薄膜电容器数据挖掘与分析

作为电力系统的重要元件之一,薄膜电容器因长使用寿命、高可靠性等优点而受到广泛应用,然而却极少有研究从数据角度挖掘电容器的自身属性。为了填补这一空白,本文选取收集自网络的40793条薄膜电容器数据作为分析基础,首先利用散点图和箱线图从横向角度分析了不同材料制备而成的电容器的容值、最高最低温度、交直流运行电压等差异,然后利用饼图从纵向角度对比了电容器的运行温度和应用场合,最后计算出这些性能指标的皮尔逊系数并进行了相关性分析。结果表明金属化聚丙烯材料作为目前的主流材料在容值和交直流运行电压方面比其他材料均具有显著的优势,而金属化聚苯硫醚在运行温度上占优,电容器除温度和运行电压外的各项参数之间的相关性并不显著。未来可以进一步对数据进行处理和学习,达到性能预测的效果。

电容器用双向拉伸聚4-甲基-1-戊烯(BOPMP)薄膜开发与应用

聚4-甲基-1-戊烯(PMP)是一种具有等规结构的新型热塑性塑料,PMP为结晶性树脂,熔点在235℃~240℃之间,耐热性好,可在高温下使用,并具有卓越的电气绝缘和介电性能。与聚丙烯树脂相比,熔点高60℃,介电常数、介电损耗相近。随着我国电子工业的发展,PMP的用量在近年来有大幅的增长。目前世界上只有日本三井化学株式会社生产,由于产量有限、售价较高,限制了PMP在国内的应用。为此本文尝试采用双向拉伸的方法,试制聚4-甲基-1-戊烯(BOPMP)薄膜,并加工成金属化膜,试制电容器,最后对电容器的性能进行相应测试评价。采用不同牌号原料生产BOPMP薄膜,其电压击穿强度差别较大,不同频率下的BOPMP薄膜电容器损耗角正切值、介电常数均与BOPP薄膜电容器接近,但其高温下的性能有待进一步验证。如何提升BOPMP薄膜电压击穿强度及其耐热性,开发出适宜于双向拉伸的PMP粒子原料,生产出高质量的BOPMP电容薄膜,将是未来重点研究的方向。

电容器用超净聚丙烯薄膜综合性能比较

研究了不同聚丙烯粒料、不同薄膜生产厂家制备的一系列电容器用超净聚丙烯薄膜的主要性能指标;对比了不同聚丙烯粒子制备电容器膜的结晶特性、热性能、介电性能和绝缘性能等各项性能差异。测试结果表明,部分国产电容器用聚丙烯薄膜性能已达到进口薄膜标准,但仍存在国产膜结晶度偏低、薄型膜质量较差的问题。国产电容器用聚丙烯薄膜距离世界领先水平仍有差距,需要进一步提高国产粒料性能,优化薄膜制备工艺。

电容器薄膜用聚丙烯原料微量元素分析方法

为了精确分析电容器薄膜用聚丙烯原料中微量元素,介绍了电容器薄膜用聚丙烯原料进行元素测定时的干法灰化法以及微波消解法两种预处理方法,比较了不同方法对分析结果的影响。对比了几种分析手段的特点,选择电感耦合等离子体质谱法作为分析手段。相比于干法灰化法,微波消解法的准确度和精密度都较高,微波消解法结合ICP-MS法适用于测定电容器薄膜用聚丙烯原料中的微量金属元素,建立了基于ICP-MS法测定电容器薄膜用聚丙烯原料中微量金属元素含量的方法。

基于共轭梯度法的金属化薄膜电容器热点温度反演

热点温度是影响金属化薄膜电容器(metallized film capacitors,MFC)绝缘寿命的重要因素之一,但由于其无法直接测量,因此通常采用热仿真分析或温度反演的方法获得。该文提出了基于共轭梯度法(conjugategradient method,CG)的热点温度反演模型,建立了内部传热过程的温度分布目标函数,采用有限差分法求解电容器温度场,再通过CG对内部温度分布进行迭代求解。同时,通过交流温升试验校核了仿真模型以及反演模型。研究结果表明:热点温升与表面温升存在线性关系,热点温度出现在MFC中央靠近芯轴处,反演模型与仿真模型最大误差为4.35%,说明该模型可实现现场工况下的温度分布、热点分布等的有效预测。

