电解电容

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电解电容范文第1篇

关键词： 电容测量； ESR测量； BUCK变换器； 数字电源

中图分类号： TN710?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2015）24?0148?04

An online monitoring method for output?end electrolytic capacitor of

switching mode power supply

LI Qi， YANG Biao， YU Hao， FENG Lian

（School of Information Engineering and Automation， Kunming University of Science and Technology， Kunming 650500， China）

Abstract： The performance degradation of the electrolytic capacitor in switching mode power supply is an important factor to result in power failure， so a method of monitoring the capacity of output?end aluminum electrolytic capacitor and series equivalent resistance （ESR） on line is proposed for the digital?controlled switching mode power supply in allusion to BUCK topology， which can realize the real?time monitoring to the performance degradation of the output?end capacitor. When the load occurs step decline， by integrating the current of the capacitor， the capacitance is calculated in combination with charge conservation theorem， and the ESR value of the capacitor is calculated based on the voltage in both ends in charging process of the capacitor. The method is verified by the experiment， in which STM32F4 is used as the controller. The results show that the proposed method can measure the ESR and capacitance， and monitor the performance degradation of the capacitor in real?time. The algorithm of the method has low complexity， simple hardware structure， little error and strong feasibility.

Keywords： capacitor measurement； ESR measurement； BUCK converter； digital power supply

0 引 言

开关电源是目前应用最广泛的电源，应用表明电解电容的寿命是开关电源寿命的主要瓶颈。在工作过程中电解电容等效电路模型中的串联等效电阻（ESR）会不断增大，容量下降[1]，使得开关电源输出纹波增加，甚至使电子、电气设备损坏，造成损失。目前对铝电解电容的失效机理与故障预测已经有很多研究[1?3]，但预测电解电容寿命需要对开关电源的输出纹波进行长期的监测、统计，然而分析这些数据并得出预期寿命需要比较大的计算量与复杂的硬件电路，多用于工业生产成品开关电源的产品寿命预测。例如文献[4]使用了CPLD和32位微控制器采样纹波信号，基于改进的EMD算法和基于改进 EMD的Hilbert变换算法提出一种实时估测ESR值的方法，算法的时间和空间复杂度都很高。文献[5]提出了一种基于开关电源稳态输出电压纹波的监测电容容量与ESR值的方法。在开关电源运行中进行硬件实时监测是低成本的有效方案，可与上述电源寿命预测的方法相互补，达到了避免开关电源因电解电容退化而失效的目的。本文提出了一种在线式监测开关电源输出端铝电解电容容量与ESR值的方法，以此监测电容的退化情况。该方法不影响电源系统的正常运行并能很好地与现有的数字电源控制技术相结合，有一定的可行性，算法复杂度低。本文使用STM32F4作为控制器进行了实验验证，该方法有很好的实时性和一定的精确度。

1 电容容值的测量

1.1 理论基础

如图1所示，对于一个典型的BUCK拓扑的开关电源，其中Vi是输入电压，Vo是输出电压，Io是输出电流，L是拓扑中电感的电感值，D是占空比，k为开关周期的次数。在处于稳态时，电感电流iL（t）在开关管开通时以斜率[Vi-VoL]上升；在开关管关断时以斜率[-VoL]下降[6]。

图1 BUCK变换器的拓扑结构

电感电流在开关管QH开通、关断时的表达式为：

[iLt=Vi-VoLt+Io-Vo1-D2Lfs， 0≤t

拓扑中的电容起到吸收电感电流iL（t）中交流分量的作用，使得输出电流Io稳定。

[iCt=iLt-Io] （2）

由式（2）可得电容电流iC（t）的表达式为：

[iCt=Vi-VoLt-Vo1-D2Lfs， 0≤t

如图2所示，当负载电流io（t）在t1时刻发生向下的阶跃变化，从Io1～Io2的变化量为Δi，而电感电流iL（t）不能突变，因此电容电流iC（t）也发生阶跃变化，使得输出端电容电压Vo升高，达到Vom。

图2 电感电流、负载电流与输出端电压的关系

刘雁飞等提出了电荷平衡法[7?9]，当负载发生阶跃变化时，进行非线性控制，使得负载阶跃变化前后电容充放电电荷平衡，从而使电容电压回到稳态输出电压Vref。本文所采用的监测电容的方法基于电荷平衡的控制方法，当电源负载电流发生阶跃变化时，强制开关管QH关断，使得电感电流iL下降，跌落至负载电流Io2以下，这时相应的电容电流为：

[iCt=Vi-VoLt1-Vo1-D2Lfs-VoLt2， 0≤t1

这样，根据t1～t2时刻的电流积分与测量到的电压峰值Vom，基于电荷守恒定理可以得到式（5），由此式求得电容值C。

[C=t2t1iCtdtVomax-Vref] （5）

1.2 电容电流积分方法

在本文所提出的方法中，式（5）中电流积分的精确度很重要。检测电容电流iC（t）需要添加额外的检流电阻且会影响电源的性能，因此在假设电感电流纹波率很小的条件下，本文中电容电流通过其他量间接测得。

