变化(测量仪表:VC6013电容表) 。4. 2 耐久性能试验
4. 2. 1 试验方法和质量要求
试验电路见图1。将电容器充以额定直流电压25kV, 通过串联的165 H 电感和1. 45 电阻进行放电, 两次放电间隔为45s , 总试验次数为20, 000次。试验前后均用高压电桥测量电容和介损, 测量电压为2. 5kV, 50H z 。试验后电容下降率
。
各试验参数值皆严于要求值。
4. 2. 3 试验结果
耐久性能试验前后的测量结果见表1。
表1 耐久性试验前后电容器参数试验前
20000次试验后
电容下降率(%) 设计值
电容值( F ) 损耗角正切值111. 690. 00044111. 43
0. 00059
及损耗角正切值实测值0. 23
测试仪器2801型高压电桥
4. 3 承受故障能力试验
4. 3. 1 试验要求
按图1进行试验。将电容器充以额定直流电压25kV, 通过串联的20 H 电感和60m 电阻进行放电, 试验次数为5次。试验后电容和介损值应无明显变化。4. 3. 2 放电波形
实测放电电流波形如图3所示。电流幅值为52. 8k A, 放电周期时间为340 s , 反峰系数为78. 2%。各试验参数值皆严于要求值。
图1 充放电试验电路图
4. 2. 2
放电波形
图3 承受故障能力试验时放电电流波形4. 3. 3 试验结果
测量结果见表2。电容和损耗角正切值无明显变化。
表2 承受故障能力试验前后电容器参数试验前5次试验后电容下降率(%)
测试仪器
电容值( F) 111. 43111. 370. 053
损耗角正切值0. 000590. 000590
图2 耐久性能试验放电电流波形放电电流波形如图2所示。实测电流幅值为
10. 16kA, 525s , 10. 2%2801型高压电桥
(下转第32页)
32
电力电容器 2007年 第2期
可以使用户利用本产品对电网谐波进行实时观察和测量, 拓宽了C VT 产品的适用范围。1. 5 中压接地开关
产品设置了中压接地开关, 可以在不解体产品的情况下进行C 1、C 2的电容量和介质损耗因数的测量等试验, 便于用户在现场进行验收试验及预防性试验。2 实施情况及结论
经过全部重新设计的TYD1103-0. 01H 新产品, 没有辜负我们的期望, 经国家电力电容器质量监督检验中心检验, 全部的型式试验得以通过。与我公司的原有产品比较, 外形美观、重量轻, 技术性能也有一定的提升, 达到了预期的目的(如图3) 。
产品设计的新技术将逐步在所有产品上推广实施。
新产品:350kg
老产品:500kg
作者简介:
郭小风(1965-) , 女, 山西临汾人, 工程师, 主要从事电容式电压互感器的设计工作。
陈 宁(1983-) , 男, 江苏南京人, 助理工程师, 主要从事电容式电压互感器的设计工作。
图3 C VT 产品改进前后的外形对比1. 4 谐波测量附件
新产品在油箱内增加了谐波测量的元件C 3, 使产品不仅具有常规CVT 的全部功能, 而且还(上接第27页) 5 结语
此脉冲电容器的研制主要是利用了金属化膜的特性来满足产品的要求。通过型式试验及验收试验, 产品性能完全达到了预期的设计要求。已于2005年9月通过了陕西省机械行业组织的省级技术鉴定。2006年8月通过了样品验收试验。
参考文献:
[1]王 科, 杨兰均, 张乔根等. 一种新结构自愈式高储能密度脉冲电容器的实验研究[J].高电压技术, 2005(6), 445-448.
