高压陶瓷电容器电弧放电和漏电的诊断

高压陶瓷电容器电弧放电和漏电的诊断

抽象

高压陶瓷电容器失效通常表现为两种情况：一是产生电弧导致短路，二是形成漏电路径导致母线放电。本文推导了单次放电事件的电荷量和能量、随后的腐蚀过程以及导致漏电的绝缘性能下降。随后，本文提出了六个步骤来抑制这两种失效机制，包括局部放电屏蔽门和根据测得的初始电压制定的降额规则。

1. 引言

高压陶瓷电容器在设计范围内性能良好，超出设计范围后会以两种明显的方式失效。一种是电弧短路，通常伴有闪光和爆裂声。另一种是漏电通路，导致母线电流耗尽，干扰稳压回路，最终触发保护电路。

这两种结果并非彼此独立的问题。几乎所有失效分析都表明，它们源于同一根源：介质深处或电极边缘发生的局部放电，这种放电不断侵蚀绝缘层，直至最终导致两种失效状态之一。放电路径的方向决定了最终结果。

对激光机高压单元的故障分析揭示了故障原因的分布情况。在检查的120个陶瓷电容器故障中，55%的故障原因是电弧放电，45%的故障原因是漏电。两组故障中，80%的故障点都显示出早期放电的痕迹：碳化凹坑、电极边缘腐蚀和电痕。这些电容器并非老化失效，而是由放电导致的，而且这种放电现象已经持续数月未被察觉。

这种故障的根源在最终导致失效之前是可以测量的。本文推导了单次放电事件的电荷、能量和腐蚀情况，并提出了六个防止放电进入部件的步骤：筛选、根据测得的初始电压进行降额、趋势监测、环境控制、使用I级介质以及进行实际失效分析。

2. 核心机制

2.1 局部放电是常见原因

局部放电是指发生在空隙内部、电极边缘或受污染表面上的局部击穿。它不会使电容器短路，并且会转移少量电荷：

Q_pd = C_void × ΔV_void

其中 Q_pd 是每次事件的表观电荷，C_void 是空隙的电容，ΔV_void 是其两端的电压。

一个 0.1 pF 的空隙，在施加电场下产生 1 kV 的电压降，每次事件释放 100 pC 的能量，是 5 pC 屏蔽极限的 20 倍。该事件的能量随电荷和施加电压的变化而变化：

E_pd = ½ × Q_pd × V_applied

其中 E_pd 为每次事件的能量，Q_pd 为表观电荷，V_applied 为电容器两端的电压。

在 20 kV 电压下，100 pC 的放电事件携带 1 µJ 的能量。1 µJ 的能量本身微不足道；但每小时发生 10⁵ 次放电事件，相当于每小时 0.1 J 的能量落在几百平方微米的陶瓷表面，每次放电都会造成材料损耗。腐蚀会降低放电起始电压，因此放电速率会随着损伤的加剧而增加。

2.2 弧形路径

当腐蚀沟道达到临界尺寸时，下一个事件会跨越介质层，沟道电阻骤降。随之释放的能量就是电容器储存的能量：

E_stored = ½ × C × V²

其中 E_stored 为储存的能量，C 为电容，V 为击穿瞬间电容器两端的电压。

对于一个10 nF的电容器，在20 kV电压下会产生2 J的能量，这足以汽化通道、使本体破裂并破坏密封元件的封装。失效过程仅需几微秒，并造成短路，而导致失效的放电在此之前已经持续了数月。

2.3 泄漏路径

当放电沿着电极边缘或表面轨迹进行时，它会碳化形成电阻路径而不是短路。绝缘电阻会随着累积腐蚀而降低：

R_ins(t) = R_ins0 × exp(−k_erosion × t)

其中 R_ins(t) 为时间 t 后的绝缘电阻，R_ins0 为初始值，k_erosion 为腐蚀速率常数。

漏极电流随电阻降而变化：

I_leak = V / R_ins

其中 I_leak 为漏电流，V 为施加电压，R_ins 为绝缘电阻。

一个阻值为 10 GΩ 的新元件在 20 kV 电压下漏电流为 2 µA，电路无法检测到。当阻值降至 10 MΩ 时，同一元件的漏电流变为 2 mA，这会干扰分压比，导致输出电压偏移，并触发机器的漏电检测。漏电流的衰减过程持续数月，如果有人进行测量，则可以全程检测到。

