本文關(guān)鍵詞：基于玻璃陶瓷介質(zhì)的高壓電容器關(guān)鍵技術(shù)研究

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【摘要】：高壓陶瓷電容器體積小、容量大、壽命長,在電力系統(tǒng)中得到廣泛運用,其常用鈦酸鋇類燒結(jié)陶瓷作為電介質(zhì)。鈦酸鋇類燒結(jié)陶瓷孔隙多,居里溫度離室溫近,電容器表現(xiàn)為耐壓低、局放大、溫度穩(wěn)定性差。特高壓電力系統(tǒng)的發(fā)展對電容器提出更多更苛刻的要求,特別是要求電容器具有更高的耐壓水平,更低局放量,更好的溫度穩(wěn)定性等,常規(guī)燒結(jié)陶瓷電容器已不能滿足特高壓電力系統(tǒng)發(fā)展需求。玻璃陶瓷復(fù)合材料結(jié)構(gòu)致密無孔隙,可以通過成份設(shè)計和可控結(jié)晶得到介電常數(shù)大、耐壓高、局放小的電介質(zhì)。近年來國內(nèi)外針對鈮酸鹽玻璃陶瓷材料體系研究較多,但是如何將其轉(zhuǎn)化為電容器器件報道較少。本文通過對鈮酸鹽玻璃陶瓷材料體系、電極和封裝研究,首次將玻璃陶瓷開發(fā)為特高壓電力系統(tǒng)用高壓電容器,解決了常規(guī)燒結(jié)陶瓷電容器局放高、溫度穩(wěn)定性差等問題。文章首先研究了ANb2O6-NaNbO3-SiO2體系玻璃陶瓷可控結(jié)晶、微觀結(jié)構(gòu)和介電性能的關(guān)系,其中PSNNS體系A(chǔ)位為Pb1-xSrx, PBNNS體系A(chǔ)位為Pb1-yBay, BSNNS體系A(chǔ)位為Ba1-zSrZ�？煽亟Y(jié)晶研究表明,各體系在600℃～1000℃主要存在兩個結(jié)晶峰,結(jié)合XRD分析低溫相為燒綠石結(jié)構(gòu),高溫相為鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的NaNbO3和鎢青銅結(jié)構(gòu)的偏鈮酸鹽相。結(jié)構(gòu)與性能研究表明,隨著結(jié)晶溫度升高,介電常數(shù)增加,但介電常數(shù)電壓穩(wěn)定性、溫度穩(wěn)定性有所降低。針對實際運用,文章首次提出從玻璃相角度對玻璃陶瓷進行優(yōu)化：PSNNS體系玻璃陶瓷,Pb2+在玻璃相中同時提高其耐壓水平和介電常數(shù),Al3+將損耗降至0.0078,Gd3+在保持介電常數(shù)基本不變的情況下將損耗降為0.0028。選用PSNNS體系玻璃陶瓷(直徑20mm,厚度1mm)進行電極和封裝研究。電極研究中發(fā)現(xiàn)銀漿電極與電介質(zhì)界面存在大量孔洞,從而產(chǎn)生大量局放,降低電容器工作電壓。銀漿電極樣品直流耐壓為50.0kV,交流耐壓為4.0kV；起始局放電壓1.7kV,3kV時局放量達到26.4pC。采用活性釬焊技術(shù)制備電極,界面孔隙得到解決,但是高溫高真空導(dǎo)致玻璃陶瓷脫氧。脫氧研究表明介電性能惡化是氧空位所致,補氧研究將損耗控制在0.25以內(nèi)。采用磁控濺射/錫鉛焊料電極,界面致密,導(dǎo)流能力強,直流耐壓升至60.0kV,交流耐壓升至4.8kV,局放性能也大幅改善,起始局放電壓增加為2.8kV,3kV下局放量降為6.36pC。采用Comsol軟件對電極結(jié)構(gòu)設(shè)計發(fā)現(xiàn),電極留邊量越大,厚度越低,電場畸變系數(shù)越大,從而降低電容器工作電壓。封裝研究首先對環(huán)氧樹脂各項性能進行研究,選擇合適的環(huán)氧樹脂作為封裝材料。