作者简介:
金 玲(1960-) , 女, 浙江青田人, 工程师, 从事电容器试验研究及自愈式电容器的研究与开发。
2006年《电力电容器》杂志合订本出版
为满足广大读者要求, 2006年《电力电容器》合订本已经出版。合订本包括单行本全部内容及广告页。需要者按以下方法订购。合订本单价70元(含邮资) 。
1 银行汇款:收款单位:西安电力电容器研究所
帐 号:[***********]1
开户行:工行土门支行
2 邮局汇款:地 址:西安市桃园路10号 西安电力电容器研究所 邮 编:710082
联系人:谭艺玲 于淑霞 雷西宁 电 话:(029) 84221423
2007年 第2期 高谐能脉冲电容器的研制
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高储能脉冲电容器的研制
金 玲
(西安西容自愈式电容器有限公司, 西安710082)
摘 要:介绍了一种高储能脉冲电容器的主要技术指标、产品设计方法及试验验证。关键词:储能; 自愈; 耐久性能
中图分类号:T M 531. 2 文献标识码:B 文章编号:1002-0349(2007) 02-0025-04
D evelop m ent on t he H i g h -energy St orage I m pulse C apacit or
JI N L i n g
(X i an XD X irong Se l-f hea ling Po w er Capacitor C o . , Ltd , X i an 710082, China)
Abst ract :This paper introduces t h e m ain technical features , desi g n m ethods and tests of a high -en -er gy storage i m pulse capac itor . K eyw ords :Energy sto rage ; Se l-f heali n g ; Endurance property 1 引言
大功率脉冲技术是以较小功率的电源在相对较长的时间间隔内对电容器充电, 积储至极大的所需能量, 然后在极短的时间内(最短可达纳秒级) 将所储能量迅速向负载倾注, 形成强大的冲击电流和磁场的一种电物理技术。这种技术广泛用于高电压或强电流试验、高能物理、强冲击光源、激光技术和地质探矿、采矿以及定位、火箭技术等高能源装置中。脉冲电容器是其重要的组成部分。
目前脉冲电容器的结构有箔式电极结构和金属化电极结构两大类。金属化电极结构的电容器具有 自愈 特性, 使工作场强有较大幅度地提高, 从而使脉冲电容器的比能从电容器的70J~180J/L提高到500J~1000J/L。按照工作条件和寿命要求的不同, 还有更高比能的脉冲电容器, 由于金属化电容器的固有电感极低, 使释能效率提高, 又由于储能高、损耗小, 使高能脉冲电源的体积大为紧缩, 体现了这类电容器的极大优越性。2 一种特殊高储能脉冲电容器的研制
2005年8月西容公司与西安交通大学合作 成功研制出一种特殊高比能脉冲电容器, 单台储存能量大于34kJ , 储能密度大于500J/L, 寿命大于20000次。在研制过程中, 针对高储能及长寿命进行了专项技术研究, 通过对多种方案的探讨, 研制出了高储能密度脉冲电容器, 并通过了型式试验及验收试验。2. 1 主要技术参数
额定电压:25kV
DC
额定电容:110 F 电容偏差:0~+10%储能密度: 500J/L工作峰值放电电流:>9. 6k A
损耗角正切值tan : 0. 0005(0. 1U n 工频电压下、20 时) 充放电试验要求:20000次耐久性能试验后电容量下降率
2. 2. 1 工作场强
根据技术要求, 首先考虑的是提高电容器的耐电强度及工作场强的选择。场强是决定储能密度大小的主要因素, 当膜的耐电强度约在400V /
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电力电容器 2007年 第2期
而当膜的耐电强度约在450V / m 时, 设计的脉冲电容器的储能密度为800J/L。高的场强会带来高的储能密度. 但高的场强也会带来 自愈 的失效和增加加工工艺的复杂性。当电弱点发生击穿时, 高的电压将向击穿点灌入高的能量, 而自愈时吸收的能量与金属镀层的厚度有关, 镀层越厚吸收的能量越高。
提高耐电强度的方法主要有以下几种:①选择金属化膜基膜的质量是关键的一步, 基膜厚度的均匀性和耐压强度、蒸镀工艺的控制都是非常重要的;
②要在恒张力的全自动卷绕机上卷绕元件, 张力要均匀一致, 元件层之间的压力要适当加大, 自愈现象见图1、图2、图3;
③金属镀层越薄耐电强度越高(自愈效果越好) , 但耐电流能力变差。选择合适的镀层参
数是必要的。
图5 端面大电流引起的电容下降提高端面耐电流能力的主要方法有:①选取了合适的极板有效宽度和场强以限制端部线电流密度(流过端部单位极板长度的电流A /m), 从而提高电容器的寿命;
②增加金属化膜端部的镀层厚度、波浪分切都可增加接触面, 减少接触电阻, 使耐电流能力提高;
③严格控制加工工艺, 特别是端面喷金工艺。由于端面接触电阻受很多因数的影响, 如, 喷金颗粒的质量、喷金速度、热处理温度等, 所以控制好加工工艺过程可以提高产品寿命。2. 2. 3 结构
元件采用了内串结构, 使产品的重量和体积大为减小, 提高了产品体积比能。
图2 层间压力较小的自愈现象
2. 2. 2 端面耐电流能力