1.2.1 第一种方法

第一种方法假设输出电压Vo是理想的，基本不变，根据负载阶跃下降时电流的变化量Δi和电感电流变化率[k=-VoL，]通过三角形面积公式即可求得电容电流的积分量，如下：

[t2t1iCtdt=Δi22k] （6）

1.2.2 第二种方法

第二种方法是从负载发生阶跃下降时刻开始计时，测量从负载阶跃下降时刻t1到电容电流过零时刻t2所用时间即T，结合电流阶跃变化量Δi可得式（7），这样根据式（5）便可求得电容值C。

[t2t1iCtdt=ΔiT2] （7）

1.2.3 斜率修正法

实际的输出电压Vo是变化的，为了准确地求解电感电流，以Vo为中间变量，在电感电流下降时得到式（8）。

[LdiLtdt=1Ct1t2iLt-Io2dt+ESRiLt-Io2] （8）

图3中的理论值为使用式（8）中的微分方程来计算电容电流积分，从而得到的输出电压Vo曲线（其他参数：电容值C为100 μF，ESR的值为10 mΩ，电感值L为2 μH，输出电压Vo为1 V，电流阶跃下降量Δi为4 A）。可见方法一比方法二误差大，但使用方法二需要对电流过零时间进行检测，增加了额外的硬件电路。因此本文提出了电感电流斜率修正法，在方法一的基础上预先对曲线积分近似法进行拟合，使用电感电流修正斜率kC，使得式（9）成立，这样便可使用kC替代式（6）中的k计算电容电流积分。

[kC=Δi2t2t1iCtdt] （9）

图3 两种积分方法与理论值的对比

如图4为使用修正斜率方法与方法二和理论值的误差，可见选择恰当的kC可使得积分误差很小，但随着电容退化，其容值C的下降，使用斜率修正法的误差会逐渐向正方向增加；第二种方法的误差也向正方向增加，但在一定电容容值范围内斜率修正法造成的误差比第二种方法小。

图4 斜率修正方法与方法二的对比

2 ESR的测量

对于一个实际的电容，有如图5（a）所示的理想元件等效模型[10]。其中ESR为串联等效电阻，ESL为串联等效电感，EPR为并联等效电阻。通常EPR很大ESL很小，所以两者可以忽略不计。由于电容中ESR的存在，实际测得的电容电压值中还包含了ESR的电压分量VESR。在开关切换瞬间突变的iC电流在ESR上产生电压，而理想电容Creal两端的电压不能突变，使得在电容电流阶跃变化时电容电压也有小幅的阶跃变化。如图5（b）所示，ESR上的电压随着电容电流的下降而下降，在t2时刻，理想电容两端的电压VC等于输出电压Vo。

图5 电容的理想元件等效模型与电压关系

基于上文的斜率修正方法，电感电流以固定的斜率kC下降，根据三角形相似公式可以求出td时刻的理想电容电压 VC（td）为：

[VCtd=Vom1-td2T2] （10）

因此在td时刻由测量的输出电压Vo（td），结合计算出的电感电流iL（td）即可由式（11）求得ESR的值RESR。

[RESR=Votd-VCtdio2-kCtd] （11）

在开关切换的一瞬间ESR所产生的电压最大，此时还会有因开关管状态切换而产生的电压尖峰，因此测量时刻td应选择在尖峰电压产生的振荡衰减之后。触发电路及控制器的中断响应会产生一定的延时，必要时还应额外的增加延迟。

3 实验验证

实验电路参数如表1所示。

表1 实验电路参数

本文使用STM32F407VG作为数字电源的控制器进行实验，使用了前文所述的电感斜率修正的方法，图6为算法流程图。

图7为电路框图，其中电压跟随器与检流放大器使用高精度仪表运算放大器INA128，微分电路使用LM358搭建，栅极驱动器使用IR2110S，峰值保持器使用AD783。

图6 算法流程图

图7 系统结构框图

在电源负载稳定时，STM32F4作为电源的PID控制器，在负载发生阶跃变化时微分电路将输出脉冲触发控制器的外部中断EXIT1，使用STM32F4中三个独立的ADC模块采样输出电压Vo、峰值电压Vom与输出电流Io。在中断函数中，采样输出电压Vo（td）、峰值电压Vom、负载阶跃变化前输出电流Io1、负载阶跃变化后输出电流Io2，按前文方法可计算得到电容的RESR与电容值C。经验证，本文所提出的方法可以在5 μs内完成计算，具有一定的实时性。

表2为负载阶跃减小Δi=5 A时的实验结果，表3为负载阶跃减小Δi=3 A时的实验结果。

表2 Δi=5 A时的实验结果

表3 Δi=3 A的实验结果

4 结 语

通过电容的电荷守恒原理提出了一种在线式的监测开关电源输出端铝电解电容容量与ESR值的方法，并基于BUCK拓扑进行了理论推导与实验。本文对电容电流积分的计算方法进行了分析，并提出一种高精度的斜率修正方法。

仿真表明该方法精确度高，实验验证表明该方法算法复杂度低，有很好的实时性。但在电容值C较小、ESR值较大时仍有较大误差，因此改进电容电流积分方法、提高电压测量的精度仍然是后续研究工作的重点。此外，加入数据的统计处理功能，消除因外部干扰导致的不合理误差也是很有必要的。

注：本文通讯作者为杨彪。

参考文献

[1] 马皓，王林国.铝电解电容器退化分析与故障预诊断[J].电力系统自动化，2005，29（15）：68?72.

