一种用于直流滤波电容器的熔丝参数获取方法与流程

本发明属于金属化膜电容器领域，更具体地，涉及一种用于直流滤波电容器的熔丝参数获取方法。
背景技术：
：用于金属化安全膜电容器的熔丝保护技术是电容器保护的重要措施，熔丝保护的重点在于熔丝的熔断机理和尺寸设计。金属化安全膜中熔丝熔断机理有两种：(1)电爆炸导致熔丝熔断，即短时间内过大的电流密度导致蒸镀电极发生电爆炸；(2)电极金属相变导致熔丝熔断，指在自愈过程中流经熔丝电阻的电流的热效应使熔丝上的电极金属产生裂纹甚至蒸发。在金属化膜电容器中，自愈是允许发生的正常现象，自愈发生后金属化膜电容器仅损失少量电容量能继续正常运行，而自愈失败是不允许发生的，自愈失败会导致电容器内部击穿短路。因此合理的熔丝设计要求电容器正常工作发生自愈时熔丝不熔断，电容器发生自愈失败时熔丝断开。直流滤波金属化膜电容器的熔丝设计需要综合考虑自愈成功和自愈失败两种情况，且电容器的实际运行环境复杂。目前并无针对金属化安全膜电容器的熔丝设计的方法。技术实现要素：针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种用于直流滤波电容器的熔丝参数获取方法，其目的在于获得安全膜电容器中的熔丝个数。本发明提供了一种用于直流滤波电容器的熔丝参数获取方法，包括下述步骤：(1)将金属化膜试品置于自愈试验平台中，通过设置试验温度并施加压强来进行自愈试验，并获得金属化膜试品的自愈电压和自愈电流；(2)根据金属化膜试品的自愈电压和自愈电流获得自愈电弧电阻，并根据自愈电弧电阻获得电阻模型，根据电阻模型获得自愈电弧电阻参数最小值Rarcmin，最大值R0以及时间参数A；(3)搭建安全膜仿真模型，根据所述自愈电弧电阻参数最小值Rarcmin，最大值R0以及时间参数A设置所述安全膜仿真模型中自愈电弧电阻参数Rarc或Rshort、自愈成功时的击穿电压U、自愈失败时的击穿电压U，并计算不同熔丝数量下自愈成功和自愈失败时流过安全膜熔丝的电流和熔丝上产生的焦耳热；(4)根据熔丝熔断判据以及电流密度和熔丝热量与熔丝个数的关系对熔丝个数进行配置。本发明通过进行金属化膜自愈实验得到金属化膜自愈特性，在此基础上搭建安全膜仿真模型，通过模型仿真计算分别得到最严重的自愈成功和最不严重的自愈失败情况下流过安全膜熔丝的电流Ipeak和熔丝上产生的焦耳热-熔丝能量Wfuse。根据此两种情况下的熔丝电流密度和熔丝能量，对熔丝的宽度或者熔丝个数进行配置。本发明能准确对用于直流滤波的T型金属化安全膜电容器的熔丝进行设计。更进一步地，在步骤(2)中，所述电阻模型其中，t为时刻，t0为自愈电流下降为零的时刻，Rarcmin为在一次自愈过程中自愈电弧电阻最小值，R0为自愈电弧电阻最大值，A为时间参数。更进一步地，所述安全膜仿真模型包括：自愈点所在分块和自愈点两侧分块，所有分块之间通过熔丝并联连接；所述自愈点所在分块用于仿真自愈点击穿情况；所述自愈点两侧分块用于仿真周围分块上储存的能量向自愈点的流动。更进一步地，所述自愈点两侧分块包括串联连接的分块电容C1、分块等效电阻Rsl和熔丝电阻Rfuse；所述自愈点所在分块分为若干等份，每个等份包括一个等份的电容Cs，电极电阻Rs，自愈成功电弧电阻Rarc和自愈失败等效短路电阻Rshort；每个等份的电容两侧通过电极电阻并联连接，并通过一个等份电极电阻连接至熔丝电阻和低压侧。更进一步地，步骤(3)中，自愈成功时的击穿电压U设置为2.6UN、自愈失败时的击穿电压U设置为UN，其中，UN为电容器运行额定电压。更进一步地，步骤(4)中，所述熔丝熔断判据为：熔丝上的线电流密度J大于Jm＝1011A/m2或者熔丝上产生的热量WR大于WRm2＝0.127mJ，并根据最严重的自愈成功情况下熔丝不熔断，即电流密度J<Jm＝1011A/m2且WR<WRm1＝0.0052mJ，和最不严重的自愈失败情况下熔丝熔断，即J>Jm＝1011A/m2或WR>WRm2＝0.127mJ。