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...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。展开更多
金属化薄膜电容器(metallized polypropylene film capacitor,MPPF)是模块化多电平换流阀(modular multilevel converter,MMC)中最薄弱的部件之一,准确地评估其可靠性对柔性直流输电系统的安全稳定运行十分重要。针对MPPF电容老化后聚...金属化薄膜电容器(metallized polypropylene film capacitor,MPPF)是模块化多电平换流阀(modular multilevel converter,MMC)中最薄弱的部件之一,准确地评估其可靠性对柔性直流输电系统的安全稳定运行十分重要。针对MPPF电容老化后聚丙烯膜熔融导致等效串联电阻(equivalent series resistance,ESR)增大,进而增加电容损耗,加速电容老化的问题,文中提出一种利用电容输出电压高频带能量来表征ESR增加,并在不同服役周期后对比能量变化从而判断电容的老化状态的方法,建立基于频带能量的MPPF电容失效检测模型。文中详细分析电容在MMC系统中的运行机理,并从MPPF电容结构的角度分析电容的失效机理;在建立的MMC系统仿真平台上研究ESR变化与电容输出电压高频带能量之间的规律;在此基础上,建立MPPF电容失效检测模型,并通过实验验证所提方法与模型的可行性和有效性。与现有方法相比,该方法只需电容器电压信息即可评估其当前失效程度,且适用于大部分开关电路中电容器的失效检测,尤其解决了传统方法成本高、算法复杂且普适性不足的问题。为模块化多电平换流阀中MPPF电容的状态监测和寿命评估提供一定的理论基础和技术支撑。展开更多
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...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。展开更多
金属化薄膜电容器(Metallized film capacitor, MFC)是高压大容量电力电子系统领域广泛使用的储能器件,具有储能密度高和可靠性好等特点。在工作状态下,反复的充放电过程会使得电容器内部温度升高,过高的内部温度会导致电容器可靠性降...金属化薄膜电容器(Metallized film capacitor, MFC)是高压大容量电力电子系统领域广泛使用的储能器件,具有储能密度高和可靠性好等特点。在工作状态下,反复的充放电过程会使得电容器内部温度升高,过高的内部温度会导致电容器可靠性降低从而影响系统可靠性。对金属化膜电容器建立三维电场模型,获取其功率损耗;利用有限元软件,求解金属化膜电容器热模型,模拟实际工况下电容器的温升情况;最后搭建金属化膜电容器充放电试验平台,进行温度分布试验分析,验证了所建有限元模型的准确性。结果表明,建立的金属化膜电容器电热模型能够准确描述正常工况下的温升情况。所做工作将对电容器的寿命预测以及电力电子系统的可靠性分析提供参考。展开更多
High energy density capacitor is a key device to power supply source for electromagnetic gun (EMG) system, and extending its lifetime is important for increasing the reliability of the power source. Working in high el...High energy density capacitor is a key device to power supply source for electromagnetic gun (EMG) system, and extending its lifetime is important for increasing the reliability of the power source. Working in high electric field could affect the capacitor lifetime, and this effect on metallized polypropylene film capacitors (MPPFCs) in pulsed-power applications is studied and presented. Experimental re- sults show that the lifetime of MPPFCs decreases with the increasing peak value of charged electric field, and this decrease could be described by function (L/L0) ∝ (E/E0)–m, where, m=7.32. The lifetime of MPPFCs also decreases with the increase of the reversal coeffi- cients in underdamped circuits, which could be described by (L/L0) ∝ (ln(1/K0)/(ln(1/K))–b, where, b=0.7. These results provide a basis for the lifetime prediction of MPPFCs in pulsed-power applications.展开更多
文摘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。
文摘金属化薄膜电容器(metallized polypropylene film capacitor,MPPF)是模块化多电平换流阀(modular multilevel converter,MMC)中最薄弱的部件之一,准确地评估其可靠性对柔性直流输电系统的安全稳定运行十分重要。针对MPPF电容老化后聚丙烯膜熔融导致等效串联电阻(equivalent series resistance,ESR)增大,进而增加电容损耗,加速电容老化的问题,文中提出一种利用电容输出电压高频带能量来表征ESR增加,并在不同服役周期后对比能量变化从而判断电容的老化状态的方法,建立基于频带能量的MPPF电容失效检测模型。文中详细分析电容在MMC系统中的运行机理,并从MPPF电容结构的角度分析电容的失效机理;在建立的MMC系统仿真平台上研究ESR变化与电容输出电压高频带能量之间的规律;在此基础上,建立MPPF电容失效检测模型,并通过实验验证所提方法与模型的可行性和有效性。与现有方法相比,该方法只需电容器电压信息即可评估其当前失效程度,且适用于大部分开关电路中电容器的失效检测,尤其解决了传统方法成本高、算法复杂且普适性不足的问题。为模块化多电平换流阀中MPPF电容的状态监测和寿命评估提供一定的理论基础和技术支撑。
文摘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。
文摘金属化薄膜电容器(Metallized film capacitor, MFC)是高压大容量电力电子系统领域广泛使用的储能器件,具有储能密度高和可靠性好等特点。在工作状态下,反复的充放电过程会使得电容器内部温度升高,过高的内部温度会导致电容器可靠性降低从而影响系统可靠性。对金属化膜电容器建立三维电场模型,获取其功率损耗;利用有限元软件,求解金属化膜电容器热模型,模拟实际工况下电容器的温升情况;最后搭建金属化膜电容器充放电试验平台,进行温度分布试验分析,验证了所建有限元模型的准确性。结果表明,建立的金属化膜电容器电热模型能够准确描述正常工况下的温升情况。所做工作将对电容器的寿命预测以及电力电子系统的可靠性分析提供参考。
基金Project supported by Opening Foundation of National Engineering Laboratory for UltraHigh Voltage Engineering Technology (Kunming, Guangzhou, China)
文摘High energy density capacitor is a key device to power supply source for electromagnetic gun (EMG) system, and extending its lifetime is important for increasing the reliability of the power source. Working in high electric field could affect the capacitor lifetime, and this effect on metallized polypropylene film capacitors (MPPFCs) in pulsed-power applications is studied and presented. Experimental re- sults show that the lifetime of MPPFCs decreases with the increasing peak value of charged electric field, and this decrease could be described by function (L/L0) ∝ (E/E0)–m, where, m=7.32. The lifetime of MPPFCs also decreases with the increase of the reversal coeffi- cients in underdamped circuits, which could be described by (L/L0) ∝ (ln(1/K0)/(ln(1/K))–b, where, b=0.7. These results provide a basis for the lifetime prediction of MPPFCs in pulsed-power applications.
