金属化膜电容器发热的计算与分析(特选内容)

电介质薄膜发热的计算与分析毕业论文目录摘要 (2)Abstract (3)一绪论 (6)1 金属化膜电容器的发展及应用现状 (6)2 重复频率下金属化膜电容器的研究意义 (6)3 金属化膜电容器发热的危害 (6)4 金属化膜电容器发热计算的意义 (8)二金属化膜电容器在电路运行时发热的来源 (9)1 金属化膜电容器发热的来源 (9)2 金属化膜电容器温升的主要来源 (10)三影响金属化膜电容器发热的因素 (11)1 来自材料和工艺的因素 (11)2 来自工作条件的因素 (11)3 来自电容器的结构设计的因素 (11)四重复频率下金属化膜电容器发热散热计算的基本理论 (8)1 重复频率脉冲电流下的发热理论....................................................................................错误!未定义书签。

2 电容器内部到外部传热理论............................................................................................错误!未定义书签。

五重复频率下金属化膜电容器发热散热计算的基本步骤 (13)1 发热散热计算基本流程图................................................................................................错误!未定义书签。

2 发热散热计算基本步骤....................................................................................................错误!未定义书签。

六重复频率下金属化膜电容器发热功率的计算与分析 (19)1 重复频率下发热功率的计算方法 (19)2 等效串联电阻ESR的计算方法 (19)3 金属化膜电容器热量分布的分析 (21)4 重复频率下发热功率的计算实例 (23)5 电容器发热功率的计算的简要分析 (24)七电容器结构模型的构建 (25)1 圆柱形金属化膜电容器的结构模型 (25)2 长方形（扁形）金属化膜电容器的结构模型................................................................错误!未定义书签。

电解电容器的发热分析与冷却措施杨柏禄王书堂陈永真辽宁工业大学 121000摘要：本文分析了引起电容器发热的主要因素以及发热对电解电容器主要性能的影响，并进一步对最大允许温升的限制和常用冷却措施的冷却效果进行了分析，给出了估算温升的方法，提出了抑制温升的有效措施。

叙词：发热温升纹波电流使用寿命冷却措施Heating analysis of electrolytic capacitors and coolingmeasuresYang bailu Wang shutang Chen yongzhen Liaoning University of Technology 121001 Abstract:This paper analyzes main factors that heat of capacitors and impact of main charactaristics of electrolytic capacitors from heating, moreover gives an analysis of limits on maximum permitted temperature rise and effect of common cooling measures. This paper also gives a method to calculate the temperature rise and propose efficient measures to restrain the temperature rise.Keyword:heating temperature rise ripple current operating life cooling measures1、前言电解电容器因为其容量大、价格低廉等特点广泛应用于整流、滤波电路中，在使用中电解电容器的可靠性很高，一般不会发生故障，并且由于其有效的自愈特性而使其工作可靠性大大提高。

薄膜电容器的使用要求和电性能参数电磁加热设备把工频的交流电或纯直流电 , 通过半桥 /全桥逆变技术 , 变为高频交流电 (1KHz— 1MHz. 高频交流电通过各种电感性负载后会产生高频交变磁场 . 当金属物体处于高频交变磁场中 , 金属分子会产生无数小涡流 . 涡流使金属分子高速无规则运动 , 金属分子间互相碰撞、磨擦而产生热能 , 最终达到把电能转换为热能的目的 . 电磁加热设备在我们的工作和生活中大量的频繁的使用 . 例如电磁炉 /电磁茶炉 , 电磁炉 , 高频淬火机 , 封口机 , 工业熔炼炉等等 . 本文以三相大功率电磁灶为例 , 浅析薄膜电容器在电磁加热设备中的应用 .一电磁灶三相全桥电路拓扑图二 C1— C6功能说明C1/C2:三相交流输入滤波、纹波吸收 , 提高设备抗电网干扰的能力C1,C2和三相共模电感组成 Pi 型滤波 , 在设备中起电磁干扰抑制和吸收的作用 . 该电路一方面抑制 IGBT 由于高速开关而产生的电磁干扰通过电源线传送到三相工频电网中 , 影响其他并网设备的正常使用 . 另一方面防止同一电网中其他设备产生的电磁干扰信号通过电源线传送到三相工频电网中 , 影响电磁加热设备自身的正常使用 .(对内抑制自身产生的干扰 , 对外抵抗其他设备产生的干扰 , 具有双面性EMC=EMI+EMS在实际使用中 ,C1可以选择 MKP-X2型 (抑制电磁干扰用固定电容器 , 容量范围在 3µF-10µF之间 , 额定电压为 275V.AC -300V.AC. 采用 Y 型接法 , 公共端悬空不接地 . C2可以选择 MKP 型金属化薄膜电容器 , 容量范围在 3µF-10µF之间 , 额定电压为 450V.AC -500V.AC ,采用三角形接法 .新晨阳C1和 C2原则上选用的电容量越大 , 那么对于电磁干扰的抑制和吸收效果越好 . 但是电容量越大 , 那么设备待机时的无功电流就越大 . 耐压方面要根据设备使用地域的电网情况而合理保留一定的余量 , 防止夜间用电量非常小的时候 , 电网电压过高而导致电容器电压击穿或寿命受到一定的影响 .C3: 整流后平滑滤波、直流支撑 (DC-Link,吸收纹波和完成交流分量的回路。

薄膜电容发热怎样解决
正常情况下，薄膜电容不属于容易发热的电子元器件，虽然它会发热，但发热量很小，如果发热特别严重，那就非常不正常，而且温升越高，它的寿命也就会越短，薄膜电容发热正常吗？如果发热严重怎样解决？
薄膜电容发热
首先轻微发热属于正常现象：薄膜电容发热也不用过份担心，如果发热不是太严重，它属于正常现象，薄膜电容在使用的时候，确实有一些内部的温升，只不过它的温升并不是极明显，如果薄膜电容不是发热很严重，影响不大。

