从物理过程分析镀层不同金属含量对金属化膜自愈能量的影响

2024-02-25左强林雷乔舒

电力电容器与无功补偿 2024年1期

左强林，雷乔舒

（无锡赛晶电力电容器有限公司，江苏无锡 214177）

0 引言

随着柔性直流输电技术的发展和国际形势的变化，采用自愈式金属化膜结构的直流支撑电容器也迎来了新的发展契机，各高校、厂家纷纷对柔性直流支撑电容器进行深入研究，包括对柔性直流输电用电容器中的金属化膜进行理论计算和仿真分析、工艺技术研究等[1~5]。随着碳达峰、碳中和双碳指标的落地规划，新能源汽车和高铁用干式自愈式金属化膜电容器，也在如火如荼发展。这些前瞻性领域都离不开自愈式电容器技术，也将自愈式金属化膜电容器的重要性推到了前所未有的新高度和热度。

自愈式电容器的核心在于自愈，自愈这个概念来自于高电压技术中的流体击穿，也就是说电介质击穿后可以自我恢复。金属化膜在自愈过程中必然伴随着镀层电极的蒸发，也就是说，自愈必然带来电容器元件的绝缘电阻下降[6]，自愈能量越大，电极蒸发越多，绝缘电阻下降越快[7-11]。绝缘电阻的不断降低，最终导致局部过热或自愈失效，这就是金属化膜的击穿。自愈能量越大，自愈对电介质的危害就越大。文献表明[12-13]，影响自愈能量的主要因素有[14]：自愈时的电压、电容、金属化膜的方阻、膜层间压强等，前两个是正相关，后两个是负相关。直流支撑电容器的电容、元件并联数多，解决自愈问题的技术难度大。

金属化膜损伤机理的研究主要通过模拟自愈，研究薄膜自愈过程发生的机理和影响因素，李化等相关文章[15-19]系统地研究了金属化膜电容器的自愈成因及其影响参数，但较少文章从物理特性去分析金属化膜对自愈性能的影响。目前自愈式电容器所用的金属化膜，基本上都是锌铝膜，也就是说镀层是由锌层和铝层构成的。国内一般都是先镀铝，后镀锌，目前还不能实现混合镀，国际上有锌铝混合蒸镀，这方面国内还有差距。一方面由于铝的熔点比锌的熔点高，镀层铝含量对自愈能量影响较大。另一方面镀层结构和镀膜厂家的工艺不尽相同，如果还涉及到元件或单元，电容器的设计和工艺差别更大，研究的成果很难具有普适性。此外，自愈能量还与电容的大小有关，在实验室条件下，电容很难达到实际分析的效果。本文从物理上分析自愈所需的能量，回到自愈的本质，同时把金属化膜的方阻作为自愈能量的一个关键的制约因素。

金属化膜的自愈过程现在基本上都认为是金属镀层从固态直接到气态的升华过程，升华过程很短。一般而言，物体的升华所需要的能量大于物体从固态-液态-气态所需的能量，这个能量来源于金属化膜的自愈[20]。所以自愈面积越大，自愈能量就越大，自愈能量越大，容衰就越快。从这个过程看，每一次自愈，除了电容损失外，还伴随着一定的损耗增加和绝缘电阻下降，当这些变化积累到一定程度，就会导致自愈失效，因此控制自愈能量，对于延缓自愈失效很关键。

研究金属化膜自愈能量的文献很多[21-24]，但都是从电性能或外特性的角度研究的，制约因素很多。本文从铝、锌材料本身的物理特性出发，分析锌铝镀层厚度和锌铝含量对金属化膜自愈能量的影响规律，以及方阻对自愈能量的影响，给减小自愈能量提供参考。

1 镀层厚度对自愈能量的影响

从物理的角度看，自愈过程就是金属化膜击穿后镀层从固态到气态的升华过程，这个过程需要的能量可以认为就是自愈能量。也就是说自愈能量应该不小于金属熔化热、熔化潜热、气化热和气化潜热。包括铝和锌加热到熔点所需的熔化热、熔化需要的熔化潜热、加热到沸点的气化热、气化需要的气化潜热。字母符号的意义见表1。铝锌复合镀层的自愈能量计算公式为

