基于玻璃陶瓷介质的高压电容器关键技术研究

发布时间：2017-09-25 18:23

  本文关键词：基于玻璃陶瓷介质的高压电容器关键技术研究

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【摘要】：高压陶瓷电容器体积小、容量大、寿命长,在电力系统中得到广泛运用,其常用钛酸钡类烧结陶瓷作为电介质。钛酸钡类烧结陶瓷孔隙多,居里温度离室温近,电容器表现为耐压低、局放大、温度稳定性差。特高压电力系统的发展对电容器提出更多更苛刻的要求,特别是要求电容器具有更高的耐压水平,更低局放量,更好的温度稳定性等,常规烧结陶瓷电容器已不能满足特高压电力系统发展需求。玻璃陶瓷复合材料结构致密无孔隙,可以通过成份设计和可控结晶得到介电常数大、耐压高、局放小的电介质。近年来国内外针对铌酸盐玻璃陶瓷材料体系研究较多,但是如何将其转化为电容器器件报道较少。本文通过对铌酸盐玻璃陶瓷材料体系、电极和封装研究,首次将玻璃陶瓷开发为特高压电力系统用高压电容器,解决了常规烧结陶瓷电容器局放高、温度稳定性差等问题。文章首先研究了ANb2O6-NaNbO3-SiO2体系玻璃陶瓷可控结晶、微观结构和介电性能的关系,其中PSNNS体系A位为Pb1-xSrx, PBNNS体系A位为Pb1-yBay, BSNNS体系A位为Ba1-zSrZ。可控结晶研究表明,各体系在600℃～1000℃主要存在两个结晶峰,结合XRD分析低温相为烧绿石结构,高温相为钙钛矿结构的NaNbO3和钨青铜结构的偏铌酸盐相。结构与性能研究表明,随着结晶温度升高,介电常数增加,但介电常数电压稳定性、温度稳定性有所降低。针对实际运用,文章首次提出从玻璃相角度对玻璃陶瓷进行优化：PSNNS体系玻璃陶瓷,Pb2+在玻璃相中同时提高其耐压水平和介电常数,Al3+将损耗降至0.0078,Gd3+在保持介电常数基本不变的情况下将损耗降为0.0028。选用PSNNS体系玻璃陶瓷(直径20mm,厚度1mm)进行电极和封装研究。电极研究中发现银浆电极与电介质界面存在大量孔洞,从而产生大量局放,降低电容器工作电压。银浆电极样品直流耐压为50.0kV,交流耐压为4.0kV；起始局放电压1.7kV,3kV时局放量达到26.4pC。采用活性钎焊技术制备电极,界面孔隙得到解决,但是高温高真空导致玻璃陶瓷脱氧。脱氧研究表明介电性能恶化是氧空位所致,补氧研究将损耗控制在0.25以内。采用磁控溅射/锡铅焊料电极,界面致密,导流能力强,直流耐压升至60.0kV,交流耐压升至4.8kV,局放性能也大幅改善,起始局放电压增加为2.8kV,3kV下局放量降为6.36pC。采用Comsol软件对电极结构设计发现,电极留边量越大,厚度越低,电场畸变系数越大,从而降低电容器工作电压。封装研究首先对环氧树脂各项性能进行研究,选择合适的环氧树脂作为封装材料。进一步研究发现电容器击穿主要发生在电介质/电极/封装材料三相界而处,模拟结果表明三相界面处电场畸变最严重。为均化三相界而畸变电场,文章首次采用高介电固体封装技术,通过提高封装材料介电常数,在保持其它性能不变的情况下,将直流耐压提高至75.0kV,交流耐压提高到7.5kV。非线性电阻率材料均化畸变电场研究,将电容器交直流耐压分别提高为8.5kV、78.OkV。最后针对特高压电力系统需求,基于玻璃陶瓷电介质设计高压耦合电容,并对其电容、损耗、交流耐压、局部放电、温度稳定性、电压稳定性、雷电冲击、重复充放电等性能进行研究,结果表明其性能远超常规烧结陶瓷电容器。
【关键词】：电容器 铌酸盐玻璃陶瓷 介电性能 局部放电
【学位授予单位】：北京有色金属研究总院
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ171.733;TM53
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-14
• 1 绪论14-40
• 1.1 电容器基本物理参数14-21
• 1.2 电容器分类及运用21-23
• 1.3 高压陶瓷电容器23-32
• 1.3.1 高压陶瓷电容器电介质研究现状23-26
• 1.3.2 高压陶瓷电容器电极研究现状26-29
• 1.3.3 高压陶瓷电容器封装研究现状29-30
• 1.3.4 高压陶瓷电容器发展趋势30-32
• 1.4 论文的研究目的、意义及主要内容32-34
• 参考文献34-40
• 2 制备及表征方法40-55
• 2.1 实验所用原料及主要设备40-41
• 2.2 玻璃陶瓷制备工艺流程41-44
• 2.2.1 铌酸盐玻璃陶瓷成分设计41-42
• 2.2.2 玻璃陶瓷样品的制备42-44
• 2.3 表征方法44-46
• 2.3.1 差热分析(DTA)44-45