進一步研究發(fā)現(xiàn)電容器擊穿主要發(fā)生在電介質(zhì)/電極/封裝材料三相界而處,模擬結(jié)果表明三相界面處電場畸變最嚴重。為均化三相界而畸變電場,文章首次采用高介電固體封裝技術(shù),通過提高封裝材料介電常數(shù),在保持其它性能不變的情況下,將直流耐壓提高至75.0kV,交流耐壓提高到7.5kV。非線性電阻率材料均化畸變電場研究,將電容器交直流耐壓分別提高為8.5kV、78.OkV。最后針對特高壓電力系統(tǒng)需求,基于玻璃陶瓷電介質(zhì)設(shè)計高壓耦合電容,并對其電容、損耗、交流耐壓、局部放電、溫度穩(wěn)定性、電壓穩(wěn)定性、雷電沖擊、重復(fù)充放電等性能進行研究,結(jié)果表明其性能遠超常規(guī)燒結(jié)陶瓷電容器。
【關(guān)鍵詞】：電容器 鈮酸鹽玻璃陶瓷 介電性能 局部放電
【學(xué)位授予單位】：北京有色金屬研究總院
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TQ171.733;TM53
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-14
• 1 緒論14-40
• 1.1 電容器基本物理參數(shù)14-21
• 1.2 電容器分類及運用21-23
• 1.3 高壓陶瓷電容器23-32
• 1.3.1 高壓陶瓷電容器電介質(zhì)研究現(xiàn)狀23-26
• 1.3.2 高壓陶瓷電容器電極研究現(xiàn)狀26-29
• 1.3.3 高壓陶瓷電容器封裝研究現(xiàn)狀29-30
• 1.3.4 高壓陶瓷電容器發(fā)展趨勢30-32
• 1.4 論文的研究目的、意義及主要內(nèi)容32-34
• 參考文獻34-40
• 2 制備及表征方法40-55
• 2.1 實驗所用原料及主要設(shè)備40-41
• 2.2 玻璃陶瓷制備工藝流程41-44
• 2.2.1 鈮酸鹽玻璃陶瓷成分設(shè)計41-42
• 2.2.2 玻璃陶瓷樣品的制備42-44
• 2.3 表征方法44-46
• 2.3.1 差熱分析(DTA)44-45
• 2.3.2 X-ray衍射分析45
• 2.3.3 透射電子顯微鏡(TEM)分析45
• 2.3.4 介電常數(shù)、介電損耗測試45
• 2.3.5 電容溫度穩(wěn)定性和電壓穩(wěn)定性測試45-46
• 2.3.6 電容器耐壓測試46
• 2.4 電場數(shù)值分析方法46-54
• 2.4.1 靜電場概述47-50
• 2.4.1.1 泊松方程與拉普拉斯方程47-48
• 2.4.1.2 靜電場中的定解問題48-50
• 2.4.2 準靜態(tài)電場概述50-51
• 2.4.3 平行板電容器中準靜態(tài)電場分布的數(shù)值計算原理51-53
• 2.4.4 COMSOL Multiphysics模擬電場分析53-54
• 參考文獻54-55
• 3 高壓陶瓷電容器玻璃陶瓷電介質(zhì)研究55-80
• 3.1 鈮酸鹽玻璃陶瓷體系熱力學(xué)分析55-57
• 3.2 鈮酸鹽玻璃陶瓷微觀結(jié)構(gòu)分析57-59
• 3.3 鈮酸鹽玻璃陶瓷性能研究59-63
• 3.3.1 基本介電性能分析59-61
• 3.3.2 介電常數(shù)電壓穩(wěn)定性研究61-62
• 3.3.3 介電常數(shù)溫度穩(wěn)定性研究62-63
• 3.4 PSNNS玻璃陶瓷體系優(yōu)化63-75
• 3.4.1 Pb~(2+)改善鈮酸鹽玻璃陶瓷SiO_2玻璃相研究63-66
• 3.4.2 Al~(3+)改善鈮酸鹽玻璃陶瓷SiO_2玻璃相研究66-69
• 3.4.3 雙堿效應(yīng)改善鈮酸鹽玻璃陶瓷SiO_2玻璃相研究69-73
