一种金属化膜电容器击穿自愈气体收集装置及方法

本发明属于高电压工程，更具体地，涉及一种金属化膜电容器击穿自愈气体收集装置及方法。

背景技术：

1、金属化膜电容器一般由数微米厚聚合物薄膜，在其上蒸镀厚度为纳米级的铝或锌-铝金属层后卷绕而成。金属化膜电容器具有自愈特性、高能量密度、低损耗等优点，广泛应用于电力电子装置、柔性直流输电、新能源发电等领域。

2、金属化膜电容器在击穿自愈时，击穿点产生的电弧会烧蚀聚合物薄膜形成击穿孔洞，被烧蚀的聚合物被高温分解成气体排出电容器体外。在实际工况下，电容器被灌封材料包裹，大量自愈气体无法排出，轻度时导致电容器内部气压升高、影响电气性能，严重时将引起电容器整机鼓包、外壳变形，甚至引发系统故障。因此，研究电容器在不同电压、不同温度、不同薄膜材质下的击穿自愈产气特性，对于电容器的结构设计、灌封工艺优化和故障预警具有重要意义。

3、然而，目前缺乏专门用于收集金属化膜电容器击穿自愈产生气体的实验装置和方法。常规的气体收集方法（如排水集气法、气囊收集法）难以满足高压实验环境下的绝缘要求、密封要求和微量气体收集要求，且容易混入空气导致后续气体成分分析不准确。此外，金属化膜电容器击穿自愈实验涉及高压操作，实验安全也是需要重点考虑的问题。因此，有必要发明一种结构简单、操作方便、密封性能好、安全可靠的金属化膜电容器击穿自愈气体收集装置及方法。

技术实现思路

1、针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种金属化膜电容器击穿自愈气体收集装置及方法，由此解决现有技术中金属化膜电容器击穿自愈试验过程中产生的气体不便于收集、容易混入空气的技术问题。

2、为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种金属化膜电容器击穿自愈气体收集装置，包括：直流电压模块、放电模块和气体收集模块；

3、所述直流电压模块的输出端与被试样品的高压端连接，所述被试样品的低压端接地；所述直流电压模块用于向所述被试样品施加幅值可调的直流电压；

4、所述放电模块与所述被试样品的高压端连接，用于在所述被试样品加压结束后对其进行放电；

5、所述气体收集模块包括油槽、绝缘密封介质、通路切换部件、气体收集容器、气体转移容器和气体储存容器；所述被试样品固定放置于所述油槽底部，所述绝缘密封介质盛装在所述油槽中且液面高度高于所述被试样品，所述气体收集容器罩于所述被试样品上方，所述通路切换部件用于切换气体收集和转移的通路，所述气体收集容器、气体转移容器和气体储存容器分别与所述通路切换部件连接。

6、优选地，所述直流电压模块包括直流稳压电源和保护电阻，所述直流稳压电源的输入端连接市电，其输出端与所述保护电阻的一端连接，所述保护电阻的另一端与所述被试样品的高压端连接；所述保护电阻与所述被试样品串联，用于在所述被试样品击穿瞬间限制短路电流，保护所述直流稳压电源和被试样品。

7、优选地，所述放电模块包括开关和接地电阻；所述开关的一端与所述被试样品的高压端连接，所述开关的另一端与所述接地电阻的一端连接，所述接地电阻的另一端接地；加压时所述开关断开，放电时所述开关闭合使所述被试样品通过所述接地电阻放电，放电时间不少于5min，确保所述被试样品残留电压降至安全范围。

8、优选地，所述绝缘密封介质为硅油。所述硅油具有电气绝缘性和密封性，所述硅油充满所述油槽并浸没所述被试样品和所述气体收集容器的开口端，形成隔绝空气的密封环境，确保收集的气体不含空气成分；所述硅油透明，可直接观察气体产生和积聚过程，通过观察所述气体收集容器内气体体积不再变化判断产气结束；所述气体收集容器为一端封闭、一端开口的透明针管，其开口端朝下倒扣在所述被试样品上方，内部空间完全容纳所述被试样品，使所述被试样品击穿自愈产生的气体在所述硅油中受浮力作用上升并积聚在所述气体收集容器的封闭端顶部。

9、优选地，所述通路切换部件为可调三通，所述可调三通包括三个出气通道和一个调节阀，通过转动所述调节阀可实现三个出气通道中任意两个连通而另一个封闭；所述三个出气通道分别与所述气体收集容器、气体转移容器和气体储存容器连接。气体收集阶段使气体收集容器与气体转移容器连通、气体储存容器封闭；气体转移阶段使气体转移容器与气体储存容器连通、气体收集容器封闭；所述气体转移容器为带活塞的针管，用于通过拉动活塞利用负压将气体从气体收集容器吸入，再通过推动活塞利用正压将气体推入气体储存容器；所述气体储存容器为带进气口阀门的气体收集袋，用于最终密封储存收集的气体。

10、按照本发明的另一方面，提供了一种金属化膜电容器击穿自愈气体收集方法，包括以下步骤：

11、s1，将被试样品的高压端与直流电压模块连接，被试样品的低压端接地；将气体收集容器和气体转移容器通过通路切换部件连接，转动调节阀使气体收集容器与气体转移容器连通；