[2] 周慧德.开关电源中铝电解电容可靠性的研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2010.

[3] 刘郑辉，席自强.基于Buck电路的开关电源纹波的计算和抑制[J].湖北工业大学学报，2007，22（5）：22?24.

[4] 王国辉，关永，郑学艳，等.开关电源中铝电解电容ESR实时估测[J].电源技术，2014，38（6）：1114?1117.

[5] YAO K， HU Wenbin， TANG Weijie， et al. A novel online ESR and C identification method for output capacitor of buck converter [C]// 2014 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition. Pittsburgh： IEEE， 2014： 3476?3482.

[6] MANIKTALA S. Switching power aupplies A to Z [M]. USA： Butterworth?Heinemann， 2006.

[7] JIA L， WANG D， MEYER E， et al. A novel digital capacitor charge balance control algorithm with a practical extreme voltage detector [C]// 2010 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition. Atlanta： IEEE， 2010： 514?521.

[8] MEYER E， LIU Y F. A practical minimum time control method for Buck converters based on capacitor charge balance [C]// 2008 Twenty?Third IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition. Austin： IEEE， 2008： 10?16.

（上接第151页）

电解电容范文第2篇

关键词：非固体电解质钽电容器;漏电流;氧化膜;电容失效

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2014）12-00-02

0 引 言

钽电解电容器因其容量大、体积小、电性能优良、工作温度范围宽、可靠性高，在通信、航天等领域被广泛选用。在笔者去年生产的产品中连续出现两例CA35型非固体电解质钽电容器失效现象，失效模式为漏电流超标，要求漏电流小于1 μA，实际测量达到28 μA，影响产品整机性能。为搞清楚电容器漏电流超标的原因，笔者走访电容器生产厂家，查阅大量资料，了解了电容器生产过程控制及电容器在使用中注意事项，现将其整理，以供遇到类似问题的技术人员参考。

1 非固体钽电解质电容器的制造工艺过程

非固体钽电解质电容器的主要的生产工艺过程包括成型、烧结、形成、装配、老化五个过程。电容器按阳极设计要求，将钽粉压制成型，并插入钽丝作为阳极引出的过程为成型。在高温高真空条件下，获得具有合适空隙度的高纯钽块的过程为烧结，烧结后如图1所示。

用电化学方法在钽阳极表面生成一层氧化膜，作为电容器的介质的过程是形成。形成后如图2所示。

图1 钽电容烧结后 图2 钽电容形成后

将非固体电解质钽电容器采用银或钽外壳封装，壳内灌注电解液（电解质）作为电容器的阴极的过程称为装配。对电容器100%高温电老化，修复氧化膜，使电容器的性能趋于稳定，剔除早期失效产品，提高电容器的可靠性的过程为老化过程。

由电容器的制造工艺不难看出，电容器是由阳极（钽丝）、介质（氧化膜）、阴极（电解液）组成。

2 工作介质对漏电流的影响

非固体电解质钽电容器的工作介质为在钽块表面用电化学方法生成的一层氧化膜Ta2O5，Ta2O5氧化膜系无定形结构，它的离子呈不规则无序排列。理想中的电容器介质应是完美无缺的薄膜，其厚度以纳米计，仅有几十至几百纳米，它的绝缘电阻可达几百兆欧以上，氧化膜越厚，其耐压也越高。而实际上Ta2O5表面存在各种微小的疵点、空洞以及隙缝之类的缺陷，漏电流就是通过这些缺陷的杂质离子电流和电子电流所组成。正常情况下，漏电流值很小，但是如果电流较大，在试验的高应力下，电应力集中，电流密度大，使疵点周围的氧化膜“晶化”，扩大了疵点面积，介质质量进一步恶化，绝缘电阻下降，漏电流急剧增加。

3 影响氧化膜质量的因素

造成非固体电解质钽电容器漏电流的根本原因是阳极氧化膜出现缺陷，绝缘电阻下降所致，因此要控制漏电流，必须对影响氧化膜绝缘性的各种因素进行控制，影响钽电容器氧化膜绝缘性的因素主要有三个方面，一是制造电容器材料――钽粉、钽丝质量的影响;二是电容器制造的工艺影响;三是使用的影响。

3.1 钽粉、钽丝的影响

钽粉、钽丝的化学性能、物理性能、杂质含量、钽粉的颗粒形状、大小，击穿电压，都直接影响钽电容器的质量。钽粉、钽丝中的杂质含量对形成氧化膜的质量有很大的影响。钽电容器的阳极芯子在成型时要经过1 500～2 050 ℃的高温高真空的烧结，烧结的目的之一就是去掉钽粉、钽丝中的杂质，而那些难熔的杂质，如钨、钼、硅、铁、铜等，在烧结时难以完全去除，在形成氧化膜时成为疵点的“晶核”，成为导电通道。所以，对钽粉的杂质含量要求极为严格，一般要求小于10～50 PPM。钽粉有很多种规格，是根据电容器的工作电压，分为高压粉、中压粉、低压粉，各种粉的比容、物理性能、击穿电压都有区别，在生产电容器时，必须根据电容器的规格，合理、恰当选用钽粉，才能确保电容器的质量。