电容器用BOPP薄膜在介电和储能性能提高中的研究进展

目前商用薄膜电容器以双向拉伸聚丙烯材料(BOPP)为主,其作为薄膜电容器的关键材料是最常用的聚合物薄膜,但BOPP薄膜作为电容器的核心材料仍存在储能密度低和使用温度偏低等问题。本文综述了近几年研究学者对电容器用BOPP薄膜在电介质材料的介电及储能性能提升方面的研究,为高性能聚合物基电介质材料的研究和发展提供了参考,并对未来的研究方向进行了展望。

电容器薄膜用聚丙烯树脂的发展现状

随着聚丙烯材料应用范围的不断拓展,低灰分含量聚丙烯树脂在电子、电器、纺织和医疗等领域发挥着重要作用。其中,聚丙烯电容器薄膜的开发和应用,使电子和电容器的质量和性能大幅提升,有力地推动了电力系统的建设与发展。介绍了双向拉伸聚丙烯电容器薄膜的主要特点和影响电容器薄膜用聚丙烯树脂性能的主要参数(灰分含量、等规度、熔体流动速率),综述了国外电容器薄膜用聚丙烯树脂的生产现状、国内主要化工企业在该技术领域的研究进展和聚丙烯树脂脱灰工艺,展望了生产电容器薄膜用高纯净聚丙烯树脂技术的发展方向,即采用超高活性催化体系在反应器内直接生产高纯净聚丙烯而免去洗涤脱灰工艺。

电容器用介质薄膜多物理场下电导测量实验平台

金属化膜电容器具有更高的工作电压和储能密度,现阶段广泛应用于新能源电力系统中。然而这些应用场景对金属化膜电容器在复杂环境下的性能提出了更高的要求。其中介质薄膜作为核心元件,其电学性能直接关系到电容器的耐压程度和储能密度等重要参数,现有测量标准仅对室温下的介质薄膜进行电导测量,缺乏复杂环境对介质薄膜影响的测量方法。本文针对换流阀中电容器的应用场景,搭建多物理场下介质薄膜电导测量实验平台,模拟并扩大工况的环境范围,对介质薄膜施加电、热、力环境并准确测量泄漏电流。研究结果可以为介质薄膜改性提供指导方向。

高温储能电容器用全有机PVDF/PI复合薄膜制备及性能表征

高温介电聚合物在高温静电储能薄膜电容器中有着广阔的应用。然而,目前常规的高温聚合物电介质介电常数与能量密度较低,这限制了其在高温环境中的应用。为进一步提高高温电介质材料在高温下的介电及储能特性,本研究以聚偏氟乙烯(polyvinylidene fluoride,PVDF)为填料,聚酰亚胺(polyimide,PI)为基体,采用原位聚合方法制备了全有机PVDF/PI复合电介质薄膜。系统地研究了铁电PVDF相含量对PI微观结构与形貌、介电性能、储能特性、以及热性能等影响。结果表明:PVDF填料在PI基体中具有良好的相容性和分散。PVDF的引入会使得PI基复合薄膜的击穿强度出现一定程度的下降,但是可以明显提高复合薄膜的介电常数和放电能量密度。其中,PVDF添加质量分数为30的复合薄膜在室温和250 MV/m条件下放电能量密度达到1.89 J/cm^(3),充放电效率为92.4%;而100℃和200 MV/m条件下的放电能量密度达到1.13 J/cm^(3),充放电效率为89.1%。此外,PVDF/PI复合薄膜在高温和高电场的恶劣条件下具有良好的充放电循环性能以及热稳定性。该研究为改善聚合物基复合电介质在高温环境中的储能特性提供了一种新的设计思路。

微观结构及拉伸倍率对电容器聚丙烯薄膜介电性能的影响

聚丙烯薄膜是电力电容器中应用最广泛的储能介质,其介电性能取决于粒料微观结构及拉伸工艺参数。该文以不同等规度的聚丙烯粒料为研究对象,采用不同拉伸倍率获得聚丙烯薄膜,研究了不同聚丙烯薄膜的表面形貌及结晶特性,分析了不同温度下聚丙烯薄膜电导率、介质损耗、击穿强度及储能特性等介电性能,探究了微观结构参数及拉伸倍率对聚丙烯薄膜介电性能的影响机理。研究结果表明:等规度为99.6%、拉伸倍率为4×5的聚丙烯薄膜试样电导率最低、击穿强度最高;等规度的提升能够增强分子链的热稳定性,改善聚丙烯非晶区分子链的松散结构,阻止电弱点的发展;此外,合理的拉伸倍率能够使聚丙烯的分子链发生取向排列,形成有序的结晶形态,从而提高结晶度。研究结果可为聚丙烯薄膜介电性能的提升提供实验与理论支撑。