表1 本章的符号说明Table 1 Description of symbols in this chapter

从锌铝两种材料的相关数据[25]可以知道，气化潜热Wh≫Wf≫Wq≫Wr，实际上铝锌镀层的自愈能量近似等于各自气化潜热。将相关数据代入，可以得到

铝锌镀层的自愈能量公式为

式（3）中：Ws的单位是mJ/dm2，下标1、2 分别代表铝和锌的相关参数（下同）；密度γ的单位是g/cm3；金属镀层厚度d的单位是nm。式（3）是本文的核心，是后续分析的基础。

考虑到镀层的铝含量和锌含量都是按重量计算的，设镀层铝含量为a，则有：令d1+d2=d，代入式（3）可以得到

将式（5）代入式（4）并化简可以得到

从式（6）可以看出，在镀层厚度d不变的情况下，镀层的自愈能量随着铝含量a增大而缓慢增加。式（6）的曲线如图1 所示。需要注意，图1 的曲线只是表示趋势，自愈能量只是一个相对值。

图1 铝含量与自愈能量的关系Fig.1 Relationship between aluminum content and self-healing energy

将式（8）代入式（7）并化简可以得到

实际上，对于锌铝膜，如果铝含量为a，则锌含量b=1-a，代入式（5）-（6），可以直接得到式（8）-（9）。式（9）的结果如图2 所示。

图2 锌含量与自愈能量的关系Fig.2 Relationship between zinc content and self-healing energy

从式（9）和图2 可以看出，在镀层厚度d一定的情况下，随着锌的含量增加，镀层的自愈能量减小。这是可以理解的，从前面的分析可以看出，铝升华需要的能量大于锌。对于纯铝膜a=1，代入式（6），可以得到Ws1=3.638d，对于纯锌膜，b=1，代入式（9）可以得到Ws2=1.617d，两者相差55.5%。

2 方阻不变的条件下铝、锌含量与自愈能量的关系

前面分析了镀层厚度不变的情况下，金属化膜需要的自愈能量与金属含量的关系，然而实际上金属化膜的厚度难以准确测量，一般用方阻来表征。方阻对金属化膜的耐压、损耗[8]影响很大。研究锌、铝含量对金属化膜需要的自愈能量的影响，离不开方阻这个约束条件。锌铝金属化膜的方阻由铝层电阻和锌层电阻组成，如图3 所示。

图3 方阻与镀层的关系Fig.3 Relationship between square resistance and coating

从图3 可以看出，根据电阻的定义，方阻等于铝镀层电阻和锌镀层电阻的并联得到的电阻值。考虑到，这样就有

将相关物理数据代入式（11）可以得到：

式（12）可以变为

将式（13）代入式（4）可以得到

为了便于分析，将式（14）进一步化简，可以得到

将b=1-a代入式（15）可以得到

铝含量对金属化膜自愈能量的影响见图1。从图1 可以看出，随着铝含量增加，金属化膜需要的自愈能量呈上升的趋势，不管是镀层厚度一定还是方阻不变，规律都一样，只不过方阻不变的情况下，金属化膜需要的自愈能量变化更缓慢而已。

锌含量对金属化膜自愈能量的影响见图2。从图2 可以看出，随着锌含量增加，金属化膜需要的自愈能量呈下降的趋势，这与铝含量的变化规律是不一样的，从式（9）和式（16）也可以看出这一点。这是因为铝需要的自愈能量大于锌需要的自愈能量，锌含量增加就意味着铝含量减少。在方阻不变的情况下，金属化膜需要的自愈能量变化比镀层厚度不变的情况变化更缓慢。

对于纯铝膜，a=1，代入式（15）可以得到镀层的自愈能量为；对于纯锌膜，b=1，代入式（16）可以得到镀层的自愈能量为也就是说，在方阻不变的情况下，纯铝膜和纯锌膜的自愈能量仅相差15.2%左右，差别不大。从镀层自愈需要的能量来看，铝含量多少，不是问题的关键。对比镀层厚度不变的相关数据可以看出，厚度不变，铝含量的影响较大。但是单位膜重的金属含量大，对于自愈后薄膜的绝缘电阻下降可能会有一定的影响，这个因素需要考虑。