3.2 电容器制造工艺的影响

钽电容器的生产工艺也直接影响钽电容器的性能，尤其是以下三个关键工序将直接影响钽电容器的漏电流。

烧结工序，是将钽粉成型并进行高温真空烧结，目的是成型和提纯，要通过1 500～2 050 ℃高真空烧结，去除杂质，达到提纯的目的。如果提纯效果不佳，残留的杂质在钽阳极芯子中，将成为介质膜中的“晶核”，是造成漏电流的隐患。

形成工序，是将钽阳极放在电解液中，施加直流电压，电解液中的氧离子和钽阳极中的钽形成Ta2O5膜层。在这一工艺中，形成温度过高、形成时间过长、升压电流密度过大、形成电压过高都会对介质氧化膜产生晶化点。形成工艺结束后，要进行形成效果检验，特别是电容量和漏电流，必须达到工艺要求，希望漏电流值越小越好。在形成工艺过程中，如某一环节掌握不好，极易产生“晶化”现象，所以，形成工艺要求制造完整的介质膜层，又不能出现“晶化”现象。

筛选工序，是对钽电容器的成品采取进一步加严检验的工艺，通常采用高、低温筛选、长时间高温老练筛选以及X光透射检查等。特别注意筛选的温度及电压要选择的适当，太低不能有效剔除缺陷电容器，太高，又会导致本来合格的产品出现缺陷而失效被剔除。

3.3 电容器使用的影响

电容器的使用主要涉及两个层面，一是设计层面，二是操作层面。

首先从设计层面考虑以下因素：

电容器要降压使用。指电容器的实际工作电压要低于电容器的额定电压，电容器长期经受较高工作电压，氧化膜中不可避免地存在着杂质或其它缺陷，当这些部位的场强较高，电流密度较大，导致局部高温点出现，从而留下诱发热致晶化的隐患。在金属氧化物界面，由于金属杂质的存在，也可能诱发场致晶化，随着施加电压的增加，电容器失效概率也增加，因此为了电容器工作的可靠性及寿命，一般设计的实际工作至多为额定电压的70%。

避免反向电压。不允许将非固体电解质钽电容器反接在直流回路或接在纯交流回路中。银外壳的液体钽电容器（CA30、CA35）加反向电压会使银外壳上的银迁移至阳极，沉积在氧化膜上，几时和很低的反向电压和较低电流密度也能获得枝蔓似的银沉积。而阳极表面沉积的银将构成导电通道，从而增加漏电流，进而使介质被击穿致电容器失效。钽外壳的液体钽电容器（CA38）可承受3 V反向电压，因钽外壳表面能形成一层很薄的氧化膜，当电容器被施加反向电压时，钽外壳上的氧化膜处于正向偏压状态，因此仍可保证产品有较小的漏电流。但更高的反向电压仍会将全钽液体钽电容器击穿。

远离功率发热器件。电容器在电路板中布局时应远离功率发热器件。当电容器靠近发热器件时，电容器长时间工作温度升高，氧化膜中的杂质离子迁移速度增加，导致漏电流增大。

钽电容器在电路中，应控制瞬间大电流对电容器的冲击，建议串联电阻以缓解这种冲击。请将3 Ω/V以上的保护电阻器串联在电容器上，以限制电流在300 mA以下，当串联电阻小于3 Ω/V时，则应考虑进一步的降额设计，否则产品可靠性将相应降低（如果将电路电阻从3 Ω/V降到≤ 0.1 Ω/V，则失效率提高约10倍）。当电容器用于纹波电路时，降额系数至少应为0.5。选用高频钽电容器时，限流串联电阻阻值可适当降低（建议R>3 Ω/V）。

从使用操作层面应注意以下几点：

使用烙铁（30 W以下）时，烙铁尖端的温度在350 ℃以下，使用时间应在3 s以内，并注意烙铁尖不要碰到电容器本体。焊接温度过高或焊接时间过长都会导致电容器受热冲击，超过电容器所能承受的最高温度，电容器内部产生应力，导致氧化膜受损，绝缘性能下降，漏电流增大。

对标识不清的电容器严禁使用三用表测量。存在对电容器施加反向电压的风险，请将该电容器报废。

电容器应避免直接接触水、盐、油等的环境。杂质离子将电容器阳极阴线与阴极连同，形成并联导电通道，导致漏电流增大。

4 结 语

非固体电解质钽电容器虽然以容量大、体积小、工作可靠而被广泛应用，但漏电流大的问题也偶尔发生，一旦发生会对产品的性能产生严重影响。控制漏电流就是控制氧化膜的质量，本文分别从电容器制造、选用、使用过程给出了控制的因素，希望能为遇到此类问题的技术人员分析解决问题提供帮助。

参考文献

[1]陈永真.电容器及其应用[M].北京：科学出版社，2005.