高压直流金属化薄膜电容器绝缘性能提升方法研究进展

金属化薄膜电容器因其具有优异的绝缘特性与自愈性能,被广泛用作高压直流输电等先进能源系统的核心设备,其绝缘介质聚丙烯薄膜是制约电容器安全可靠运行的重要因素。文中系统梳理了高压直流电容器用金属化聚丙烯薄膜的研究进展,基于聚丙烯薄膜的微观结构、运行工况及电极设计,提出了薄膜介质目前面临的风险及挑战。总结了提升聚丙烯薄膜耐受极端环境的绝缘改性方法,介绍了基于微观结构调控、本体掺杂、界面改性及多层结构设计的聚丙烯薄膜材料改性方法,并阐述了复合薄膜设计、安全膜设计、方阻设计等金属电极设计方法的发展进程。该研究将为服役于高压直流输电系统中电容器的绝缘设计、生产和运行维护提供参考。

计及金属化薄膜电容器与IGBT模块退化过程相关性的柔直换流阀组件可靠性评估方法

基于模块化多电平拓扑的换流阀是柔性直流输电系统的核心装备,随着柔直换流阀运行电压、功率密度以及运行场景的不断拓展,其运行可靠性成为突出问题。现有的柔直换流阀可靠性评估方法忽略了金属化薄膜电容器与IGBT模块性能退化的耦合关系,致使评估结果不准确。为此,该文提出了计及金属化薄膜电容器与IGBT模块退化过程相关性的可靠性评估方法。IGBT模块寿命采用威布尔分布,考虑了换流阀运行过程中的任务剖面变化;基于Wiener过程对金属化薄膜电容器的可靠性进行了评估,利用Copula理论将容值退化程度与IGBT模块寿命之间的耦合关系进行了建模。所提可靠性评估方法修正了现有不考虑相关性方法对柔直换流阀可靠性评估结果,平均无故障时间从4.05年修正为5.20年,评估结果更加精确。

薄膜电容器加速寿命预测研究

为缩短高可靠性、长寿命薄膜电容器寿命评估周期,降低评估费用,针对薄膜电容器开展加速寿命预测方法研究。选择温度为加速应力,开展加速寿命试验,并根据电容器容量衰减特征,对测试结果进行线性拟合得到伪寿命数据。基于阿伦尼斯加速模型和威布尔分布模型,得到薄膜电容器常温条件下的寿命数据和寿命分布模型。结果表明,该加速寿命预测方法是合理且有效的,可为对电容器及相关产品寿命评估提供有益借鉴。

炭气凝胶/石墨烯薄膜在超级电容器中的应用

超级电容器作为一种新型的能量存储设备,因其高功率密度、快速充放电能力和长的循环寿命而受到广泛关注。为此,主要研究了炭气凝胶/石墨烯薄膜在超级电容器中的应用。首先,利用实验制得炭气凝胶/石墨烯电极片,并将其组装为超级电容器,然后通过具体实验验证超级电容器具有良好的电化学性能。

干式直流电容器全链条国产化关键技术探讨

高性能薄膜电容器广泛应用于新能源交通工具、输变电工程、医疗救治器械和电磁脉冲武器等领域,其中干式直流电容器更是柔性直流输电的重要装备。目前薄膜电容器生产过程中从原料到重要装备完全依靠国外技术,高端薄膜电容器超净聚丙烯(PP)原料完全依赖从国外进口,加工双向拉伸BOPP薄膜和电极蒸镀等大型生产设备都是从发达国家购买,严重制约了我国薄膜电容器技术研发和工程应用,特别是在当前的复杂国际环境下带来诸多隐患,一旦国外禁止向我国出售相关原料和设备,将严重影响我国高科技领域的发展。由此,在当前复杂的国际环境和我国政府提出的“双碳”目标背景下,必须下大力气着力解决影响薄膜电容器领域发展的诸多关键因素,依靠自主技术服务于新能源系统建设。在国家重点研发计划“干式直流电容器用电介质薄膜材料”重点专项支持下,本文从薄膜电容器用电工级超净PP原料入手,探讨通过相关领域科研院所与相关企业深度合作,进行电工级超净PP原料技术攻关,解决研发验证过程中存在的问题,从全局观出发力图解决我国干式直流电容器工程应用面临的重大问题,形成我国干式直流电容器全链条国产化关键技术。