12、s2，排出气体转移容器中的空气，向气体收集容器和气体转移容器中灌满绝缘密封介质；将被试样品放置在气体收集容器中；在油槽中加入绝缘密封介质，将被试样品和气体收集容器倒扣在油槽内；

13、s3，通过直流电压模块向被试样品施加恒定的直流电压，使被试样品发生击穿自愈并产生气体；

14、s4，加压结束后断开直流电压模块，闭合放电模块使被试样品充分放电；

15、s5，被试样品在加压过程中及放电后持续产生气体，气体在绝缘密封介质中向上汇聚，积聚在气体收集容器顶部；待被试样品不再产生气体后，拉动气体转移容器的活塞，利用负压将气体收集容器中的气体全部转移至气体转移容器中；

16、s6，转动通路切换部件使气体转移容器的通道封闭，将气体转移容器与通路切换部件的组合从气体收集容器上分离；将气体储存容器与通路切换部件连接，转动通路切换部件使气体转移容器与气体储存容器连通，推动活塞将气体全部转移至气体储存容器；关闭气体储存容器的进气口，完成气体收集。

17、优选地，所述步骤s2中，密封排气装样的具体流程为：先将气体转移容器的活塞推至最底部彻底排出空气，再向气体收集容器和气体转移容器中灌满硅油以隔绝空气，然后将被试样品放入气体收集容器中确保无气泡残留，最后将气体收集容器连同被试样品一起倒扣在盛有硅油的油槽中。

18、优选地，所述步骤s3中，向被试样品施加恒定直流电压的时间为10min；所述步骤s4中，被试样品通过接地电阻放电的时间不少于5min。

19、优选地，所述步骤s5中，判断被试样品不再产生气体的方法为通过硅油观察气体收集容器内气体体积不再变化，通常为加压结束后2至4小时；拉动气体转移容器活塞时缓慢操作，避免硅油被吸入或产生气泡扰动。

20、优选地，所述步骤s6中，气体转移采用两步法：第一步通过通路切换部件使气体收集容器与气体转移容器连通，拉动气体转移容器活塞利用负压将气体从气体收集容器吸入气体转移容器；第二部转动通路切换部件封闭气体转移容器通道后分离气体收集容器，连接气体储存容器后再转动通路切换部件使气体转移容器与气体储存容器连通，推动活塞利用正压将气体从气体转移容器推入气体储存容器；两步转移过程中均通过通路切换部件在接口分离前封闭通道，防止气体泄漏。

21、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

22、1.本发明提出的金属化膜电容器击穿自愈气体收集装置，利用绝缘密封介质的电气绝缘性和密封性，将被试金属化膜电容器完全浸没在绝缘密封介质中，采用倒扣的气体收集容器罩住电容器，使击穿自愈产生的气体在浮力作用下上升并积聚在容器顶部，实现高压环境下的无空气密封集气。本发明解决现有技术中金属化膜电容器击穿自愈试验过程中产生的气体不便于收集、容易混入空气的技术问题，并且保证收集气体的高纯度，不含空气，提高了产气特性研究数据的准确性和可信性。

23、2.本发明提出的金属化膜电容器击穿自愈气体收集装置，采用直流电压模块经保护电阻向被试电容器施加高压，击穿自愈产生的气体在绝缘密封介质密封环境下被倒扣的气体收集容器收集；加压结束后通过放电模块经接地电阻充分放电，确保残留电压降至安全范围后再进行气体转移操作。解决了高压实验环境下气体收集的安全难题，保护电阻和放电模块的双重设计确保了实验人员的人身安全和设备安全，可在不同电压等级下安全开展击穿自愈产气实验。

24、3.本发明提出的金属化膜电容器击穿自愈气体收集装置，本发明通过通路切换部件的通路切换，实现"收集容器→转移容器→储存容器"的两步转移。第一步用转移容器负压抽吸，第二步正压推入储存容器；转移间隙通过通路切换部件封闭转移容器通道，再进行接口分离和重新连接。整个气体转移过程在封闭状态下完成，无泄漏、无空气污染，确保了微量气的完整收集，特别适用于击穿自俞产气量较少的实验场景。

25、4.本发明提出的金属化膜电容器击穿自愈气体收集装置，整套装置由直流稳压电源、保护电阻、开关、接地电阻、油槽、绝缘密封介质、通路切换部件、容器等常规实验室器材组成，无需复杂的真空系统、专用气体收集设备或精密仪器。装置制造成本低，实验操作方便。

26、5.本发明提出的金属化膜电容器击穿自愈气体收集方法，利用绝缘密封介质的绝缘性和密封性，通过"排空气→灌绝缘密封介质→装样→倒扣油槽"的流程彻底排除系统中的空气，整个产气和集气过程在纯绝缘密封介质环境下进行；气体在绝缘密封介质中受浮力上升积聚在倒扣容器顶部，不会与空气接触。收集的气体不含空气成分，纯度高，避免了空气对后续气体成分分析的干扰。

27、6.本发明提出的金属化膜电容器击穿自愈气体收集方法，利用硅油透明的特点，通过直接观察气体收集容器内气体体积不再变化来判断产气结束，无需额外的气体传感器或压力监测设备。产气结束判据简单直观，实验人员可根据观察结果灵活决定后续操作时机，既避免了过早转移导致气体收集不完全，也避免了过长等待浪费实验时间，提高了实验效率。