电解电容范文第3篇

超级电容器自面市以来，全球需求量快速扩大，已成为化学电源领域内新的产业亮点。超级电容器在电动汽车、混合燃料汽车、特殊载重汽车、电力、铁路、通信、国防、消费性电子产品等众多领域有着巨大的应用价值和市场潜力，被世界各国所广泛关注。

美国《探索》杂志2007年1月号，将超级电容器列为2006年世界七大科技发现之一，认为超级电容器是能量储存领域的一项革命性发展，并将在某些领域取代传统蓄电池。

全球超级电容器技术生产新动态

目前全球已有上千家超级电容器生产商，可以提供多种类的超级电容器产品，大部分产品都是基于一种相似的双电层结构，采用的工艺流程为：配料混浆制电极裁片组装注液活化检测包装。

超级电容器根据制造工艺和外形结构可划分为钮扣型、卷绕型和大型三种类型，三者在容量上大致归类为5F以下、5～200F、200F以上。钮扣型产品具备小电流、长时间放电的特点，可用在小功率电子产品及电动玩具产品中。而卷绕型和大型产品则多在需要大电流短时放电，有记忆存储功能的电子产品中做后备电源，适用于带CPU的智能家电、工控和通信领域中的存储备份部件。

2007年，全球钮扣型超级电容器产业规模为10.2亿美元，卷绕型和大型超级电容器产业规模为34.8亿美元，超级电容器产业总规模为45亿美元，同比增长45％；预计2008年全球钮扣型超级电容器产业规模为15.3亿美元，卷绕型和大型超级电容器产业规模为为52.2亿美元，超级电容器产业总规模为67.5亿美元，同比增长50％。

在超级电容器的产业化方面，美国、日本、俄罗斯、瑞士、韩国、法国的一些公司凭借多年的研究开发和技术积累，目前处于领先地位，如美国的Maxwell，日本的NEC、松下、Tokin和俄罗斯的Econd公司等，这些公司目前占据着全球大部分市场。

我国超级电容器技术生产新动态

近年来，由于看好这一领域广阔的应用前景，中国一些公司也开始积极涉足这一产业，并已经具备了一定的技术实力和产业化能力。

目前国内从事大容量超级电容器研发的厂家共有50多家，然而，能够批量生产并达到实用化水平的厂家只有10多家。

2005年，中国超级电容器产业总规模达到3.9亿元人民币，较2004年的2.48亿元增长57.2％，其中，纽扣型超级电容器为4千万元，卷绕型和大型超级电容器为3.5亿元。2006年产业总规模达到5.7亿元人民币，增速高达46.2％。其中，钮扣型超级电容器市场规模为9千万元，卷绕型和大型超级电容器为4.8亿元。2007年产业总规模达到8.6亿元人民币，增速高达50％。其中，钮扣型超级电容器市场规模为1.4亿元，卷绕型和大型超级电容器为7.2亿元。预计2008年产业总规模可达13.3亿元人民币，增速可达55％。其中，钮扣型超级电容器市场规模可达2.1亿元，卷绕型和大型超级电容器市场规模可达11.2亿元。

目前，国内厂商大多生产液体双电层电容器，重要企业有锦州富辰公司、北京集星公司、上海奥威公司、锦州锦容公司、石家庄高达公司、北京金正平公司、锦州凯美公司、大庆振富公司、江苏双登公司、哈尔滨巨容公司、南京集华公司等十多家。据称，国产超级电容器已占有中国市场60％～70％的份额。

由于新兴公司不断涌现，超级电容器在国内的大规模应用也渐行渐近。国内供应商正积极地从不同角度来应对规模应用所面临的问题。例如，由于是一个相对较新的产业，国内供应商目前正积极地进行市场及技术推广工作，越来越多的买家也逐步开始了解并认可超级电容器。此外，目前供应商正积极从事应用开发，帮助买家开发出成熟的替代方案。

在克服大功率应用超级电容器一次性投入成本较高的问题上，国内供应商也在通过提高其性价比方面积极努力。业内人士指出，超级电容器相对蓄电池的优越性要靠性价比来体现。以铅酸蓄电池为例，目前一般可充放电5000次，但超级电容器理论上的充放电次数可达数万次乃至数十万次，就实际水平而言，国内某些厂商的超级电容器已经可以实现充放电20000次。这样一来，如果超级电容器在使用寿命上是蓄电池的4～5倍，而价格却仅为其3倍左右，就可以体现出更具竞争优势的性价比。

在具体应用开发上，国内供应商已经开始在各自擅长的领域取得具体应用成果。在小功率应用超级电容器方面，国内不少厂商都开发出了相应的应用或替代方案，使其产品获得了具体应用。部分公司的产品已经应用到太阳能高速公路指示灯、玩具车和微机后备电源等领域。

目前，国内厂商也很注重超级电容器的大功率应用，如环保型交通工具、电站直流控制、车辆应急启动装置、脉冲电能设备等。

应用需求及市场前景广阔无限

业内专家预测，目前中国市场的年需求量可达2150万只，约1.2亿Wh，且每年都在以约50％的速度增长；整个亚太地区的年需求量超过9000万只，约5.4亿Wh，增长速度约为90％；全球的年需求量约为2亿只，约12亿Wh，增长速度约为160％。由此可知，市场前景非常广阔。美国市场研究公司Frost & Sullivan的一份报告预计，2002年到2009年之间，全球超级电容器产业的产量和销售收入将分别以157％和49％的年复合增长率保持高速增长。目前，超级电容器占世界能量储存装置(包括电池、电容器)的市场份额不足1％，在我国所占市场份额约为0.5％，因此超级电容器存在着巨大的市场潜力。

