Детальная информация

Данная работа посвящена исследованию процессов электрического старения металлопленочных конденсаторов для силовой электроники при воздействии постоянного напряжения и повышенной температуры и выявлению механизма электрического старения. В рамках исследования решались следующие задачи: 1. Создание установки для проведения ускоренного старения и получения комплекса основных параметров конденсаторов при повышенных температурах и напряжении вплоть до 3*U_ном; 2. Получение экспериментальных данных о кинетике деградации параметров конденсаторов при проведении длительного электрического старения; 3. Анализ полученных данных, установление вида отказа конденсаторов и характера закона электрического старения; 4. Изучение условий возникновения частичных разрядов в межвитковом воздушном зазоре конденсаторов при длительном воздействии напряжения – величины зазора, напряженности электрического поля, оценка возможности его пробоя; 5. Выявление механизма электрического старения металлопленочных конденсаторов, проверка гипотезы о частичном разряде как инициаторе самовосстанавливающегося пробоя конденсатора. Работа проведена с помощью лабораторного и измерительного оборудования Научно-инжинирингового центра перспективных систем изоляции Высшей школы высоковольтной энергетики.  С помощью анализаторов импеданса и тераомметров была исследована кинетика деградации параметров металлопленочных конденсаторов и установлено, что отказ конденсаторов имеет внезапный характер. Установлено, что закон старения имеет степенной характер вида τ ~ A*E^-n, а электрическое старение на протяжении 1000 ч не повлияло на электрическую прочность исследуемых конденсаторов. С помощью методики линейного подъема напряжения определена кратковременная электрическая прочность исследуемых конденсаторов, равная E_пр_комн = (288±22) В/мкм) при комнатной температуре, и E_пр_85℃ = (257±10) В/мкм при повышенной. Разработан комплекс методик определения параметров межслоевого воздушного зазора и полипропиленовой пленки, на его основе определены удельные проводимости полипропиленовой пленки и межвиткового воздушного зазора в зависимости от напряжения на конденсаторе, а также рассчитаны соответствующие напряженности электрического поля. Показано, что при длительном воздействии постоянного напряжения в межвитковом воздушном зазоре существуют значительные электрические поля ~ 1000 В/мкм. Проведены оценки плотности тока автоэлектронной эмиссии с поверхности металлизированной пленки и соответствующего теплового эффекта.  Предложен механизм пробоя межвиткового воздушного промежутка – тепловой взрыв микроострий на поверхности металлизированной пленки под действием токов автоэлектронной эмиссии. Выдвинута гипотеза о том, что решающее влияние на процесс электрического старения металлопленочных конденсаторов имеет разрядная активность в межвитковом воздушном зазоре, как инициатор теплового пробоя полипропилена.

The objective of this work is the study of the electrical ageing processes of metallized film capacitors for power electronics under DC voltage and elevated temperature and the revealing of the electrical ageing mechanism. The following tasks were solved in the framework of the study: 1. Creation of an experimental setup for accelerated ageing and obtaining a set of capacitors parameters at elevated temperature and voltages up to 3*U_rated; 2. Obtaining experimental data on the kinetics of capacitor parameters degradation during long-term electrical ageing; 3. Analysis of the data obtained, determination of the capacitor failure type and the nature of electrical ageing law; 4. Study of the conditions for partial discharges initiation in the capacitors interlayer air gap under long-term voltage exposure – the size of the gap, the electric field strength, evaluation of the air gap breakdown possibility; 5. Revealing of the electrical ageing mechanism of metal-film capacitors, verification of the hypothesis of partial discharge as the first stage of self-healing capacitor breakdown. The work was carried out on the base of laboratory and measuring equipment of the Scientific and Engineering Center for Advanced Insulation Systems of the Higher School of High-Voltage Engineering.  Using impedance analyzers and teraohmmeters, the kinetics of degradation of metallized film capacitors was investigated and it was  found that capacitor failure is sudden. It is established that the law of ageing has a power character of the type τ ~ A*E^-n, and electrical ageing for 1000 hours did not affect the dielectric strength of the studied capacitors. Using the linear voltage rise technique, the short-term dielectric strength of the studied capacitors was determined, equal to E_br = (288±22) V/µm at room temperature, and E_br_85°C = (257±10) V/µm at elevated. A set of methods for determining the interlayer air gap and polypropylene film parameters has been developed. Based on it, the conductivities of the polypropylene film and the interlayer air gap have been determined depending on the voltage across the capacitor, and the corresponding electric field strengths have been calculated. It is shown that under long-term exposure to DC voltage, electric fields of significant strength ~ 1000 V/µm exist in the inter-layer air gap. The current density of the field emission from the surface of the metallized film and the corresponding thermal effect are estimated.  A mechanism for the breakdown of the inter–layer air gap is proposed – a thermal explosion of micro-edges on the surface of a metallized film under the action of field emission currents. It is hypothesized that the discharge activity in the inter-layer air gap, as an initiator of thermal breakdown of polypropylene, has a decisive effect on the process of electrical ageing of metallized film capacitors.