其次，要看是不是旁边的电子元器件发热量大，传导到薄膜电容上面，很多时候，并不是薄膜电容自己发热量大，而是旁边有其它发热量特别大的电子元器件，通过热传导造成薄膜电容发热量大，这也很危险，因为薄膜电容耐温并不是太高，而且温度越高，它的寿命也越短。

选型不当，电流过大导致的发热：如果选型不当，电路上的实际电压、电流都超过电容器的承受范围，电路实际的电流值比薄膜电容器允许经过的电流值大，则会形成薄膜电容发热影响，长远高温作业，引起薄膜电容使用年限大大下降，甚至裂开损坏。

质量过差：由于现在电容器打价格战的原因，市面上存在大量质量极差的薄膜电容器，或者用低压冒充高压的劣质薄膜电容，这种电容器使用在电路上，也可能会出现发热的现象。

解决办法就是选择高品质的薄膜电容。

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产品规格承认书Product Spec Certification客户名：品名：金属化聚丙烯抗干扰电容（X2）型号：MPX-224K275VAC-B-C3-35客户料号：C2856310日期：批准审核拟制产品外形尺寸客户料号容量（μF ）容量误差（%）额定电压（VAC ）1KDF (%)尺寸加工方式制造商料号W ±0.5MM H ±0.5MM T ±0.5MM P ±0.5MM L±0.3MM d ∮±0.05C28563100.22102750.113126103.50.6AMPX-224K275VAC-B-C3-35芯通电子科技有限公司拟定审核批准编码规则MPX 0.22μF K 275VAC 13*12*6mm P=10mm1、电容器型别2、电容量代码表示方法用电容单位法拉表达，前面两位代表容量大小，第三位数要制定跟随以下101=0.0001μF 104=0.1μF 102=0.001μF 105=1.0μF 103=0.01μF 106=10.0μF 3、电容量偏差4、额定电压代码025002750300030506301000120016002000类型250V275V 300V 305V 630V 1000V 1200V 1600V 2000V5、额定电压别6、脚距(mm)7、内部识别码外壳型号代码PEI-MPX-CBB22-CBB21-CL21-CL22-CBB81-类型PEIMPXCBB22CBB21CL21CL22CBB81代码G J K M 电容量偏差±2.5%±5%±10%±20%代码V VAC 类型DCAC代码AA A B C D E F G H I 类型≦57.510152022.52526.527.531.5MPX -224K 275V AC -B -C3-351234567金属化聚丙烯膜抗干扰电容器TYPE:MPX产生说明书Rev.11、应用本规范涵盖了金属化聚丙烯介质固定的要求。

高压柜、低压柜、变压器的发热量计算方法变压器损耗可以在生产厂家技术资料上查到（铜耗加铁耗）；高压开关柜损耗按每台200W估算；高压电容器柜损耗按3W/kvar估算；低压开关柜损耗按每台300W估算；低压电容器柜损耗按4W/kvar估算。

一条n芯电缆损耗功率为：Pr=(nI2r)/s，其中I为一条电缆的计算负荷电流（A），r为电缆运行时平均温度为摄氏50度时电缆芯电阻率（Ωmm2/m，铜芯为0.0193，铝芯为0.0316），S为电缆芯截面（mm2）；计算多根电缆损耗功率和时，电流I要考虑同期系数。

上面公式中的"2"均为上标，平方。

一、如果变压器无资料可查，可按变压器容量的1~1.5%左右估算；二、高、低压屏的单台损耗取值200~300W，指标稍高（尤其是高压柜）；三、除设备散热外，还应考虑通过围护结构传入的太阳辐射热。

主要电气设备发热量电气设备发热量继电器小型继电器0.2~1W中型继电器1~3W励磁线圈工作时8~16W功率继电器8~16W灯全电压式带变压器灯的W数带电阻器灯的W数+约10W控制盘电磁控制盘依据继电器的台数,约300W程序盘主回路盘低压控制中心100~500W高压控制中心100~500W高压配电盘100~500W变压器变压器输出kW(1／效率-1) (KW)电力变换装置半导体盘输出kW(1／效率-1) (KW)照明灯白炽灯灯W数放电灯 1.1X灯W数假设变压器为1000KVA，其有功输出为680KW，则其效率大致为680/850=0.8，根据上述计算损耗的公式，该变压器的损耗为680*（1/0.8-1)=170KW变压器的热损失计算公式:△Pb=Pbk+0.8Pbd△Pb-变压器的热损失(kW)Pbk-变压器的空载损耗(kW)Pbd-变压器的短路损耗(kW)具体的计算方法：一、 发电机组发热量发电机组的散热量主要来自于两个方面，一是发电机组的盖板传热和机壳围护结构传热，另一是发电机组的冷却循环风的漏风所带来的热量。

