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厦门法拉电子股份有限公司 王永州
【摘要】本文介绍了金属化薄膜电容器的自愈原理，通过探讨不同自愈声探测方法的原理，对比分析了不同探测方法的优缺点，简要介绍了用不同自愈测试设备进行电容样品的自愈测试；并通过解体统计自愈点数量对测试结果进行验证，验证了不同自愈测试设备对测试结果的巨大影响。【关键词】自愈（Self-healing）；薄膜电容器（Film Capacitor） 0.概述
金属化薄膜电容器的显著特点就是具有“自愈性”，即在电介质击穿时击穿点周围的金属化镀层瞬时蒸发而快速恢复绝缘性能。对采用同样的原材料制作的金属化膜电容器，自愈性能越好，电容器的耐压水平越高，所能承受的过电压也越高，电容器在运行中表现也更加稳定，反之电容器出现击穿失效的几率也越大。由此可见，自愈性能是评估金属化薄膜电容器电性能优劣的一项重要指标，正确掌握并运用自愈，能有效改善电容器生产工艺，提高电容器的可靠性。
1.金属化薄膜电容器的放电自愈原理
假设在金属化薄膜电容器的两个金属化电极的有机薄膜某一处有一个疵点其电阻为R ，其可能是金属性疵点，也可能是半导体或
劣质绝缘性能点（图一a）。
图一
放电自愈的过程是：在金属化有机薄膜电容器上施加电压后，立刻有欧姆电流I ＝通过疵点，因为疵点的面积为S=流经该疵点的电流密度J ＝
，即是在金属化电极离疵点越近的区域
（即r 越小），其电流密度越大，由于疵点功耗
(为自愈时
间)引起焦耳热，使得疵点的电阻R 下降，电流I 和W 又迅速增大，结果在金属化电极离疵点很近的区域中，电流密度急剧上升到其焦耳热能将金属化层熔化，引起电极在此处飞弧，电弧很快蒸发该区域的金属化层形成无金属化的绝缘隔离区，电弧熄灭，实现自愈（图二b ），由于在放电自愈过程中产生的焦耳热和电弧，疵点周围的介质和绝缘隔离区的介质难免会受到热损伤和电破坏，因而发生化学分解、气化和炭化甚至发生机械性损伤，该现象在大容量金属化
薄膜交流电容上表现得特别明显（电容爆裂，起火）。
氮化铝烧结炉图二
打包流水线2.薄膜电容器自愈测试重要性及自愈测试要求
2.1 电容器自愈测试重要性
电容器自愈特性是金属化薄膜电容器的一个重要特性，自愈式电容器的特点是具有自愈性能，当介质击穿时，短路电流会使击穿部位周围的金属膜熔化蒸发，从而恢复绝缘，因此具有较高的运行可靠性。绝大数条件下，质量合格的自愈式电容器是可靠的，但若自愈特性不好，自愈可能失效，无法自愈的电容器可能击穿并在内部产生气体，使电容器压力增大，如无安全措施，压力增加大一定程度时，电容器可能发生爆炸；而且自愈性电容器在使用过程中因自愈原因内部极板的面积会逐渐减少，容量随之下降，若下降幅值不大则属于正常现象，倘若电容器设计不良造成产品自愈过度，产品可能产生容量下降幅值过大现象，造成失效。因此自愈测试对于自愈电容器是必要的，可以剔除自愈特性不良设计，改善电容器质量。2.2 电容器自愈测试要求
马达启动电容、灯具电容等交流电容器的测试方法；马达电容器的测实验室制硝酸
试方法：电容器施加1.2Un 的电压后，若探测到的自愈击穿小于5次，则以不大于200V/min 的速度升
高电压直至5次自愈击穿或电压达最高值2.0Un 为止[1]；而对于灯具电容器来讲升压从1.25Un 开始，同样每分钟不超过200V 的速度升高，直至发生5次自愈性击穿或达到3.5倍Un 为止[2]。电力电子电容器参照GB/T 17702 第5.11节自愈性试验：对交流电容器施加1.5U N ，直流电容器为1.5U NDC ；若在此期间的自愈击穿次数小于5次，则缓慢升压直至发生5次自愈或电压达2.5倍额定电压[3]。不同电容标准对具有自愈特性电容自愈测试略有不同，但总体上来讲可分为两部分：第一部分对电容施加一定的电压；第二部分对电容器升压过程中所发生的自愈击穿进行探测。
