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《Failure mechanism of metallized film capacitors under DC field superimposed AC harmonic: From equipment to material》
题目：金属化膜电容器在直流叠加交流谐波电压作用下的失效机理：从设备元件到介质材料
作者：李志元，周一涵，王绪光，刘宏博，程璐，刘文凤，李盛涛，国江，徐阳
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直流支撑电容器是新型电力系统中的重要设备，其特有工况——高压直流叠加大量复杂谐波是影响直流支撑电容器可靠性的重要因素之一。因此，近年来电容器在直流叠加谐波作用下的失效特性及机理是学界和工业界关注的热点问题。本文基于直流支撑电容器的实际运行环境，设计了混合介质金属化膜电容器元件，分别开展了电容器在纯直流、以及直流叠加不同含量谐波电压作用下的500小时老化试验；获得了电压、纹波率对电容器容量衰减特性和寿命的影响规律：在相同电压幅值下，交直流叠加电压条件会导致电容器寿命缩短，且谐波含量越大容量衰减越迅速。进一步对老化后的电容器进行拆解，提取聚丙烯基膜和金属化薄膜，对其微观结构和介电性能进行测试，进而揭示了电容器失效机理：交流谐波会导致金属化膜出现电化学腐蚀，表现为老化前期容量迅速下降；纯直流作用下大量高能电子注入，导致聚丙烯基膜分子结构和聚集态结构劣化更为显著，表现为老化后期薄膜绝缘性能下降。
01 研究背景
金属化膜电容器（MFC）在柔性直流输电系统中得到了广泛的应用，承担着电压支撑、谐波滤除等作用。与传统的电力电容器相比，柔性直流输电系统中MFC的运行条件更为严苛，表现为超高直流电场叠加大量复杂交流谐波。然而，目前对于MFC在交直流叠加电压条件下的失效特性及机理尚缺乏系统研究，限制了柔性直流输电系统用电容器的可靠性提升，以及国产直流支撑电容器的发展。
02 实验结果
电压的升高导致电容器加速失效，不同的是纯直流老化作用下，电容器表现为“先慢后快”的容量衰减趋势，而交直流叠加作用下，容量则呈现为“先快后慢”的衰减趋势。在相同的峰值电压下，交直流叠加老化电容器容量衰减相比纯直流更大，并且纹波率的增大会进一步扩大二者差距。
对金属化膜SEM和EDS的测试结果表明：纯直流作用下金属镀层的损失均是由于击穿引起的自愈过程导致，而交直流叠加作用下，尤其是谐波含量增大时，产生了大量电化学腐蚀点，这也是导致电容器老化初期容量快速下降的主要原因。
对BOPP基膜测试分析发现，老化后BOPP薄膜介电常数略有上升，剩余击穿场强随着老化电压的升高而降低，并且交直流叠加老化的BOPP相比纯直流具有更高的剩余击穿场强。在1.4倍额定电压下，纯直流和交直流叠加老化的BOPP薄膜剩余击穿场强接近，仅比未老化BOPP低2 kV/mm。而当老化电压达到1.6倍额定电压时，纯直流老化BOPP的剩余击穿场强降低了43 kV/mm，而交直流叠加老化BOPP降低了30 kV/mm。
为了揭示BOPP薄膜在谐波耦合条件下绝缘性能劣化的机理，本研究对BOPP基膜进行了动态热机械分析（DMA）。结果表明老化后的BOPP分子链段运动活化能相比未老化试样出现降低，并且纯直流老化试样相比交直流叠加老化下降更为显著。这是由于一方面纯直流作用下大量高能电子注入对分子链造成了破坏；另一方面，谐波的引入产生了大约4°C的温升。适当的温升促进了聚丙烯分子链段运动，从而一定程度上优化了聚集态结构，削弱了电场对绝缘性能的劣化作用。
研究获得了金属化膜电容器在直流与谐波耦合作用下的失效规律，分别从金属镀层和BOPP基膜的角度揭示了电容器的失效机理：交直流电压叠加作用下，由于谐波导致的镀层电化学腐蚀，电容器容量呈现“先快后慢”的衰减规律，因此相同电压峰值时电容器在交直流叠加作用下的寿命更短。但是，纯直流电压对薄膜绝缘强度的破坏作用更为严重，这主要是由于大量高能电子注入，导致聚丙烯基膜分子结构和聚集态结构劣化更为显著，表现为老化后期薄膜绝缘性能下降。
Li, Z., et al.: Failure mechanism of metallised film capacitors under DC field superimposed AC harmonic: from equipment to material. High Voltage. Page 1–9 (2024).
程璐，西安交通大学电气工程学院副教授，入选西安交通大学青年优秀人才支持计划。研究方向为储能电介质材料、电容器材料及结构设计、电力设备状态与寿命评估等。中国电工技术学会电力电容器专委会委员，IEEE PES电容器及无功补偿技术分委会委员，电力行业电力电容器标准化技术委员会委员。曾就职于ABB（中国）高压技术中心从事电力电容器技术研发。近年来主持国家自然基金青年项目、博士后基金面上项目，参与国家重点研发计划、陕西省重点研发计划等科研项目。
刘文凤，西安交通大学电气工程学院教授、博士生导师，现任西安交通大学国际合作与交流处处长。国家自然科学基金优秀青年基金获得者，入选中组部青年拔尖人才；主要从事电介质理论及其应用、绝缘材料特性与理论的研究。发表SCI学术论文180余篇，其中单篇论文引用率超2500次，并入选ESI数据库高引论文及中国百篇最具影响力国际学术论文;获国家自然科学奖二等奖一项，获教育部自然科学一等奖一项。
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