收稿日期:2020-10-25㊀㊀㊀通信作者:陈红晓作者简介:陈红晓(1979-),男,四川荣县人,高级工程师,硕士,主要从事薄膜电容器设计与应用研究㊂第39卷㊀第12期2020年12月电子元件与材料ELECTRONIC ㊀COMPONENTS ㊀AND ㊀MATERIALSVol .39No .12Dec .2020基于ANSYS 的金属化膜脉冲电容器放电过程热仿真与分析陈红晓1,刘学孔2,孔米秋3,邓小龙1,余㊀清1(1.成都宏明电子股份有限公司,四川成都㊀610100;2.中国电子技术标准化研究院,北京㊀100007;3.四川大学,四川成都㊀610065)㊀㊀摘要:在金属化膜脉冲电容器放电过程中,脉冲电流通过金属化电极层产生焦耳热量,导致电容器内部温度升高,当温度超过一定值时,电容器可能会受损㊂该文将脉冲电流强度与电极电流分布规律相结合,计算出脉冲电流通过金属化电极层不同区域的热生成率;采用ANSYS 软件对一个金属化聚丙烯膜脉冲电容器的放电过程进行了热仿真分析;其中稳态热仿真结果表明,在脉冲电流重复作用下,最高温度点出现在电容器中心位置,且电容器各部位温度随充放电频率提升而升高;瞬态热仿真结果表明,在峰值为5060A 的单次脉冲放电电流作用下,金属化膜上的最高温升约0.5ħ,单次脉冲电流在电极层上形成的温升较低,电容器内部的温升应是脉冲电流重复作用的结果㊂分析结果揭示了金属化膜脉冲电容器的内部发热规律,对提升脉冲电容器可靠性设计具有一定的参考意义㊂关键词:脉冲电流;金属化膜;电容器;热仿真;分析DOI :10.14106/j .cnki .1001-2028.2020.0706中图分类号:TM 911㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀文献标识码:AThermal simulation and analysis of discharge process of metallizedfilm pulse capacitor with ANSYSCHEN Hongxiao 1,LIU Xuekong 2,KONG Miqiu 3,DENG Xiaolong 1,YU Qing 1(1.Chengdu Hongming Electronics Co.,Ltd.,Chengdu 610100,China;2.China Electronics StandardizationInstitute,Beijing 100007,China;3.Sichuan University,Chengdu 610065,China)㊀㊀Abstract :During the discharge process of metallized film pulse capacitor ,the pulse current produces joule heat through the metalized electrode layer ,which increases the internal temperature of the capacitor.When the internal temperature exceeds certaindegree ,the capacitor might be damaged.In this article ,combining the distribution of pulse current and electrode current ,the pulse current heating rate from different metalized layers was calculated.The ANSYS software was used for thermal simulation of a metalized polypropylene pulse capacitor discharging process.The steady -state thermal simulation result indicates that ,under the affection of the pulse current ,the maximum temperature point appears in the center of capacitor and the temperature of capacitor increases with increasing charge and discharge frequency.The transient thermal simulation result indicates that ,under single peak 5060A pulse current ,the maximum temperature of the metalized film rises about 0.5ħ.And single pulse current caused temperature rising is lower.The internal temperature rising of the capacitor is the result of pulse current affection.This result discloses the internal heating regulation of the metalized film pulse capacitor ,and is helpful to improve the reliable design of the pulse capacitor.Key words :pulse current ;metallized film ;capacitor ;thermal simulation ;analysis㊀㊀脉冲电容器是一种储能元件,它在较长的时间间隔内通过电源充电储存能量,当放电电路被触发时,电容器在极短的时间内对负载放电,形成几千甚至上万安培的脉冲电流,实现对特殊装置的激励与触发㊂脉冲放电电流通过电容器时,在电容器金属化电极上产生焦耳热,此热量会经过介质传递导致薄膜介质发热,电容器内部整体温度升高,薄膜介质劣化,击穿场强下降,自愈增多,寿命下28㊀Vol .39No .12Dec .2020降[1]㊂代新等[2]却提出热应力不是导致金属化膜脉冲电容器喷金层与金属化膜电极边缘的接触失效的主要原因,但该文章缺少对脉冲电流通过金属化电极层产生热量的定量分析与计算㊂要准确评估脉冲电流通过电容器产生的热效应,以及热效应对电容器可靠性的影响,就需要进一步开展脉冲电容器放电过程的热分析与计算工作㊂脉冲电容器在一个充放电周期内,要经历缓慢充电㊁电压保持和快速放电三个阶段[3](如图1所示),其中充电阶段T 1和电压保持阶段T 2为几秒至数十秒;而放电阶段T 3为微秒甚至纳秒级的时间内完成,采用传统测试方法,将难以监测到放电阶段金属化膜温度随时间的快速变化情况㊂图1㊀电容器充放电过程Fig .1㊀Charging and discharging process of capacitor利用热分析软件可以实现薄膜电容器的热仿真与分析,范丽娜[4]基于ANSYS 软件完成了一个汽车电容器的热仿真分析实例,但该分析类型为稳态热分析㊂由于脉冲电容器放电阶段时间与充电和电压保持阶段的时间相差几个数量级,因此放电阶段产生的热量会在充电和电压保持阶段传递到封装材料中,并散发到周围环境中去,如果仅对脉冲电容器采用稳态热仿真分析,其分析结果反映的是电容器在多次脉冲电流作用后,电容器内部达到热平衡时各部分组成材料的温度场分布,不能准确反映金属化电极层和介质薄膜在单次脉冲电流作用下的温度随时间快速变化情况㊂瞬态热分析用于计算一个系统随时间变化的温度场及其他热参数[5],因此要全面获得脉冲电容器在脉冲电流作用下内部材料温度随时间变化情况,需要采用稳态与瞬态热分析相结合的分析方案㊂该文利用ANSYS 热分析软件,对一个电压为4000V ,电容量为0.195μF 的金属化聚丙烯膜电容器在脉冲电流作用下的热量产生过程开展稳态与瞬态热仿真分析,分析结果揭示了金属化膜脉冲电容器内部发热规律,对提升金属化膜脉冲电容器设计可靠性具有一定的参考意义㊂1㊀脉冲电容器放电过程分析1.1㊀脉冲放电电路分析图2为脉冲电容器充电放电试验电路图㊂图2㊀充放电试验电路Fig .2㊀Pulse triggered discharge circuit在图2中V DC 为直流稳压电源,输出电压为4000V ;R 为限流电阻,其作用为限制充电电流和防止放电管导通后,电源对地短路,阻值为1M Ω;T 为三端可控气体放电管,当放电管被触发的时候,具有较低的导通电阻;V S 为触发器,输出高电平时,放电管导通;C X 为金属化膜脉冲电容器,实测电容量为0.195μF ;L S 为放电回路寄生电感㊂按照图2搭建了试验电路,采用示波器监测到电容器的放电电流波形,如图3所示㊂图3㊀电容器放电电流波形Fig .3㊀Capacitor discharge current waveform图3为典型的RLC 阻尼振荡波形,为了便于观察,该波形已作了反向处理,对于RLC 阻尼振荡电路有以下关系[6]㊂衰减振荡周期:T D =2π1LC -(R 2L)2(1)衰减系数:α=R 2L =1T ln I P1I P2(2)陈红晓等:基于ANSYS 的金属化膜脉冲电容器放电过程热仿真与分析第39卷㊀第12期29㊀从示波器读数可以得出:衰减振荡第一个峰值电流为5.68kA ,第二个峰值电流为3.76kA ,振荡周期T 为744ns ,电容量实测值为0.195μF ,代入式(1)和式(2)计算得出线路寄生电感:L s =0.070μH ,导通电阻:R =0.078Ω㊂由于限流电阻阻值较大,可忽略限流电阻对放电回路的影响,因此图2试验电路的放电回路模型可简化为图4所示㊂图4㊀电容器放电电路模型Fig .4㊀Capacitor discharge circuit model在图4中,t =0时刻K 由断开转换为闭合,根据初始条件u c (0)=4000V ,i L (0)=0,参照RLC 串联电路的零输入响应建立微分方程[7]㊂LC d 2u c d t2+RCd u c d t+u c =0(3)根据电路条件:R <2LC求解微分方程,得电容器放电电压表达式:u c (t )=U e -αt cos ωd t ()+αωd sin ωd t ()éëêêùûúú(4)求导数得放电电流表达式:i c (t )=C d u cd t =-UCe -αt(-α2ωd-ωd )sin ωd t ()(5)在式(4)㊁(5)中:衰减系数:α=R2L (6)衰减谐振频率:ωd =1LC-α2(7)将式(6)㊁式(7)代入式(5)并化简得脉冲电容器放电电流表达式:i c (t )=-6692.25e -607142.86t sin(8450969.56t )(8)1.2㊀脉冲电容器结构脉冲电容器采用塑料壳封装,镀锡铜线径向引出,环氧树脂灌封的结构,如图5所示㊂1.外壳;2.芯子;3.环氧树脂;4.喷金层;5.引线图5㊀脉冲电容器结构Fig .5㊀Structure of pulse capacitor电容器芯子采用两层厚度为4.3μm ,宽度分别为31.5mm 和29.5mm 的金属化聚丙烯薄膜经无感卷绕而成,其电极总长度21.5m ㊂聚丙烯薄膜表面蒸镀锌㊁铝金属化层形成电极,通过屏带分割形成四内串结构如图6所示㊂1.聚丙烯膜;2.铝金属化电极;3.锌金属化电极图6㊀电容器内串结构(单位:mm )Fig .6㊀Inner series structure of capacitor (Unit :mm )在图6中铝金属化电极层方阻为20Ω/,为了提升电容器端头耐电流脉冲能力,对与喷金层接触的两个边缘部位的金属化电极层作了宽度为3.1mm 的锌加厚处理,锌金属化电极层方阻为2Ω/㊂陈红晓等:基于ANSYS 的金属化膜脉冲电容器放电过程热仿真与分析30㊀Vol .39No .12Dec .20202㊀稳态热分析2.1㊀建立稳态热分析模型由于电容器结构具有对称性,为了避免重复计算,电容器热分析模型仅绘制了1/4电容器结构模型(如图7),在完成数据处理后,再对仿真图形作对称处理,可获得完整的电容器热分析云图㊂图7㊀电容器1/4结构模型Fig .7㊀1/4structure model of capacitor利用ANSYS 软件进行热分析时,对于稳态热分析,需要定义各部分材料的导热系数[5],电容器各组成部件导热系数如表1㊂表1㊀脉冲电容器材料导热系数Tab .1㊀Thermal conductivity of pulse capacitor materials材料名称导热系数[W /(m ㊃K )]电容器芯子0.19喷金层67引出线401环氧树脂0.4外壳0.42.2㊀热载荷计算脉冲电容器在充㊁放电过程中都会有能量损失,损失的能量等于电容器的全部储能[8]㊂在损失的能量中,电容器消耗的能量所占的比例等于电容器ESR 与回路总电阻的比值[1]㊂对于图2所示充放电试验电路,充电回路中串联了1M Ω的限流电阻,满足R >>ESR ,因此充电过程电容器消耗的能量占比是很小的,可忽略不计㊂对于放电回路,因放电管导通电阻较小,电容器消耗的热量占比较大,电容器发热量主要就在放电过程产生,因此电容器充放电过程发热功率近似为:W c =ESR R 放电ˑ12U 2C (9)式中:W c 为电容器发热功率;ESR 为电容器等效串联电阻;R 放电为放电回路电阻;U 为电容器充电电压;C 为电容量㊂电容器芯子的热生成率,由式(10)确定:Q =W c Vˑ1T(10)式中:Q 为电容器芯子热生成率;V 为电容器芯子体积;T 为充放电周期㊂㊀根据脉冲电容器充电电压4000V ,电容量0.195μF ,芯子体积1.25ˑ10-6m 3,ESR 为0.0036Ω,放电回路总电阻0.078Ω,代入式(9)和式(10),获得电容器在不同充放电周期下的热生成率如表2所示㊂表2㊀不同充放电周期下的热生成率Tab .2㊀Heat generation rate under different chargedischarge cycles充放电周期(s )芯子热生成率(W /m 3)1057605115203192001576002.3㊀网格划分有限元网格划分方法主要包括自由网格划分㊁扫掠网格划分㊁映射网格划分㊂网格划分的精度直接影响到有限元计算结果的准确性,一般而言,随着网格密度的增加,计算精度将提高,但计算时间也随之增加㊂因此要在计算精度和计算经济型之间找到合适的平衡点[4]㊂对图6所示模型内部结构的环氧树脂㊁喷金层㊁引线的形状尺寸差异较大,适合采用自由网格划分,网格单元设定为0.5mm ,网格划分效果如图8所示㊂陈红晓等:基于ANSYS 的金属化膜脉冲电容器放电过程热仿真与分析第39卷㊀第12期31㊀图8㊀电容器模型网格划分Fig.8㊀Meshing of capacitor model2.4㊀稳态热分析结果脉冲电容器散热过程主要以对流散热为主,电容器外壳表面对流散热系数取4W/(m2㊃ħ)[9],设定环境温度为25ħ,将不同充放电周期下的热生成率施加于电容器芯子,启动ANSYS计算流程,软件计算完毕之后,会自动地将具有相同温度的区域用相同的颜色表示,形成温度分布云图,通过云图可以直观地观察电容器模型中温度的分布情况如图9所示㊂稳态热分析结果表明,在不同充放电周期下,电容器温度场分布规律基本是一致的,最高温度点均出现在芯子的中心部位㊂当充放电周期为10s 时,电容器中心部位温度为29.84ħ;当充放电周期为1s时,中心部位温度已升高至73.39ħ㊂由此可见随着充放电频率的提升,电容器各部位温度持续升高,因此脉冲电容器使用时应重视充放电频率对电容器发热量的影响,避免电容器因内部温度过高而发生热失效㊂(a)充放电周期10s温度场分布㊀㊀(b)充放电周期5s温度场分布(c)充放电周期3s温度场分布㊀㊀(d)充放电周期1s温度场分布图9㊀温度场分布Fig.9㊀Temperature field3㊀瞬态热分析3.1㊀建立瞬态热分析模型脉冲电容器的放电过程是在微秒级的时间内完成的㊂在如此短的时间内,电流通过电极产生的热量还来不及向外界传递,因此对于单一放电周期内的瞬态热分析,可忽略电容器与周围环境的热交换,仅需考虑电极层的生热过程以及电极层与介质陈红晓等:基于ANSYS的金属化膜脉冲电容器放电过程热仿真与分析32㊀Vol .39No .12Dec .2020薄膜㊁喷金层之间热传递,而灌封料㊁外壳㊁引出线等部件对瞬态热分析影响较小,在建模时均可忽略㊂图6结构中上下两层金属化膜宽度31.5mm 和29.5mm ,金属化膜厚度为4.3μm ,金属化电极层厚度为纳米级(锌电极层厚度约为30nm ,铝电极层厚度约为1.5nm )㊂三者之间相互存在3个数量级以上的差异,如果按照实际尺寸建模是非常困难的,并且后期图形显示效果也不理想㊂为了降低建模难度,改善图形显示效果,在建模时对微小尺寸作以下处理:(1)聚丙烯膜厚度放大103倍;(2)锌电极厚度放大5ˑ104倍;(3)铝电极厚度放大106倍㊂图6结构具有对称性,为了避免重复的计算,沿中心线截取右侧部分作瞬态热分析,金属化膜内串结构经过放大处理后的建模如图10所示㊂V 1㊁V 3㊁V 10-聚丙烯膜;V 9-锌电极;V 11-喷金层;V 2㊁V 4㊁V 5㊁V 6㊁V 7㊁V 8-铝电极图10㊀金属化膜模型Fig .10㊀Model of metallized film利用ANSYS 进行瞬态热分析时,需要定义材料的导热系数㊁比热容和密度[5]㊂由于建模时部分尺寸做了放大处理,为了保持热分析结果与实际值一致,各部分材料属性需要根据尺寸比例变化情况作如下的调整:(1)沿Y 轴方向的导热系数K YY 作放大处理,放大倍数等于材料厚度放大倍数;沿X 和Z 轴方向的材料导热系数K XX ,K ZZ 不变,(2)材料比热容作缩小处理,缩小倍数等于材料厚度放大倍数;(3)材料密度保持不变㊂调整后的材料属性如表3所示㊂表3㊀调整后的材料属性Tab .3㊀Adjusted material properties材料名称导热系数[W /(m ㊃K )]比热容[J/(kg ㊃K )]密度(kg /m 3)聚丙烯膜K XX 0.12K YY 120K ZZ 0.12 1.880.91ˑ103锌电极K XX 116K YY 5.80ˑ106K ZZ 1167.6ˑ10-37.14ˑ103铝电极K XX238K YY 2.38ˑ108K ZZ 2389.02ˑ10-4 2.7ˑ103喷金层K XX67K YY 6.7ˑ104K ZZ670.2287.29ˑ1033.2㊀网格划分模型采用自由单元格划分形式,网格尺寸设定为0.5mm ,得到金属化膜的有限元模型见图11㊂图11㊀金属化膜网格划分Fig .11㊀Meshing of metallized