摘要：近两年我国电力电容器制造行业已在低压电容器制造领域推出了金属化产品来取代原有的油浸纸质产品。金属化电容器的显著特点就是具有所谓的“自愈性”，即在介质击穿时击穿点能像伤口愈合一线瞬时恢复绝缘性能……

关键词：金属化电容器 自愈性能 分析

近两年我国电力电容器制造行业已在低压电容器制造领域推出了金属化产品来取代原有的油浸纸质产品。金属化电容器的显著特点就是具有所谓的“自愈性”，即在介质击穿时击穿点能像伤口愈合一线瞬时恢复绝缘性能。由于具有这种宝贵的自愈性能，金属化电容器能采用极薄的单层薄膜介质。这样电容器就能采用很高的工作电场强度，因而电容器的体积和重量都大大减小。但自愈是有一定限度的在某些场合下，自愈性能的丧失就会导致电容器的故障。因此，了解金属化电容器的自愈性能对于产品的设计和使用都是重要的。下面我们分析以下金属化电容器在发生击穿时的自愈过程以及影响该过程的诸因素。

1、自愈过程的分析

1.1自愈过程的描述

请参看图1a、b、c，介质由击穿到绝缘恢复的全过程可分步描述如下：

第一步：发生击穿

电容器在外施电压作用下由于介质中的杂质或气隙等弱点的存在或发展引起介质击穿形成导电通路；

第二步：接着在导电通路处附近很小范围内的金属层中流过一个前沿很陡的脉冲电流。邻近击穿点处金属层上的电流突然上升，按其离击穿点的距离而成反比分布。在瞬刻t，半径为R_t的区域内金属层的温度达到金属的熔点，于是在此范围内的金属熔化并产生电弧。该电流引起电容器释放能量，在弧道局部区域温度突然升高，压力突然增加。

第三步：绝缘恢复

随着放电能量的作用，半径为Rt的区域内金属层剧烈蒸发并伴随喷溅。在该区域半径增大的过程中电弧被拉断，金属被吹散并受到氧化与冷却，最后破坏了导电通路，在介质表面形成一个以击穿点为中心的失掉金属层的圆形绝缘区域。如此自愈过程即告完成。

失掉金属层的圆形绝缘区域称作自愈晕区，其面积通常在1—8mm²的范围内。典型的自愈晕区处型如图2所示。还需指出晕区金属层的蒸发不是靠弧道释放的热量而是靠电流通过金属层直接发热的。在自愈过程中电流是沿介质表面在气体媒质中通过的，整个过程进行很快。据研究[1]，当极板表面电阻在1.4～4.5Ω/□范围内，在常压及400V条件下自愈时间约为10～20μS。外施电压高时对应的自愈恢复时间长。

1.2电容器内发生自愈时的等值电路

自愈过程中电容器的等值电路如图3所示。图中击穿点S模拟放电通道及附近的两个极板上的金属层蒸发的区域；c、r、h则代表电容器完好部分的饿等值参数。

S可看作是一个非线性有功元件，它在某一瞬间的静态与动态电阻不仅与此刻的饿电流、电压有关，而且和先前的过程有关。S上的电压在自愈开始时由电容器极板上的起始电压值很快将到O，然后在比较缓慢地依指数规律上升直到自愈结束。自愈过程进行得很快，电容器上的电压Uc还来不及下降，所以外电路的影响可不考虑。

关于发生自愈时电容器等值回路的参数r、L计算Io.C.qaTUHAH等人[2]通过解析运算推出了如下的表达式：

r=0.67nr_oLnb/R

h=4.2×10^-7W²d Lnb/R

式中：W－－元件圈数

b－－极板宽度

d－－介质厚度

n－－等于1或2的系数，指单面或双面金属化纸

r_o－－极板表面电阻

R－－自愈晕区半径

我们可以推算一下，若b=100mm，R=1～4mm，r_o=3，则r在%。47～9。26Ω的范围内。

IO.C. qaTUHAH等人进行的计算与实验还表明当r 径为最大。自愈晕区半径R与电极表面电阻的关系示图4。

2、影响自愈过程的诸因素

2.1外施电压对自愈的影响

为了实现自愈必须在围绕击穿点处有一定的能量作用形成去掉金属的圆形区域。但如释放的能量太多，临近的介质就会遭受破坏而引起新的击穿，如此发展下去就会导致介质反复击穿从而使击穿点处介质烧灼结瘤和自愈失效。可见为了获得足够的自愈晕区并使临近的介质不致受到损伤，自愈放电能量必须控制在一定的范围内。自愈区耗散的能量是影响自愈性能的一个重要参数。

H.Heywang[3]经过一系列的测试发现自愈能量与外施电压的4次方成正比，即

EαU⁴

Shaw D.G[1]用表面电阻为1.4Ω的双面金属化纸样品在常压下试验求得放电量与外施电压（400～1000V范围内）的关系为：

EαU^4.7

两者的结果是相当接近的。此外，相应于不同的自愈能量会形成大小不同的晕区面积，有的研究者则从晕区面积的大小与外施电压的关系来研究自愈性能。

H.A.Topomuh[4]经研究得到电容值不同时锌金属化纸电容器的自愈区面积与外施电压的关系，结果如图5所示。

由图5可见，当试品电容增大时自愈区面积增大，但当电容器超过10μf时其随电容变化的关系已接近饱和状态；而电压由200V增加到600V时自愈区面积大体上随电压呈线性关系增长。

还有人用针刺法进行自愈试验说明自愈与电压极性亦有很大关系。此外金属化铝电容器在直流电压作用下还会有电化学自愈现象，即在击穿点处由于离子电导的作用，在阳极上产生氧使铝氧化而自愈，在阴极上产生H 离子则没有显著影响。

2.2自愈能量与极板厚度的关系

根据H.Heywang[3]的研究放电能量E与金属层厚度t的平方成正比，即：

Eαt²

而Shaw D.G等人 [1]给出在电容器内层自愈能量与电极厚度的关系在常压与400V条件下为：

Eαt²

两者的研究结果也是相当一致的。

H.A.Topomuh[4]的实验用的是金属化纸，结果如图6所示。当极板厚度增加时（即表面电导增加）自愈释放的能量迅速增加。他还指出对于方阻为4.5Ω的电极，自愈时的电流幅值为2.7Ω电极的60%，为1.5Ω电极的30%。

2.3自愈能量与外界压力的关系

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