1、高储能密度脉冲电容器保护的研究第 3O 卷第 l2 期?40?2004 年 l2 月高电压技术HighVoltageEngineeringVo1.3ONO.12Dee.2004i 脉冲功率技术;.,高储能密度脉冲电容器保护的研究秦实宏,刘克富.,李劲.,潘垣.(1.武汉工业学院电气信息系,武汉 430023;2.华中科技大学电气与电子工程学院 ,武汉 430074)摘要:分析了金属膜电容器损坏的原因,提出了采用电阻 ,电感和熔断器的电容器保护方案,同时分析了各保护元件的作用及各元件参数值的选取,并结合实例给出了实例分析的主要结果,该方案已很好地应用于实际系统中.关键词:高密脉冲电容器;击穿;快
2、速限流熔断器;电容器保护中图分类号:TM834 文献标识码:A 文章编号:10036520(2004)12004002StudyofProtectionforHighDensityPulsedCapacitorsQINShihong,LIUKefu.,I.IJing.,PANYuan.(1.DepartmentofElectricalInformation,WuhanPolytechnicUniversity,Wuhan430023,China;2.SchoolofElectricalandElectronicEngineering,HuazhongUniversityofScienceand
3、Technology,Wuhan430074,China)Abstract:Thereasonsofdecayofmetalfilmcapacitorsareanalyzed.Thewayofcombinationofresistor,inductorandfastcurrentlimitingbreakertoprotectmetalfilmcapacitorsisputforward.Theeffectsandtheparameterselectionofprotectionelementsarealsodiscussed.Someresultsaregivenaccordingtothe
4、studiedlaserpulsepowersourcesysteminwhichdensitypulsedcapacitorsareused.TheprotectionwayforthemetalfilmcapacitorsisSUCcessfullyusedinlaserpulsepowersourcesystem.Keywordshighdensitypulsecapacitor;breakdown;fastcurrentlimitingbreaker;protectionforcapacitor0 引言目前强磁场脉冲电源按不同储能方式主要分为电场储能的电容器组,磁场储能的电感线圈和机械
5、储能的电动飞轮发电机组 3 种类型.电容器组具有ms,/*s 甚至 ns 级的强脉冲 l】放电特性,技术成熟,易于操控而被广泛应用,如强流脉冲放电的电磁炮电源,磁约束和强激光约束的电源等 l】.电容器储能的电源系统用数百台电容器并联来提供能量,且工作在脉冲高压大电流的状态,电容器因老化和操作失误而大大缩短寿命,导致内部击穿短路甚至发生爆炸,既使电路元件和母排损失巨大,又危及人身安全.美国的 NIF 装置和我国的激光聚变电源装置上都曾发生过类似故障 u.电容器的储能密度和能量越大,所造成的损失就越大,因此电容器的保护非常重要.目前在不同的高功率脉冲电源系统中几乎都用简单的细裸铜丝对电容器实现保护
6、.本文研究电容器的保护.1 金属化膜电容器损坏原因目前各国高储能密度电容器的储能材料普遍用金属化膜.金属化膜电容器有独特的电弱点处自愈特性(见图 1),储能密度大为提高,因此在脉冲功率*国家 863 惯性约束聚变领域资助课题(8634167.3)电源的应用领域日益受到重视.电容器工作过程中,介质中的电弱点因承受不住电压而击穿时,产生的大电流可在短时内将电弱点处的电极蒸发形成边缘绝缘,使电容器能继续正常工作.o皇翌皇金属层薄介质缘图 1 电弱点处自愈的过程Fig.1Self-healingprocessingatalikelybrokendownpoint但这类电容器也有不足之处,其损坏形式有三
7、:1)膜的击穿 :因膜的绝缘裕度小,故当电压远大于其耐受值时电容器无法自愈成功,从而发生膜的贯穿性损坏.2)端部脱落 :因金属化膜电容器的电极以端部喷金引出,故喷金层与电极的接触状况不很理想,接触电阻也较大.当电容器在高场强和大电流下工作时,喷金层与电极间因电位差而产生放电火花效应,加上机械力,电动力,热效应等的共同作用,使端部接触状况恶化,造成恶性循环,最终导致喷金层脱一2004 年 12 月高电压技术第 30 卷第 12 期?41?落,电容器损坏.3)电容量 C 下降:金属化膜电容器无法完全浸渍,故在高场强作用下其元件内部会产生严重局部放电,使金属镀层烧蚀严重;另外,极薄金属层的氧化反应也