高储能脉冲电容器的工作场强一般都设计得很高, 其端部往往都要通过很高的脉冲电流。由于金属化膜镀层很薄, 端面喷金属层后金属层与镀层之间会产生一定的接触电阻, 高的脉冲电流
会使端面发热, 3 产品型式试验
委托国家电力电容器质量检验中心依据脉冲电容器行业标准(J B /T8168-1999) 及企业技术条件(ZY. W 03. 007) 对产品进行检验。包括20000次耐久性能在内的所有各项性能均达到技术要求, 见试验报告:NO(2005) 037。4 产品验收试验
[1]
[1]
图3 空气隙的爬电现象
部电流的分布不均, 从而降低了电容器的使用寿命。对大量的失效元件进行解剖发现, 元件电容值下降过大或失效, 大多数是端面脱落所引起, 见图5。而 自愈 不会导致电容值的大幅下降。
图1
适度压力的自愈现象
2007年 第2期 高谐能脉冲电容器的研制
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进行试验。试验项目、要求及试验结果如下。4. 1 耐电压试验4. 1. 1 试验方法和要求
在试品两出线端子间施加30kV (1. 2U N ) 直流电压, 历经1m i n 后通过和耐久性试验(4. 2条) 相同的放电组件进行放电。试验期间不得发生击穿或闪络。试验前后测量电容, 电容变化率不应超过测量误差。
4. 1. 2 试验结果
通过了耐电压试验。试验前后的实测电容值同为111. 7 F , 没有变化(测量仪表:VC6013电容表) 。4. 2 耐久性能试验
4. 2. 1 试验方法和质量要求
试验电路见图1。将电容器充以额定直流电压25kV, 通过串联的165 H 电感和1. 45 电阻进行放电, 两次放电间隔为45s , 总试验次数为20, 000次。试验前后均用高压电桥测量电容和介损, 测量电压为2. 5kV, 50H z 。试验后电容下降率
。
各试验参数值皆严于要求值。
4. 2. 3 试验结果
耐久性能试验前后的测量结果见表1。
表1 耐久性试验前后电容器参数试验前
20000次试验后
电容下降率(%) 设计值
电容值( F ) 损耗角正切值111. 690. 00044111. 43
0. 00059
及损耗角正切值实测值0. 23
测试仪器2801型高压电桥
4. 3 承受故障能力试验
4. 3. 1 试验要求
按图1进行试验。将电容器充以额定直流电压25kV, 通过串联的20 H 电感和60m 电阻进行放电, 试验次数为5次。试验后电容和介损值应无明显变化。4. 3. 2 放电波形
实测放电电流波形如图3所示。电流幅值为52. 8k A, 放电周期时间为340 s , 反峰系数为78. 2%。各试验参数值皆严于要求值。
图1 充放电试验电路图
4. 2. 2
放电波形
图3 承受故障能力试验时放电电流波形4. 3. 3 试验结果
测量结果见表2。电容和损耗角正切值无明显变化。
表2 承受故障能力试验前后电容器参数试验前5次试验后电容下降率(%)
测试仪器
电容值( F) 111. 43111. 370. 053
损耗角正切值0. 000590. 000590
图2 耐久性能试验放电电流波形放电电流波形如图2所示。实测电流幅值为
10. 16kA, 525s , 10. 2%2801型高压电桥
(下转第32页)
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电力电容器 2007年 第2期
可以使用户利用本产品对电网谐波进行实时观察和测量, 拓宽了C VT 产品的适用范围。1. 5 中压接地开关
产品设置了中压接地开关, 可以在不解体产品的情况下进行C 1、C 2的电容量和介质损耗因数的测量等试验, 便于用户在现场进行验收试验及预防性试验。2 实施情况及结论
经过全部重新设计的TYD1103-0. 01H 新产品, 没有辜负我们的期望, 经国家电力电容器质量监督检验中心检验, 全部的型式试验得以通过。与我公司的原有产品比较, 外形美观、重量轻, 技术性能也有一定的提升, 达到了预期的目的(如图3) 。
产品设计的新技术将逐步在所有产品上推广实施。
新产品:350kg
老产品:500kg
作者简介:
郭小风(1965-) , 女, 山西临汾人, 工程师, 主要从事电容式电压互感器的设计工作。
陈 宁(1983-) , 男, 江苏南京人, 助理工程师, 主要从事电容式电压互感器的设计工作。
图3 C VT 产品改进前后的外形对比1. 4 谐波测量附件
新产品在油箱内增加了谐波测量的元件C 3, 使产品不仅具有常规CVT 的全部功能, 而且还(上接第27页) 5 结语
此脉冲电容器的研制主要是利用了金属化膜的特性来满足产品的要求。通过型式试验及验收试验, 产品性能完全达到了预期的设计要求。已于2005年9月通过了陕西省机械行业组织的省级技术鉴定。2006年8月通过了样品验收试验。
参考文献:
[1]王 科, 杨兰均, 张乔根等. 一种新结构自愈式高储能密度脉冲电容器的实验研究[J].高电压技术, 2005(6), 445-448.
作者简介:
金 玲(1960-) , 女, 浙江青田人, 工程师, 从事电容器试验研究及自愈式电容器的研究与开发。
2006年《电力电容器》杂志合订本出版
为满足广大读者要求, 2006年《电力电容器》合订本已经出版。合订本包括单行本全部内容及广告页。需要者按以下方法订购。合订本单价70元(含邮资) 。
1 银行汇款:收款单位:西安电力电容器研究所
帐 号:[***********]1
开户行:工行土门支行
2 邮局汇款:地 址:西安市桃园路10号 西安电力电容器研究所 邮 编:710082
联系人:谭艺玲 于淑霞 雷西宁 电 话:(029) 84221423