电解电容范文第4篇

关键词：企业电站 接地电容电流 偏磁式消弧线圈 动态自动跟踪 全补偿

一、引言

化工企业蒸汽用量大，利用蒸汽余热发电，既经济、节能又能提高企业用电的可靠性。再加上目前电力紧张，进一步促进了各企业兴建热电联产式热电站的热情。现在正在设计或施工的此类工程很多，可以说遍地都是。化工企业电站的机压母线一般都采用10KV或6KV中性点不接地系统，而且一般都采用机压母线对负荷直配电缆。该方案运行维护简单，节省了全套升压站的投资，非常受企业的欢迎。但是，此方案会造成单相接地电容电流很大。在我公司承担的青海某90万吨/年纯碱工程中，第一期工程的单相接地电容电流就达到了31.5A，二期预计与一期工程的规模一样。在我公司承担的山东某100万吨/年纯碱工程中，其第一期工程的单相接地电容电流已达到了33.5A，而且企业已有规划，一期工程竣工就开始二期工程的设计，到2008年完成三期工程的建设。国家规范要求，单相接地电容电流4A以上就必须采取补偿措施。单相接地电容电流问题是工程设计必须解决的问题。

二、单相接地电容电流的危害

中性点不接地的高压电网中，单相接地电容电流的危害主要体现在四个方面：

1．弧光接地过电压危害

当电容电流过大，接地点电弧不能自行熄灭，出现间歇性电弧接地时，产生弧光接地过电压，这种过电压可达相电压的3-5倍或更高，它遍布于整个电网中，并且持续时间长，可达几小时，它不仅击穿电网中的绝缘薄弱环节，而且对整个电网绝缘都有很大的危害。

2．造成接地点热破坏及接地网电压升高

单相接地电容电流过大，使接地点热效应增大，对电缆等设备造成热破坏，该电流流入接地网后由于接地电阻的原因，使整个接地电网电压升高，危害人身安全。

3．交流杂散电流危害

电容电流流入大地后，在大地中形成杂散电流，该电流可能产生火花，引燃可燃气体、煤尘爆炸等，可能造成雷管先期放炮，并且腐蚀水管，气管等金属设施。

4．接地电弧还会直接引起火灾，甚至直接引起可燃气体、煤尘爆炸。

三、消弧线圈的作用

电网安装消弧线圈后，发生单相接地时消弧线圈产生电感电流，该电感电流补偿接地电容电流，使得接地电流减少；同时使得故障相恢复电压速度减少，治理电容电流过大所造成的危害。同时由于消弧线圈的嵌位作用，它可以有效地防止铁磁谐振过电压的产生。消弧线圈补偿效果越好，对电网的安全保护作用越大，所以需要跟踪电容电流变化自动调谐的消弧线圈。

四、消弧线圈作用原理及国内外现状

4.1 补偿系统的原理

消弧线圈的作用是当电网发生单相接地故障后，提供一电感电流，补偿接地电容电流，使接地电流减少，也使得故障相接地电弧两端的恢复电压速度降低，达到熄灭电弧的目的。当消弧线圈正确调谐时，不仅可以有效地减少产生弧光接地过电压的机率，还可以有效地抑制过电压的幅值，同时也最大限度地减少故障点热破坏作用及接地网的电压等。所谓正确调谐，即电感电流接近或等于电容电流，工程上用脱谐度v描述调谐程度

当V = 0时，称为全补偿，当V> 0时为欠补偿，V< 0时为过补偿。从发挥消弧线圈的作用上来看，脱谐度的绝对值越小越好，最好是处于全补偿状态，即调至谐振点上。但是在电网正常运行时，小脱谐度的消弧线圈将产生各种谐振过电压。如煤矿6KV电网，当消弧线圈处于全补偿时，电网正常稳态运行情况下其中性点位移电压是未补偿电网的10-25倍，这就是通常所说的串联谐振过电压。除此之外，电网中各种操作（如大电机投入，断路器非同期合闸等）及电网发生其它故障时（如单相断线，断路器非全相合闸等）都可能产生危险的过电压，所以在电网正常运行时，或发生单相接地之外的其他故障时，小脱谐度的消弧线圈给电网带来的不是安全因素而是危害。综上所述，当电网发生单相接地故障时，希望消弧线圈的脱谐度越小越好，最好是全补偿。当电网正常运行时，希望消弧线圈的脱谐度越大越好，最好是退出运行。