3.薄膜电容器的自愈测试方法对比
3.1 使用交流电源进行测试
交流测试，此种测试电容器的容量相对比较小，通常在50微法以内，对于大容量且电压比较高的产品，若采用交流测试方法对设备的容量要求高，设备实现起来相对困难，且自愈测试时的自愈探测易受电流影响，容易造成探测误差，不利于自愈的准确探测。3.2 使用直流电源进行测试
自愈击穿使用直流电源测试一般用于容量比较高的电容器，其容量大多几十个微法到几百个微法，这时使用交流电进行测试需要电源提供很大的功率，根据I =ωCU 可知随着容量和电压的增加其测试回路上的电流将变得非常大；这时若使用直流进行测试将变得非常方便，因为对于直流电压在电容器上所产生的电流是极其微弱的。3.3 自愈声探测电源部分不同方法优劣对比（表1）
表1 自愈测试使用不同电源方式优缺点
自愈测试方法优点缺点
交流电源测试法探测灵敏度高对高电压、大容量的电容样品，要求测试设备的功率很大，设备成本高，且探测结果易受回路电流影响直流电源测试法
设备结构简单，易实现，成本低
测试小容量产品时因自身自愈信号较弱，要求信号探测灵敏高抗干扰滤波器
3.4 自愈声探测信号采集方法对比
电容器自愈声探测通常采用如下两种方法：第一种采用声音放大探测法，所谓声音放大就是使用拾音器贴至被测电容器表面，通过声音放大设备进行放大，通过人工干预方式测量自愈次数，按标准要求进行自愈判断；第二种采用超声波探测，使用声纳传感器采集自愈信号经过信号处理后实现自愈次数自动计数，不需要人工计数干预。两者信号探测优缺点见下表2。
表2 不同自愈信号探测方法优缺点对比
自愈信号探测
优点
缺点
声音放大探测法
设备简单，只需要拾音器和声音放大器，自愈声探测较为直接
dbr激光器探测器需要贴紧表面，要求电容器具有一定的平整表面积，不适合用于测试圆柱装或表面不规则电容器测试结果人为影响大，不同测试者因听力不同，造成测量误差大超声波探测法
测试准确度较高，不受人为因素影响
设备结构较复杂，为了减少超声波衰减往往需要放置水箱内，操作比较麻烦
探测器不需接触到电容器，可测试圆柱或其他有不规则表面的电容器
4 自愈声探测设备实现泊车系统
4.1 自愈声信号的分析
对电容器施加直流电压，从声纳采集端可以抓取到如图三电容器自愈信号，展开自愈信号如图四所示，不同电容器自愈声信号的频率有些许差异，大都在几十千Hz 的范围内；信号处理器可以按标准要求的40~80kHz 频段内[4]进行处理，以供后续自愈声的计数处理。
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图三 自愈信号波形图 图四 自愈信号波形展开图
4.2 设备的构建
法拉电子自愈声探测采用如图五自愈声采集方式：
图五 自愈测试设备框图
其中声纳传感器的频段等技术要求满足测试需要，见表3。
为了消除干扰把电容器放置于隔音箱内（图六），并对电容器施加直
流电，使用声纳传感器采集声音信号，对信号进行处理后送至计数器。
图六 测试设备框图示意
法拉电子实验室已完成直流测试设备的技术参数见下表4。
表4 自愈测试主要技术参数
测量方式
直流声测法交流输入
功率15kVA 电压380V±10%频率
50Hz±5%直流输出50～30kV连续可调可测试容量范围50uF～500uF 实验时间范围