更进一步地，步骤(4)中，所述电流密度和熔丝热量与熔丝个数的关系为：电流密度J＝Im/NDL＝Iβ/NρL，Im为流经分块熔丝的电流幅值，N为熔丝数目，D为熔丝金属层厚度，L为熔丝宽度，ρ为金属铝的电阻率；单个熔丝能量WR＝∫(i/N)2βB/Ldt，i为流经分块熔丝的电流值，B为金属化膜有效膜宽。总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：(1)通过金属化膜自愈试验确定自愈模型参数，在设计时能更准确仿真所用金属化安全膜的自愈特性。(2)通过计算不同熔丝设置方案下安全膜自愈成功与自愈失败时流过熔丝的电流峰值和熔丝上产生的焦耳热，可准确得到自愈成功时保证熔丝不动作和自愈失败时保证熔丝动作的理想的熔丝设计方案。计算简单、设计结果直观。附图说明图1为本发明实施例提供的用于直流滤波电容器的熔丝参数获取方法的实现流程图；图2为本发明金属化膜自愈试验平台的示意图；图3为本发明提供的自愈成功安全膜仿真模型；图4为本发明提供的自愈失败安全膜仿真模型。具体实施方式为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。本发明提供了一种用于直流滤波的金属化安全膜电容器的熔丝参数获取方法，可以准确获得安全膜电容器中的熔丝宽度或熔丝数量。主要适用于实际运行工况下直流滤波电容器的熔丝设计。本发明提供的用于直流滤波金属化安全膜电容器的熔丝参数的获取方法，包括下述步骤：(1)将金属化膜试品置于自愈试验平台中，设置试验温度并施加压强，进行自愈试验；并获得金属化膜试品的自愈电压和自愈电流。试验温度与电容器实际工作温度相同；金属化膜电容器大部分电容量损失出现在电容器外层，该部分的层间压强约为1MPa。自愈试验平台是用于对金属化膜在特定温度和压强下的自愈特性进行研究，通过自愈试验平台可对金属化膜自愈过程进行模拟试验。其具体结构可以参见专利文献“发明名称为《一种用于金属化膜自愈实验的装置》”。(2)根据金属化膜试品的自愈电压和自愈电流获得自愈电弧电阻，并根据自愈电弧电阻获得电阻模型根据电阻模型获得自愈电弧电阻参数最小值Rarcmin，最大值R0以及时间参数A。其中，自愈过程从0时刻开始，t为时刻，t0为自愈电流下降为零的时刻，Rarcmin为在一次自愈过程中自愈电弧电阻最小值，R0为自愈电弧电阻最大值，A为时间参数。(3)搭建安全膜仿真模型，如图3或4所示。对于自愈点所在分块，在仿真中将分块电容C1分成若干等份，Cs表示一个等份的电容，Rs表示一个等份的电极电阻，Rs1表示单个分块的电极电阻，Rfuse表示安全膜熔丝电阻。其他分块使用等效串联电路表示，单个分块金属化膜尺寸、电容量、电极电阻、方阻以及熔丝电阻根据实际参数设置。根据步骤(2)得到的自愈电弧电阻参数设置自愈电弧电阻参数Rarc或Rshort；自愈成功时的击穿电压U为2.6UN，自愈失败时的击穿电压U为UN。计算不同熔丝数量下自愈成功和自愈失败时流过安全膜熔丝的电流和熔丝上产生的焦耳热。(4)结合熔丝熔断判据，熔丝上的线电流密度J大于Jm＝1011A/m2或者熔丝上产生的热量WR大于WRm2＝0.127mJ，并根据最严重的自愈成功情况下熔丝不熔断，即电流密度J<Jm＝1011A/m2且WR<WRm1＝0.0052mJ，和最不严重的自愈失败情况下熔丝熔断，即J>Jm＝1011A/m2或WR>WRm2＝0.127mJ，根据电流密度和熔丝热量与熔丝个数的关系对熔丝个数进行配置。电流密度J＝Im/NDL＝Iβ/NρL，Im为流经分块熔丝的电流幅值，N为熔丝数目，D为熔丝金属层厚度，L为熔丝宽度，ρ为金属铝的电阻率。单个熔丝能量WR＝∫(i/N)2βB/Ldt，i为流经分块熔丝的电流值，B为金属化膜有效膜宽。在本发明实施例中，金属化膜自愈试验平台包括与金属化膜试品串接的用于测量自愈电流的1Ω无感采样电阻、用于对金属化膜试品和采样电阻施加直流高压的直流高压耐压仪、用于对金属化膜试品施加压强以模拟实际电容器中层间压强的液压泵、用于测量金属化膜试品电压的高压探头。