• 3.4.4 稀土(Gd~(3+))添加改善鈮酸鹽玻璃陶瓷介電性能研究73-75
• 3.5 本章小結(jié)75-76
• 參考文獻76-80
• 4 高壓陶瓷電容器電極研究80-117
• 4.1 絲網(wǎng)印刷制備電極80-84
• 4.1.1 絲網(wǎng)印刷介紹80-81
• 4.1.2 絲網(wǎng)印刷電極微觀結(jié)構(gòu)分析81-83
• 4.1.3 銀漿電極介電性能測試83-84
• 4.2 活性釬焊制備電極84-100
• 4.2.1 活性釬料/陶瓷界面反應(yīng)85-88
• 4.2.1.1 活性釬料/陶瓷界面反應(yīng)熱力學(xué)86-87
• 4.2.1.2 活性釬料/陶瓷界面反應(yīng)動力學(xué)87-88
• 4.2.2 活性釬焊工藝88-92
• 4.2.3 活性釬焊電極微觀結(jié)構(gòu)分析92-94
• 4.2.4 活性釬焊電極介電性能測試94
• 4.2.5 PSNNS玻璃陶瓷脫氧研究94-97
• 4.2.6 PSNNS玻璃陶瓷補氧研究97-100
• 4.3 磁控濺射-低溫焊料制備電極100-104
• 4.3.1 磁控濺射-低溫焊料工藝100-102
• 4.3.2 磁控濺射-低溫焊料電極微觀結(jié)構(gòu)分析102-103
• 4.3.3 磁控濺射-低溫焊料電極介電性能測試103-104
• 4.4 電極結(jié)構(gòu)模擬設(shè)計104-113
• 4.4.1 電極留邊量對電容器耐壓影響104-109
• 4.4.2 電極厚度對電容器耐壓影響109-111
• 4.4.3 電極結(jié)構(gòu)對電容器放電速率影響111-113
• 4.5 本章小結(jié)113-115
• 參考文獻115-117
• 5 高壓陶瓷電容器封裝研究117-142
• 5.1 環(huán)氧樹脂封裝117-125
• 5.1.1 環(huán)氧樹脂優(yōu)化117-123
• 5.1.2 環(huán)氧樹脂封裝-電極匹配性研究123-124
• 5.1.3 環(huán)氧樹脂封裝固化后處理對耐壓影響124-125
• 5.2 高介電封裝均化電場研究125-136
• 5.2.1 兩相界面電磁場分析125-128
• 5.2.2 玻璃陶瓷電容器三相界面電磁場模擬128-130
• 5.2.3 封裝材料介電常數(shù)對電容器擊穿性能影響130-131
• 5.2.4 封裝材料介電常數(shù)對電容器擊穿性能影響模擬計算131-134
• 5.2.5 高介電材料(環(huán)氧)封裝研究134-136
• 5.3 壓敏材料均化電場研究136-140
• 5.4 本章小結(jié)140-141
• 參考文獻141-142
• 6 高壓陶瓷電容器設(shè)計與性能研究142-150
• 6.1 高壓耦合電容運用背景142-143
• 6.2 鈮酸鹽玻璃陶瓷基高壓陶瓷電容器結(jié)構(gòu)與性能143-144
• 6.3 溫度穩(wěn)定性與偏壓特性性能研究144-145
• 6.4 雷電沖擊性能研究145
• 6.5 充放電性能研究145-147
• 6.6 本章小結(jié)147-148
• 參考文獻148-150
• 7 結(jié)論與展望150-153
• 7.1 主要內(nèi)容和結(jié)論150-152
• 7.2 今后工作的展望152-153
• 攻讀博士學(xué)位期間取得的學(xué)術(shù)成果153-155
• 致謝155-156
• 作者簡介156

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