film3.3㊀热载荷计算脉冲电容器放电过程产生的电流是通过金属化电极层传输的,在电流传输过程中产生焦耳热㊂电容器金属化电极上流过的电流沿膜宽方向从喷金端到留边处是线性减小的,在喷金端处电流为最大值,到留边处减小为0[10],通过图10模型中的电极层电流应符合图12的分布规律㊂陈红晓等:基于ANSYS 的金属化膜脉冲电容器放电过程热仿真与分析第39卷㊀第12期33㊀图12㊀电流分布规律Fig .12㊀Regular of current distribution图12中连接内串电容的金属化电极层和边缘电极层不构成有效电容量,但要通过全部放电电流i c (t ),在有效容量部分,电极层电流i 1㊁i 2㊁i 3㊁i 4是i c (t )与X 坐标相关的线性函数,其中:i 1=i c (t )ˑ(-x0.00429+1.315)(11)i 2=i c (t )ˑ(x0.00429-1.944)(12)i 3=i c (t )ˑ(x0.00429-0.315)(13)i 4=i c (t )ˑ(-x0.00429+2.949)(14)根据电流分布函数,图10模型中金属化电极层热生成率表达式为:Q =(i c (x ,t )L)2ˑR /d e(15)式中:i c (x ,t )为电流函数,与X 坐标及时间有关;L 为电极长度,被分析电容器电极长度为21.5m ;R 为电极方阻,锌电极层为2Ω/,铝电极层为20Ω/;d e 为电极厚度,模型厚度0.0015m ㊂根据式(15),图13不同部位电极层热生成率为:V 9热生成率:Q 0=i c (t )21.5éëêêùûúú2ˑ2/0.0015V 7热生成率:Q 1=(i 121.5)2ˑ20/0.0015V 8热生成率:Q 2=(i 221.5)2ˑ20/0.0015V 2热生成率:Q 3=(i 321.5)2ˑ20/0.0015V 5热生成率:Q 4=(i 421.5)2ˑ20/0.0015V 4㊁V 6热生成率:Q 5=i c (t )21.5éëêêùûúú2ˑ20/0.00153.4㊀瞬态热分析结果图3所示的电流波形随时间呈指数规律下降,在完成10个振荡周期后,电流已经趋于0㊂因此将瞬态热分析结束时间设定为7.44μs ,即10个衰减振荡周期;步进值按1个振荡周期的1/100设定,即7.44ˑ10-2μs ,环境温度设定为25ħ㊂启动ANSYS 计算流程,软件完成计算后,获得第1/41,4,10振荡周期时刻的瞬态热分析结果如图13所示㊂从脉冲放电过程不同时刻的金属化膜温度场分布图可以看出,金属化膜最高温度部位出现在连接4个内部串联电容的3块铝金属化电极层上,该部分电极层通过全部脉冲电流,热生成率较高,且位于芯子内部,热传导能力较弱,因此温度最高;在金属化膜与喷金层结合部位,虽然也通过全部脉冲电流,但因边缘部位采用了低方阻的锌金属化电极设计,热生成率较低,并且喷金层导热系数较高,有利于热量导出,因此金属化膜与喷金层接触部位的温升不明显㊂导出ANSYS 分析数据,绘制图13(d )最高温度部位1和喷金层结合部位2的温度随时间变化曲线,如图14所示㊂被分析电容器电极总长度21.5m ,脉冲峰值电流5060A ,折算出峰值线电流密度已达246.82A /m ,对于金属化膜电容器而言,已经属于超高强度电流脉冲,但在单次脉冲电流作用下,金属化膜中心最高温度部位的温升仅0.5ħ左右;在金属化膜与喷金层结合部位的温升不超过0.1ħ,因此单次脉冲电流作用形成的温升是较低的,不会导致金属化膜因温度过高而受损㊂该仿真结果也证实了文献[2]中热应力不是导致金属化膜脉冲电容器喷金层与金属化膜电极边缘接触失效的主要原因㊂陈红晓等:基于ANSYS 的金属化膜脉冲电容器放电过程热仿真与分析34㊀Vol .39No .12Dec .2020(a )0.186μs(b )0.744μs(c )3.72μs1.最高温度部位;2.喷金层结合部位(d )7.44μs图13㊀金属化膜温度场Fig .13㊀Temperature field of metallizedfilm图14㊀热点温度随时间变化Fig .14㊀Temperature vs.time of hot spot4　结论该文对脉冲电容器放电波形进行了分析与计算,确定了脉冲电流数学表达式,将脉冲电流表达式与电极电流分布规律相结合,确定了金属化膜电容器各部位的热生成率;利用热分析软件对一个金属化聚丙烯膜脉冲电容器进行了稳态与瞬态热仿真分析㊂稳态热分析结果表明,在脉冲电流重复作用下,电容器最高温度点出现在电容器中心部位,并且电容器各部位的温升与充放电频率成正比;瞬态热分析结果表明,在单次峰值电流为5060A 的脉冲电流作用下,金属化膜电极层上的最高温升仅0.5ħ左右,金属化膜与喷金层结合部位的温升不超过0.1ħ,单次脉冲电流形成的温升是有限的,不会导致金属化薄膜温度迅速升高,电容器内部的温升是脉冲电流重复作用的结果㊂参考文献:[1]王博文,李化,赖厚川,等.电压反峰对脉冲电容器寿命特性的影响[J ].强激光与离子束,2014,26(4):040517-2.[2]代新,林福昌,李劲,等.金属化聚丙烯膜脉冲电容器端部接触老化研究[J ].中国电机工程学报,2001,21(8):51-54.[3]张丹丹,姚宗干.脉冲电容器放电时边缘电场计算分析[J ].高电压技术,1995,12(4):14-16.[4]范丽娜.基于ANSYS 的电动汽车用直流滤波电容器热分析[J ].电力电容器与无功补偿,2018,39(2):32-37.[5]贾长治,胡仁喜,康士廷.ANSYS 18.0热力学有限元分析从入门到精通[M ].北京:机械工业出版社,2017.[6]王宗篪,范言金.RLC 串联电路暂态过程衰减系数的谐波分析[J ].大学物理,2008,27(12):32-34.[7]胡翔骏.电路分析[M ].北京:高等教育出版社,2001:336-344.[8]洪正平.电容器充电过程系统的能量损失[J ].山东师范大学学报,2009,24(2):152-153.[9]张学学.热工基础[M ],北京:高等教育出版社,2017:234-278.[10]李浩原,尹婷,严飞,等.金属化膜电容器极板发热计算[J ].电力电容器与无功补偿,2015,36(5):37-40.陈红晓等:基于ANSYS 的金属化膜脉冲电容器放电过程热仿真与分析。