4.2 补偿系统的分类

早期采用人工调匝式固定补偿的消弧线圈，称为固定补偿系统。固定补偿系统的工作方式是：将消弧线圈整定在过补偿状态，其过补程度的大小取决于电网正常稳态运行时不使中性点位移电压超过相电压的15%，之所以采用过补偿是为了避免电网切除部分线路时发生危险的串联谐振过电压。因为，如整定在欠补偿状态，切除线路将造成电容电流减少，可能出现全补偿或接近全补偿的情况。可见，固定补偿方式很难适应变动比较频繁的电网，这种系统已逐渐不再使用。取代它的是能跟踪电网电容电流自动调谐的装置，这类装置又分为两种，一种称之为随动式补偿系统。随动式补偿系统工作方式是：自动跟踪电网电容电流的变化，随时调整消弧线圈，使其保持在谐振点上，在消弧线圈中串联一电阻，增加电网阻尼率，将谐振过电压限制在允许范围内。当电网发生单相接地故障后，控制系统将电阻短接掉，达到最佳补偿效果，该系统的消弧线圈不能带高电压调整。另一种称之为动态补偿系统。动态补偿系统的工作方式是：在电网正常运行时，调整消弧线圈远离谐振点，彻底避免串联谐振过电压及各种谐振过电压产生的可能性，当电网发生单相接地后，瞬间调整消弧线圈至最佳状态，使接地电弧自动熄灭。这种系统要求消弧线圈能带高电压快速调整，从根本上避免了串联谐振产生的可能性，通过适当的控制，系统是唯一可能使电网中原有的功率方向型单相接地选线装置（高漏）继续使用的系统。

4.3 国内主要产品的比较

目前，自动补偿的消弧线圈国内主要有三种产品，分别是调气隙式，调匝式及偏磁式。

4.3.1 调气隙式

调气隙式属于随动式补偿系统。其消弧线圈为动芯式结构，通过移动铁芯改变磁路磁阻达到连续调节电感的目的。然而，其调整只能在低电压或无电压的情况下进行，其电感调节范围上下限之比为2.5 倍。控制系统在电网正常运行情况下将消弧线圈调整至全补偿附近，将约100Ω电阻串联在消弧线圈上。用来限制串联谐振过电压，使稳态过电压数值在允许范围内（中性点电位升高小于15%的相电压）。当电网发生单相接地后，必须在0.2S秒内将电阻短接掉实施最佳补偿，否则电阻有爆炸的危险。该产品的主要缺点有四条：

1. 工作噪音大，可靠性差

动芯式消弧线圈由于其结构上有运动部件，当高压施加其上后，振动噪音很大，而且随着使用时间的增长，内部越来越松动，噪音愈来愈大。串联电阻约3KW，100Ω。当补偿电流为50A时，需要250KW容量的电阻才能长期工作，所以在接地后，必须迅速切除电阻，否则有爆炸的危险。这就影响到整个装置的可靠性。

2. 调节精度差

由于气隙的微小变化都造成电感较大的变化，电机通过机械部件调气隙的精度远远不够。用液压调节成本太高。

3. 过电压水平高

在电网正常运行时，消弧线圈处于全补偿状态或接近全补偿状态，虽有串联电阻将稳态谐振过电压限制在允许范围内。但是电网中，各种扰动（大电机投切，非同期合闸，非全相合闸等），使得其瞬间过电压危害较为严重。

4. 功率方向型单相接地选线装置不能继续使用

安装该产品后，电网中原有的功率方向型单相接地选线装置不能继续使用。

4.3.2 调匝式

该装置属于随动式补偿系统，它同调气隙式的唯一区别是将动芯式消弧线圈用有载调匝式消弧线圈取代，这种消弧线圈是用原先的人工调匝消弧线圈改造而成，即采用有载调节开关改变工作绕组的匝数，达到调节电感的目的，有载调节开关每调节一档时间13秒。其工作方式同调气隙式完全相同，也是采用串联电阻限制谐振过电压。该装置同调气隙式相比，消除了消弧线圈的高噪音，但是却牺牲了补偿效果，消弧线圈电感不能连续调节，只能离散地分档调节，补偿效果差，并且同样具有过电压水平高，电网中原有方向型接地选线装置不能使用及串联电阻存在爆炸的危险等缺点，另外，该装置比较零乱，它由四件设备组成（接地变压器，消弧线圈，电阻箱，控制柜），安装施工比较复杂。总的来讲，该装置技术上比较落后。

由于经济上的原因，国产有载调匝式消弧线圈的有载调节开关采用低电压开关，它只能在低压下调节抽头，发生接地后不能调节。

4.3.3 偏磁式

偏磁式消弧线圈成套装置具有以下特点：

1. 利用自然零序电压原理在线实时测量电网对地电容。

2. 运用磁放大器原理进行动态补偿，电网正常运行时少量投入补偿电抗，电网脱谐度大，可有效地防止串联谐振过电压的发生。发生单相接地后，瞬间实施最佳补偿。

3. 现在广泛应用的功率方向原理的单相接地保护装置，仍能继续使用。

综上所述，偏磁式上述1、2、3点，在技术上属国内领先水平。

偏磁式消弧线圈成套装置属动态补偿系统，这种补偿系统要求消弧线圈的技术水平高，其消弧线圈内部为全静态结构，无任何运动部件，电感的调节通过辅助励磁的方法实现，可以在高电压下以电的速度调节电感，调节范围大，精度高，可靠性高。控制器在电网正常运行时实时检测电容电流数值，调节消弧线圈远离谐振点，通常处于其下限位置，从根本上避免了串联谐振过电压产生的可能性，当电网发生单相接地后，在5ms内调整消弧线圈达到最佳补偿状态，使接地电弧自动熄灭。该装置可靠性高，采用适当的控制方式后，可以使电网中原有的方向型接地选线装置继续使用。