“干式直流电容器全链条国产化关键技术”专刊特约主编寄语

首先非常感谢《电力电容器与无功补偿》期刊编辑部邀请我作为特邀主编组织“干式直流电容器全链条国产化关键技术”主题专刊,同时非常感谢国家重点研发计划“储能与智能电网技术”重点专项“干式直流电容器用电介质薄膜材料”项目承担单位及安徽铜峰电子股份有限公司为特刊投高水平论文。

电容器用BOPP薄膜及其专用树脂研究进展

双向拉伸聚丙烯(BOPP)薄膜是电容器的重要组成部分。本文归纳了作为BOPP薄膜的聚丙烯树脂原料关键参数(灰分含量、等规度、相对分子质量、熔体流动速率、等规序列长度)及其影响规律,同时总结了BOPP电容器薄膜的现有生产工艺,并进一步对BOPP薄膜性能的提升方法进行了综述。最后,提出未来电容器用BOPP薄膜的发展重点将是超低灰分树脂原料与耐热薄膜产品。

炭气凝胶/石墨烯薄膜在超级电容器中的应用

以炭气凝胶(CA)和氧化石墨烯(rGo)为原料,制备得到炭气凝胶/石墨烯薄膜。炭气凝胶的引入,避免了石墨烯片层紧密堆积或团聚,使得材料呈现松散堆叠。将CA/GO-4炭气凝胶/石墨烯薄膜用作柔性超级电容器电极,获得了高循环寿命的柔性超级电容器,在充放电循环10 000次后容量保持率高达90.21%,呈现出了较高的比电容。制备得到的薄膜不仅可满足柔性超级电容器电极材料的要求,石墨烯还兼具集流体的作用,大幅降低了超级电容器的内阻,极大提升了其电化学性能。

谐波环境下模块化多电平换流器子模块电容器的多场耦合分析及优化研究

金属化薄膜电容器作为柔性直流输电用换流阀的核心设备,在大谐波分量与高环境温度的复杂多物理场作用下存在异常温升、鼓包形变等问题,严重影响着电容器的使用寿命。该文建立了金属化薄膜、电容器单体与电容器整机的电-热-力多场耦合模型,分析了模块化多电平换流器子模块常见谐波环境下,电容器内部多物理场特性。发现谐波电流增强了电容器层间电场畸变与金属化层的欧姆损耗,谐波电场的叠加增大了基膜的介质损耗,综合导致了电容热点温度与内部应力值在谐波分量的增大下呈指数形式上升。为改善电容器在谐波环境下的运行稳定性,采用多目标粒子群算法对单体电容的结构参数进行了优化,得到了单体结构最优解:膜厚4.7mm,膜宽41.8mm,电容直径40.6mm。优化后电容器内部电场畸变系数、热点温度与最大应力值分别降低了23%、22%与31%。提高了电容器在谐波环境下的工作性能,对提升其运行可靠性有一定的指导意义。

自愈式金属化膜电容器微结构演变分析及仿真

金属化聚丙烯薄膜电容器(metallized polypropylene film capacitors, MPPFC)在充电条件下的自愈击穿可能造成电极和介质膜的永久性损伤,导致其电容减少和介电损耗增加。基于此,本文研究了MPPFC充电过程中的宏观特征量—自愈电压、自愈能量、电极损失面积等的演变规律并结合仿真分析了介质膜表面微观结构的变化特性。结果显示,自愈能量随自愈电压增加呈幂函数增长,与电极损失面积正相关,受电弧放电的影响,高压电极损失面积大于地电极且形状较地电极规则,其边界分形维数平均值(1.525)小于地电极(1.665)。此外,电极孔洞缺口轴向边缘的电流密度高于切向边缘,致使金属化聚丙烯薄膜自愈击穿过程中金属化电极轴向损伤高于切向。了解这些特性对全面揭示多场耦合复杂工况下MPPFC物性演化规律具有重要意义。