8、易使 c 下降,降到一定程度 (5)时,电容器因性能无法满足使用要求而须退出运行.这种电容器承受反向电流冲击和反向电压的能力比普通电容器相对小些,故合理地保护电容器对延长其寿命,保证电源系统各单元波形的一致性及设备和人身安全以免事故造成灾害等意义极其重大.2 电容器保护的关键技术电容器保护总的目的在于:1)限制母排短路电流,防止母排接地故障造成系统结构损坏;2)防止单台电容器击穿发生爆炸事故;3)防止 C 异常下降,延长电容器的使用寿命.电容器保护的关键技术是采用电感,电阻和快速限流熔断器的保护技术.电源系统不大时可用一级保护,即每台电容器串接电感,电阻和快速限流熔断器后直接与母排相连.电源系
9、统较大时可用二级保护,即基于一级保护将电容器分组并联形成一级短的母排后再加上一级熔断器与系统母排相接4(见图 2),以便当母排发生接地故障时减少熔断器的损失和更换的数量.对电感,电阻和熔断器这些保护元件的参数设计,要依据电容器电流电压所用耐受值,母排接地和单台电容器内部击穿故障时的故障电流,完好电容器上残压等进行综合考虑.电感用来限制短路电流的上升率,减少它对电容器的冲击损坏及对电容器内引线端子处连接点结构的破坏,延长电容器的使用.电感值若过小,则保护作用不大;若过大,则不利影响有二:熄弧时间长,保护效果差;熄弧后电容器上所剩反向残压较高,电容器的失效加快.电阻用来限制短路电流的峰值,在不影响
10、系统的传输效率的前提下电阻值应尽可能取大些.快速限流熔断器用来在故障电流到达峰值前提前动作.熔断器熔断截面直径由熔体所承受的热负载(电流的平方对时间的积分)决定,其整定值的选取至关重要,应综合考虑:要满足熔断器动作灵敏度和过载能力的要求;动作电流要小于电容器的耐受冲击值,熔断器动作开断后电容器上的反向残压要低于规定值;熔断器要能耐受过载电流电动力的冲击,熔体温升要小于允许温升;熔断器动作后还要有动作指示标志,便于识别和更换.综合效果应是熔断器的熄弧时间短,动作电流小同时有一定过载能力,电容器上的反向残压低.3 应用实例文 E4结合实例系统分析了熔丝直径的选取.熔丝直径与熔断器开断特性直接相关,
11、直径越细动作越灵敏,但对正常通流的过载能力越差,熔丝温升也越高,快速重复工作时就可能因温升的积累效应而很快无法工作;直径较粗时,过载能力虽强,但开断时故障电流通流时间也长,电容器上反向残压亦过高,对电容器的保护效果不佳.根据上述分析,并考虑到电容器所能耐受的电流冲击值 lOkA 和反向残压 2.5kV,选取熔丝直径时要求熔丝过载能力即熔断动作时的热负载是熔丝正常通流时热负载的 5 倍.对已设计好的熔断器,电感和电阻进行了大量试验,其中包括正常通流与电流过载倍数,开断能力,熄弧时问,电动力和电气绝缘等试验.图 2 为典型的电熔断器开断时的短路试验电流波形,开断时的电流峰值约 8.6kA,熄弧电流
12、第 1 次过零时间为30s.图 3 为电容器上电压波形,反向残压最大值约 1.6kV.这些值与仿真设计值很吻合,可见所设计的保护元件能较好地满足对电容器保护的要求.,2./1I 厂.V:_l 预期电流波形2 故障电流波形横轴:lOOps/格纵轴:5.8kA/格图 2 熔断器预期开断电流和故障电流波形Fig.2Waveformsoffuseprospectivebreakingcurrentandfaultcurrentl 八电容器上残压波形横轴:lOOps/格纵轴:5kV/格图 3 熔断器开断后电容器上的残压波形Fig.3Waveformofresiduevoltage4 结论a.电容器损坏主
13、要是因电源系统故障导致电容器膜击穿,内部引线端部脱落和电容量下降;b.提出了采用电阻,电感和快速限流熔断器的电容器保护技术,3 个保护元件中熔体熔丝直径的选取最为重要;C.该技术已成功应用于实际的激光聚变电源.参考文献1:秦实宏.脉冲电容器组电容器保护的研究.武汉:华中科技大学,2001.22 秦实宏 .等离子电枢轨道炮的烧蚀机理及实验研究D.武汉:华中科技大学,1999.3:DavidISmith,JMichaelWilson.FANTM:Thefirstartic1eNIFtestmoduleforthelaserpowerconditioningsystemEC.12thIEEEPulsedPowerConference.Monterey,Califomia,USA,1999.4秦实宏,刘克富 ,李劲,等.高功率激光电源系统故障与保护仿真的研究J_高电压技术,2004,30(9):49-50.( 收稿日期 20040618)秦实宏 1964 年生,博士,副教授.主要从事脉冲功率技术应用,电气智能测试,信息获取及信息处理的研究电话:(027)62100316