电容器发热原因的分析摘要：针对孝感电网10kV电容器组发热问题频发的情况，对近2年电容器组的发热问题进行统计分析。

认为导致电容器组发热问题频发的主要原因是接触面处理工艺存在问题。

通过对发热接触面的分析，指出了接触面处理存在的误区，并提出了接触面处理的正确工艺，以便在电容器组发热缺陷处理时更有针对性。

关键词：电容器；发热；原因分析引言电容器作为电力系统的重要部件，对电力系统运行稳定性、电压电能质量均具有重要意义。

电容器组普遍存在连接组件过热的情况，严重时会烧损单台电容器，影响电容器组的安全运行。

利用红外仪对电容器组设备进行精确成像检测，一方面将一般缺陷利用停电机会进行消缺；另一方面对发现的严重缺陷进行快速处理，保证无功系统可靠工作，再就是对电容器组存在结构性缺陷，有必要进行改良设计及完善化处理。

1 电容器发热原因对孝感电网的10kV电容器组的发热缺陷分析中发现，电容器的发热缺陷主要存在以下问题：（1）电容器之间连接的软铜线容易断股，导致电流增大发热。

（2）接触面处理工艺不良导致接触电阻增大由于变电站大多数设备运行在露天环境下工作.各个连接点经常遭受到风吹雨打、冰冻雪融等自然条件的影响和侵蚀，接触面如果不严格按照正确的工艺要求.接头位置极容易发生氧化和腐蚀现象产生氧化膜，造成连接处接触电阻增大，而接触电阻增大，接触面就会发热。

如果得不到及时发现和处理，接头的氧化程度会随着发热现象进一步恶化。

造成无功设备局部温度骤然上升.严重时将导致设备接头烧损，发生设备跳闸故障。

（3）接触面（含铜铝过渡片）未涂抹导电膏严重氧化。

导电膏，也就是新型电力复合脂，其中所含的镍、锌、铬等金属细粒填充在接头接触表面的缝隙中。

金属细粒在螺栓的紧固力作用下。

能破碎接触面的氧化膜层，降低接触电阻。

同时还可以在接头整个表面形成一个保护层而起到隔绝空气和渗入的水分，起到防止氧化的作用。

因此正确使用导电膏能有效地改善接触面的导电性能，防止接触面的氧化和电化学腐蚀作用，使接触面在长期的运行中保持良好的导电性能阻埘。

word学位论文原创性声明本人重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进展研究所取得的研究成果。

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〔请在以上相应方框打“√〞〕作者签名：年月日导师签名：年月日毕业设计[ 论文]题目：电介质薄膜发热的计算与分析Title ：The Thermal Rating and Analysis of Dielectric Film院系：电气与电子工程学院专业：电气工程与其自动化姓名：指导教师：20XX年X 月X 日摘要：金属化膜电容器在电场作用下，电容器电极电阻和介质损耗〔即等效串联电阻〕的存在而使电容器发热。

其中一局部热量散发到周围环境中去。

另一局部热量如此使电容器部的温度升高。

这就可能导致电容器的电学性能发生变化。

同时，长期受热可使介质加速老化，缩减寿命，严重时可开展为热击穿，导致电容器损坏。

另外在脉冲放电下，金属化膜电容器的发热还会影响通流能力和耐压能力，对相关设备的稳定运行有极大的影响。

金属化膜电容器的热计算主要是对既定的产品结构，计算其在一定的运行条件下的温升，通常指电容器达到热平衡后，材料各关键部位到环境的温升，特别是介质最热点到外壳和外壳到环境的温升。

本文首先探讨了金属化膜电容器发热的来源以与影响金属化膜电容器发热的因素，以与在重复频率脉冲的作用下的来源和主导因素；第二步通过建立重复频率脉冲模型；第三步通过构建金属化膜电容器的结构模型来确定传热计算的模型从而运用相应的传热学理论来计算部温升和外部散热；第四步运用一些典型的具体数值来计算一些具体的金属化膜电容器的发热问题；最后通过比照分析计算结果以与研究已有的资料数据得出有关金属化膜电容器发热的一些根本结论。

金属电热元件的计算计算电热元件前，应给出炉子的安装功率、供电线路电压、电热元件材料和电热元件的联接方式。

一、计算公式电热元件的尺寸按下表所列顺序进行计算。

电热元件尺寸计算表注：a------电阻带厚度（mm）；b------电阻带宽度（mm）；d------电阻丝直径（mm）；m------b/a=5~18；g------每米元件重量（kg/m）；U------线电压（V）；P------安装功率(kW)；W y ------元件允许的单位表面功率（W/cm2）；ρ20、ρt------20℃及t℃时元件的电阻系数（Ω•mm2/m）。

电热元件有螺旋线、波形线、波形带三种不同结构形式。

1.螺旋线电热元件尺寸每圈螺旋线长度l q=πD (mm)每相电热元件圈数n=1000L x/l q螺旋节距S=L l/n (mm)式中：L l ------螺旋线长度，即炉内安装每相螺旋线的总长度(mm);L x------每相电热元件的长度(m)，见上表；D------螺旋平均直径(mm)。

2.波形线电热元件尺寸每一波纹长度l b=2(πh/cosθ+H-2h/ cosθ) (mm)每相电热元件波纹数n=1000L x/l b波形线波距S=L b/n (mm)式中：H------波纹高度(mm)；h------波纹弧高(mm)；L b------波形线长度，即炉内安装每相波形线的总长度（mm）。

3.波形带电热元件尺寸每一波纹长度l b=2(πr+H-2r)（mm）每相电热元件波纹数n=1000L x/l b波形带波距S=L b/n (mm)式中：H------波纹高度(mm)；r------波纹弯曲半径(mm)；L b------波形带长度，即炉内安装每相波形带的总长度（mm）。

二、例题室式电阻炉炉膛尺寸为：长×宽×高＝1200mm×850mm×800mm，最高工作温度950℃，安装功率为66kW，采用0Cr25Al5螺旋线电热元件，星形接法，供电线路电压380V，求电热元件尺寸。

电容器发热缺陷及其原因分析与处理作者：谭明甜来源：《中国房地产业·下旬》2020年第09期【摘要】作为提供电压支撑的并联电容器广泛用于各级变电站，对保证用户电能质量起到了关键作用。

近年来湖南地区负荷日益增长，迎峰度夏期间面临很大的供电压力，同时电容器发热问题在迎峰度夏期间呈现爆发式增长，影响了供电可靠性。

本文介绍电容器的发热类型及其原因，提供可行的处理方案。

【关键词】电容器;发热;哈弗线夹1、引言并联电容器一般并联在各电压等级变电站的低压侧母线上，对母线电压进行支撑，平衡系统无功平衡、减少损耗。

在迎峰度夏期间，电容器发热缺陷消缺工作占用了一线班组大量时间，且当前的处理方式无法彻底解决，导致电容器发热缺陷反复发生，对供电可靠性造成了负面影响。

2、电容器发热介绍2.1电容器组结构电容器组分为集合式电容器组与单体式电容器组。

前者为多个单体电容器串并联连接后置于油绝缘的密闭箱体内，通过套管引出三相及中性线;单体式电容器组由多个外露于空气的单体电容器串并联连接构成。

本文主要针对单体式电容器组发热缺陷进行讨论。

单体式电容器组在实际安装时一般有两种结构：一是无汇流母排结构，即用整条软铜线顺次连接各单体电容桩头，在电容器组首端、中性点及尾端连接到母排;二是设置专用汇流母排，单体电容器通过短铜线直接连接至汇流母排。