0～99.99s 隔音箱尺寸（深×宽×高）㎜
1000×1000×1500
电压稳压率≤1%冷却装置
强制风扇冷却环境工作温度
0-45℃
相对湿度
10-90%(非凝结状态)
海拔高度
1500公尺
4.3 法拉电子构建的自愈测试设备实测结果
取一批马达启动电容器进行自愈测试对比。样品规格：450V0.1uF （分为A 组和B 组各10只）实验项目：自愈测试
测试条件：不同自愈探测设备，探测到5次自愈后进行容量测量。测试结果如表5所示：
从表5结果来看，同一批次的产品，采用市面采购的自愈设备，测试结果为不合格（探测到5次自愈击穿后容量损失率均值达0.6%）；而采用法拉构建的自愈探测设备，测试结果为合格（探测到5次自愈后容量损失仅0.11%）；由此可见，探测设备的优劣对探测的结果影响是巨大的。4.4 自愈测试结果验证4.4.1 膜层解体自愈点统计
对于A 、B 两组使用两种设备自愈测试后的样品进行解体，并统计对做完实验后的膜层自愈点（图七）数量进行统计，统计出的自愈点数量如表6
所示。
图七 解体膜层自愈点样式图
表6 自愈点数量
样品号自愈点数量
样品号自愈点数量
A124B112A236B210A342B38A425B412A515B56A624B69A713B712A821B818A921B912A10
16
B10
10
从表6的自愈点统计可以发现，实际解体统计出的自愈点数远大于5个。
4.4.2 结果分析
产品生产过程中，因有赋能及耐压测试，膜层的疵点在在这个过程中会产生自愈击穿点，我们在统计自愈击穿点也包含了这部分的自愈点；另外，由于电容器在自愈过程中，可能存在多个自愈点同时发生的自愈现象，此时使用自愈声探测时只能探测到一次；A 组样品的自愈点明显高于B 组，是因为A 组探测所使用的设备灵敏度小于B 组探测的灵敏度，有些自愈比较微弱的信号探测不到，造成探测到5次自愈声时，实际的的自愈已大于5次。
从实验可以看出，同一批产品不同的测试仪器，测试出来的结果会有比较大的差异，特别是对于自愈较为微弱的产品更是明显，从结果的对比验证了我司自行构建的自愈设备对电容器的自愈性测试更为敏感，所进行的自愈声探测更接近实际结果。
5 结束语
法拉电子通过搭建合理且测试效果良好的自愈测试平台，使得探测结果的准确度更高，可以用作产品工艺性能验证，这样大大缩短不同工艺方案验证周期，更快速更便捷地进行工艺改进；当然电容器的开发不但要考虑电容器的早期失效，还要考虑电容器的长期寿命，自愈特性只是全膜式电容器的耐受过电压后的一个自我恢复能力，只是电容器安全特性里的一个指标，对于实际电容器开发中还需要考虑用户使用场合中的温度、电压、谐波、涌流等对电容器寿命的影响，要开发一个优良性能的电容器，需要综合考虑这些问题，其中还需要包括考虑原材料的特性，只有综合考虑了这些才能设计出更优质的产品。
参考文献
[1]交流电动机电容器第2部分：电动机起动电容器 GB/T 3667 2.1.5自愈实验.
[2]管形荧光灯和其他放电线路用电容器 一般要求和安全要求:17自愈试验.
[3]电力电子电容器,5.15自愈性试验.
[4]标称电压1kV及以下交流电力系统自愈式并联电容器 第2部分.[5]厦门法拉电子股份有限公司企业标准Q/FARA.025－2006.作者简介：
王永州（1976—），男，工程师，现供职于厦门法拉电子股份有限公司，主要从事薄膜电容器设计和
研发工作。
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