本发明通过金属化膜自愈试验确定自愈模型参数，在设计时能更准确仿真所用金属化安全膜的自愈特性。通过计算不同熔丝设置方案下安全膜自愈成功与自愈失败时流过熔丝的电流峰值和熔丝上产生的焦耳热，可准确得到自愈成功时保证熔丝不动作和自愈失败时保证熔丝动作的理想的熔丝设计方案。计算简单、设计结果直观。为了更进一步的说明本发明实施例提供的用于直流滤波电容器的熔丝参数获取方法，现结合附图和具体实例详述如下。如图2所示，本发明金属化膜自愈试验平台包括：直流高压耐压仪，用于向被测量金属化膜试品施加电压；Rc为充电电阻，阻值为1MΩ；1Ω无感采样电阻(RS)，用于获取自愈电流；并联稳压电容(Cp)，电容量为0.1μF。试品膜电容(Cs)，采用两张单面金属化聚丙烯薄膜重叠而成。图3给出了用于直流滤波电容器的安全膜仿真模型。自愈试验过程中，高压和地分别通过两个铜电极与两张金属化膜的电极面进行电气连接，设置一定温度并施加压强，采用手动升压的方式以300V/s的升压速率对金属化膜施加电压。当试品电容发生击穿时，停止升压并将电压回零。通过示波器记录自愈电压电流波形，完成一次自愈实验。若自愈成功，自愈电弧电阻在几μs～十几μs的时间内由最小值逐渐恢复到最大值，电弧在该时间内熄灭，具体时间与采用的金属化膜参数和实验参数有关；若自愈失败，击穿点等效电弧电阻在较长一段时间内持续维持在数Ω～数百Ω量级，电弧持续燃烧。在自愈电弧电阻等效中，忽略1μs-2μs内电弧形成时间，自愈电弧电阻的表达式为：Rarcmin＝min(u/i)-Rc-Rcont，u和i分别为实验中采集到的自愈过程中金属化膜试品电容上的电压和电流值；Rc为从电极接触点到金属化膜重合区域之间的金属化膜的电阻；Rcont为电极与金属化膜的接触电阻。建立自愈成功安全膜仿真模型如图3所示，自愈失败安全膜仿真模型如图3所示。在仿真中将单个分块电容C1分成若干等份，Cs表示一个等份的电容，Rs表示一个等份的电极电阻，Rs1表示单个分块的电极电阻，Rfuse表示安全膜熔丝电阻。自愈成功是通过在自愈点串联一个从自愈电弧电阻最小值(Rarcmin)开始按指数规律增大的电阻Rarc来模拟其电弧熄灭过程；而自愈失败则是在自愈点串联一个阻值恒定的短路电阻(Rshort)来模拟自愈失败点的电弧电阻。根据多次自愈试验，由Weibull分布统计得到自愈成功时Rarcmin大于2460Ω，因此仿真最严重的自愈成功时取Rarcmin＝2460Ω；仿真最不严重的自愈失败时Rshort取为500Ω，若取为更大的值，则此时流经熔丝的电流幅值与最严重的自愈成功时相近，此时为自愈成功的情况。在自愈过程中，两侧的分块2和3会通过熔丝向自愈点所在分块1灌注能量，以提供自愈所需能量，基于该安全膜自愈仿真模型仿真计算得到自愈成功与自愈失败时流过安全膜熔丝的电流和熔丝上产生的焦耳热。结合熔丝的尺寸、熔丝不熔断(达不到熔点)和熔断(完全汽化)时熔丝上的热量应满足的条件，计算自愈成功和自愈失败时电流密度J和熔丝能量WR所需满足的条件(如表1所示)，电流密度J＝Im/NDL＝Imβ/NρL，Im为流经分块熔丝4的电流幅值，N为熔丝数目，D为熔丝金属层厚度，L为熔丝宽度，ρ为金属铝的电阻率，β为金属化膜方阻。单个熔丝能量WR＝∫(i/N)2βB/Ldt，i为流经分块熔丝4的电流值，B为金属化膜有效膜宽。表1熔丝熔断区间自愈情况电流密度和熔丝能量自愈成功J<Jm＝1011A/m2且WR<WRm1＝0.0052mJ自愈失败J>Jm＝1011A/m2或WR>WRm2＝0.127mJ根据仿真模型，取T型安全膜分块尺寸S为69mm×30mm，方阻β为20Ω/□，熔丝单体尺寸为2mm×1mm。2.6kV下自愈成功电弧电阻3000Ω，持续时间20μs；1.0kV下自愈失败电弧电阻500Ω。计算结果如表2所示。表2不同分块宽度下熔丝设计仿真结果本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。当前第1页1 2 3