前者是软铜线承担全部的电流，首尾电流大;后者单体电容短铜线仅通过自身的电流，而总电流由母排汇流承担。

如图1所示为采用方式一连接结构10kV并联电容器组示意图，三相1号电容器进线侧、6号电容器中性线侧桩头处铜线均流过整相电流。

电容器桩头与导线可采用两种方式实现电气连接：一是通过压接接线鼻子方式进行连接，二是采用哈弗线夹进行连接。

2.2哈弗线夹连接方式图2所示为哈弗线夹压片实物图，通过两片压片连接导线与电容器桩头，实现电容器的串并联。

图3为电容器套管桩头与串并联铜线通过哈弗线夹进行连接示意图。

通过锁紧螺母压紧作用，哈弗线夹中部直接受力，端部压紧夹持圆弧内导线。

高压直流金属化薄膜电容器绝缘性能提升方法研究进展一、简述随着电力电子技术的发展，高压直流(HVDC)金属化薄膜电容器在能源转换、传输和储存等领域的应用越来越广泛。

传统的高压直流金属化薄膜电容器在绝缘性能方面存在一定的局限性，如击穿电压低、介质损耗大等。

为了满足高速、高效、高可靠性的电力电子设备对绝缘性能的要求，研究人员对高压直流金属化薄膜电容器绝缘性能提升方法进行了深入研究。

提高高压直流金属化薄膜电容器绝缘性能的方法主要包括以下几个方面：优化电极结构：通过改变电极形状、尺寸和分布等参数，优化电极结构，以提高电容器的整体性能。

采用纳米级颗粒填充电极，可以有效降低介质损耗，提高击穿电压。

引入新型绝缘材料：研究和开发具有优异绝缘性能的新型材料，如高温超导体、高性能介电陶瓷等，作为电容器的主要绝缘介质，以满足高压直流应用的需求。

表面处理技术：通过表面处理技术，改善电容器表面的微观结构和化学性质，提高其绝缘性能。

采用低温共烧工艺(LTCC)对电极进行表面处理，可以显著降低介质损耗和串联电阻。

复合绝缘技术：将不同材料的绝缘层进行复合，以实现更好的绝缘性能。

将金属箔与聚酰亚胺薄膜复合，形成具有优异绝缘性能的复合材料，用于高压直流金属化薄膜电容器。

优化制造工艺：通过改进制造工艺，提高电容器的质量和稳定性，从而保证其良好的绝缘性能。

采用高精度的卷绕工艺和严格的质量控制措施，可以有效降低介质损耗和串联电阻。

通过对高压直流金属化薄膜电容器绝缘性能提升方法的研究，有望为电力电子设备提供更加可靠、高效的绝缘解决方案。

研究背景和意义提高高压直流金属化薄膜电容器绝缘性能可以显著降低设备的体积和重量，从而减小系统成本和能耗。

优化的绝缘材料可以提高设备的运行稳定性和可靠性，延长设备寿命，降低故障率，提高系统的安全性和经济性。

研究新型高压直流金属化薄膜电容器绝缘材料有助于推动相关领域的技术进步。

通过对绝缘材料的深入研究，可以揭示其物理机制和设计规律，为其他高性能绝缘材料的研究提供理论基础和实验依据。

金属化薄膜电容器损耗的理论分析作者：王振东来源：《科技资讯》 2012年第8期王振东(安徽工业职业技术学院机械工程系安徽铜陵 244000)摘要:本文通过对金属化薄膜电容器损耗的理论分析研究,建立损耗分析模型,尤其是金属部分损耗分析模型的建立,为实际生产中确定影响金属化薄膜电容器损耗的主要工艺因素,找出降低或稳定金属化薄膜电容器损耗有效措施提供理论支持。

关键词:电容器损耗理论分析模型金属部分损耗中图分类号:TM53 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2012)03(b)-0137-02金属化薄膜电容器是电子整机和电器、电力设备必不可少的基础元件。

开展金属化薄膜电容器损耗的理论和工艺研究、提高电容器的制造水平和产品升级是企业面临的共同课题,具有广泛的经济和社会价值。

1 金属化薄膜电容器损耗的组成金属化薄膜电容器的损耗主要由介质损耗、漏导损耗和金属损耗组成。

1.1 介质损耗介质损耗是指绝缘材料在电场作用下,由于介质电导和介质极化的滞后效应,在其内部引起的能量损耗。

介质损耗分为主介质损耗和辅助介质损耗两部分。

(1)主介质损耗():对于PE膜,分析:损耗取决于金属化薄膜介质的本身,它主要是由介质本身的性质所决定的,在实际生产过程中,除选择品质优良的金属化薄膜介质外,无更多的办法降低。

因此,在介质材料确定的条件下,降低或稳定金属化薄膜电容器损耗主要取决于金属部分的损耗,虽然金属部分的损耗约占的5%～10%,但却是最主要的影响因素。

3 金属化薄膜电容器金属部分损耗的理论分析模型3.1 金属部分损耗的组成在金属化薄膜电容器生产过程中只要原材料质量保证,介质损耗、漏导损耗则相对不变,可视为一常数。

由此可见金属化薄膜电容器的损耗角正切值变化是金属部分损耗变化引起的,且。

金属部分损耗包括以下四部分,即引出线的损耗、极板(电极电阻)的功率损耗、喷金层与电容器芯体端面之间的桥接电阻和引线与喷金层之间的焊接电阻四部分组成。