• 2.3.2 X-ray衍射分析45
• 2.3.3 透射电子显微镜(TEM)分析45
• 2.3.4 介电常数、介电损耗测试45
• 2.3.5 电容温度稳定性和电压稳定性测试45-46
• 2.3.6 电容器耐压测试46
• 2.4 电场数值分析方法46-54
• 2.4.1 静电场概述47-50
• 2.4.1.1 泊松方程与拉普拉斯方程47-48
• 2.4.1.2 静电场中的定解问题48-50
• 2.4.2 准静态电场概述50-51
• 2.4.3 平行板电容器中准静态电场分布的数值计算原理51-53
• 2.4.4 COMSOL Multiphysics模拟电场分析53-54
• 参考文献54-55
• 3 高压陶瓷电容器玻璃陶瓷电介质研究55-80
• 3.1 铌酸盐玻璃陶瓷体系热力学分析55-57
• 3.2 铌酸盐玻璃陶瓷微观结构分析57-59
• 3.3 铌酸盐玻璃陶瓷性能研究59-63
• 3.3.1 基本介电性能分析59-61
• 3.3.2 介电常数电压稳定性研究61-62
• 3.3.3 介电常数温度稳定性研究62-63
• 3.4 PSNNS玻璃陶瓷体系优化63-75
• 3.4.1 Pb~(2+)改善铌酸盐玻璃陶瓷SiO_2玻璃相研究63-66
• 3.4.2 Al~(3+)改善铌酸盐玻璃陶瓷SiO_2玻璃相研究66-69
• 3.4.3 双碱效应改善铌酸盐玻璃陶瓷SiO_2玻璃相研究69-73
• 3.4.4 稀土(Gd~(3+))添加改善铌酸盐玻璃陶瓷介电性能研究73-75
• 3.5 本章小结75-76
• 参考文献76-80
• 4 高压陶瓷电容器电极研究80-117
• 4.1 丝网印刷制备电极80-84
• 4.1.1 丝网印刷介绍80-81
• 4.1.2 丝网印刷电极微观结构分析81-83
• 4.1.3 银浆电极介电性能测试83-84
• 4.2 活性钎焊制备电极84-100
• 4.2.1 活性钎料/陶瓷界面反应85-88
• 4.2.1.1 活性钎料/陶瓷界面反应热力学86-87
• 4.2.1.2 活性钎料/陶瓷界面反应动力学87-88
• 4.2.2 活性钎焊工艺88-92
• 4.2.3 活性钎焊电极微观结构分析92-94
• 4.2.4 活性钎焊电极介电性能测试94
• 4.2.5 PSNNS玻璃陶瓷脱氧研究94-97
• 4.2.6 PSNNS玻璃陶瓷补氧研究97-100
• 4.3 磁控溅射-低温焊料制备电极100-104
• 4.3.1 磁控溅射-低温焊料工艺100-102
• 4.3.2 磁控溅射-低温焊料电极微观结构分析102-103
• 4.3.3 磁控溅射-低温焊料电极介电性能测试103-104
• 4.4 电极结构模拟设计104-113
• 4.4.1 电极留边量对电容器耐压影响104-109
• 4.4.2 电极厚度对电容器耐压影响109-111
• 4.4.3 电极结构对电容器放电速率影响111-113
• 4.5 本章小结113-115
• 参考文献115-117
• 5 高压陶瓷电容器封装研究117-142
• 5.1 环氧树脂封装117-125
• 5.1.1 环氧树脂优化117-123
• 5.1.2 环氧树脂封装-电极匹配性研究123-124
• 5.1.3 环氧树脂封装固化后处理对耐压影响124-125
• 5.2 高介电封装均化电场研究125-136
• 5.2.1 两相界面电磁场分析125-128
• 5.2.2 玻璃陶瓷电容器三相界面电磁场模拟128-130
• 5.2.3 封装材料介电常数对电容器击穿性能影响130-131
• 5.2.4 封装材料介电常数对电容器击穿性能影响模拟计算131-134
• 5.2.5 高介电材料(环氧)封装研究134-136
• 5.3 压敏材料均化电场研究136-140
• 5.4 本章小结140-141
• 参考文献141-142
• 6 高压陶瓷电容器设计与性能研究142-150
• 6.1 高压耦合电容运用背景142-143
• 6.2 铌酸盐玻璃陶瓷基高压陶瓷电容器结构与性能143-144
• 6.3 温度稳定性与偏压特性性能研究144-145
• 6.4 雷电冲击性能研究145
• 6.5 充放电性能研究145-147
• 6.6 本章小结147-148
• 参考文献148-150
• 7 结论与展望150-153
• 7.1 主要内容和结论150-152
• 7.2 今后工作的展望152-153
• 攻读博士学位期间取得的学术成果153-155
• 致谢155-156
• 作者简介156

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本文编号：918913