五、偏磁式消弧线圈补偿系统的功能特点及技术性能

1.消弧线圈结构的特点

电控无级连续可调消弧线圈，全静态结构，内部无任何运动部件，无触点，调节范围大，可靠性高，调节速度快。这种线圈的基本工作原理是利用施加直流励磁，改变铁芯的磁阻，从而达到改变消弧线圈电抗值的目的，它可以带高压以电的速度调节电感值。

2.控制方法的特点

（1）采用动态补偿方式，从根本上解决了补偿系统串联谐振过电压与最佳补偿之间相互矛盾的问题。众所周知，消弧线圈在高压电网正常运行时无任何好处，如果这时调谐到全补偿状态或接近全补偿状态，会出现串联谐振过电压，使中性点电压升高，电网中的各种正常操作及单相接地以外的各种故障的发生都可能产生危险的过电压。所以在电网正常运行时，调节消弧线圈使其跟踪电网电容电流的变化有害无利，这也就是电力部门有关规程规定“固定补偿式消弧线圈不能工作在全补偿及接近全补偿状态”的原因，一般都是工作在过补偿状态。国内其它类似的自动补偿装置均是随动系统，都是在电网尚未发生故障前即将消弧线圈调节到全补偿状态等待接地故障的发生，为了避免出现过高的串联谐振过电压而在消弧线圈上串联一个阻尼电阻，将稳态谐振过电压限制到容许的范围内，并不能解决暂态谐振过电压的问题。另外；由于电阻的功率限制，在出现接地故障后必须迅速切除，这无疑给电网增加了一个不安全的因素。

（2）不是采取限制串联谐振过电压的方法，而是采用避开谐振点的动态补偿方法，根本不让串联谐振出现，即在电网正常运行时，不施加励磁电流，将消弧线圈调谐到远离谐振点的状态，但实时检测电网电容电流的大小，当电网发生单相接地后，瞬间（约5ms）调节消弧线圈实施最佳补偿。

3.实际应用情况

根据偏磁式消弧线圈补偿系统能在电网发生单相接地后，瞬间调节消弧线圈实施最佳补偿的特点，在选型时可以留出适当的余量。

在我公司承担的青海某90万吨/年纯碱工程中，第一期工程的单相接地电容电流31.5A，考虑到二期工程的规模，选用的是100A的消弧线圈。

在我公司承担的山东某100万吨/年纯碱工程中，其第一期工程的单相接地电容电流33.5A，根据企业现有规划，考虑到二期工程和三期工程的规模，选用的是120A的消弧线圈。

电解电容范文第5篇

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芙蓉姐姐大闹网络，网上网下也为她吵翻了天。肯定者给她冠以反封建的“斗士”、张扬个性的“先锋”；中立者认为她过于自恋；唾骂者说她厚脸皮，是网络“呕像”……不一而足。

而芙蓉姐姐本人则趁着这热闹，又是要出书，又是要当主持人、拍电视等等，过去不敢想的机会都奔着她而去。

媒体还热衷于给芙蓉姐姐测未来，有说她是朝霞，还有如日中天的上升空间；又有说她是晚霞，是日落前最后的绚烂。芙蓉姐姐自己当然很是自信，说“永远有多远，就能走多远。”

芙蓉姐姐还能红多久，不是我们关注的重点。我们更关心的是芙蓉姐姐现象所折射出的更多的东西。

芙蓉姐姐首先挑战的是现行的考试制度。

芙蓉姐姐最早出现是在北大、清华的BBS上，要不不会引起这么强的反响。追捧者是北大、清华的学生，他们对现行的考试制度有一种反感的心情，不管是潜意识的或者有意识的，这时有一个人敢于这样子表现自己，心理上便产生共鸣，所以大家认可她、期待她。压制者则是北大、清华的另外一些人：你没有进入我们这个圈子，居然在这里标榜自己，你太俗气，太低调，不符合我们的格调和精英感觉。这种对立使芙蓉姐姐成为非常有趣的现象。

芙蓉姐姐作为一个没能考上清华、北大的普通学生，她本身只是一个很小的个案，不会构成一种现象，只是因为有了追捧和封杀，才构成了一种现象。

这是一种很娱乐的现象，同时它又不是娱乐的现象，它表明这个时代很多人都有信心，比方芙蓉姐姐，没有因为被多次考试打败而失去信心。我是正面看这件事的。没有成为北大、清华的学子，她无所谓，虽然没考上，依然在北大、清华的BBS上表现自我，相信自己有所长、有所好，没有觉得比北大、清华学子差。至少我不认为她有多么糟糕，总比没考上需要谁来同情她要好。

我不想对她漂亮不漂亮做出评价。作为一个女孩子来说，有一个健康的身体，一个健康的心理，最重要是她自我感觉好就行。为什么要别人定义自己漂亮不漂亮？她觉得自己漂亮就好了。过去的规则，一定要符合我们的审美要求才是漂亮的，她肯定是反其道而行之，因为她是另类，所以会有人反感她。她以美女的方式出现，就颠覆了审美规则。