2.4 从测得的起始电压降额

降额运行可使工作电压保持在放电起始电压以下，而额定电压的 80% 不足以满足要求。对于存在轻微空洞的零件，其放电起始电压可能低于额定电压的 80%。

指定器件在测量PDIV值60%至70%的工作电压，并要求供应商提供额定电压下低于5 pC的PD数据。低于5 pC时，每次事件造成的腐蚀量很小，因此十年寿命是可以实现的。

图 1 — 空洞每次放电 100 pC；碳化通道以电弧结束，跟踪路径以 20 kV 的漏极 2 mA 结束。

3. 工程痛点

痛点 1：电弧故障被归咎于组件

一次电弧结束了换班，损坏的电容器是显而易见的证据，因此该部件被认为是罪魁祸首。故障分析通常表明，电弧是几个月前由制造缺陷或过电压事件引发的放电的最终阶段，这表明设计裕量过小，而不是某个部件本身存在问题。

痛点二：泄漏故障看起来像是监管问题

漏电电容会导致输出电压下降，回路进行补偿后，输出电压又会下降。维护团队随后会诊断出控制器漂移或分压器故障，而漏电电容却在多次维修过程中一直留在原位。 厚膜电阻 和 采样电阻 在测量电容器之前，必须先更换分压器。

痛点3：发货测试关注的是最终状态，而不是始发状态。

生产测试涵盖电容、ESR 和高压测试（用于检测短路），但不包括绝缘性能变化趋势和局部放电。一个六个月内就会放电或一年内就会产生电弧的电容器，却能通过所有出货测试，因为这两种测试都测量的是尚未发生的故障的最终状态。

痛点 4：降额规则与部件不匹配

即使将电压降额至额定电压的 80%，仍然会导致放电驱动故障，因为起始电压取决于元件内部空隙及其端子的特性，而非其铭牌上的数值。仅凭经验法则得出的数值无法描述陶瓷内部 200 µm 的空隙，因此降额数值必须通过测量获得。

4. 设计步骤

策略一：将PD筛选作为资格门槛

要求在额定电压下进行批次级局部放电测量，阈值为 5 pC。低于 5 pC 时，每次放电造成的损耗很小，因此十年使用寿命是可以实现的。HVC 会为每个生产批次提供局部放电测试数据，该数据在部件发货前已排除放电源的影响。

策略二：根据测得的PDIV值进行减值

将工作电压设定为测得起始电压的 60% 至 70%，并将铭牌额定值的 80% 作为上限。 N4700 I 类部件，满额定功率下 PD 低于 5 pC，介质通过结构实现无放电运行，并且降额要求在铭牌数值下得到满足。

策略三：监测绝缘电阻的变化趋势

定期测量绝缘电阻，或在母线上安装连续高阻抗监测器，并根据趋势而非阈值发出警报。六个月内电阻下降 10 倍是泄漏路径的早期征兆，通常在漏电影响机器运行前两到四个月出现。

策略四：控制排放环境

放电活动会随着温度升高和表面污染加剧而增加。密封高压部分，将湿度保持在 40% 以下，并保持表面清洁。这些措施可以直接阻断表面跟踪路径，同时也能减缓为电弧路径提供能量的边缘放电。

策略一：使用 I 类介电材料

I类电介质在持续电压和温度条件下仍能保持其绝缘性能，不会出现极化疲劳和老化引起的电容损失。II类元件在直流偏置下出现的漂移现象也不会出现，这消除了高压单元中一个无法解释的性能变化来源。 薄膜电容器 局部故障后可以自我修复，但单位体积电容较低，并且存在自身的寿命终止问题，因此这是一种不同的权衡，而不是免费的升级。

策略六：分析每个失败的部分

对每个失效电容器进行剖检，在放大镜下检查失效部位，并将失效机制分类为空穴放电、边缘放电或表面跟踪放电。分类结果将录入设计数据库，同样的筛选要求也适用于其他电容器。 快速恢复二极管 并更换高压单元中的部件。这样，部件故障就变成了一次设计教训，而不是一起保修统计数据。

组件参数	典型值	测试条件
额定电压（HVCT8G系列）	10 kV DC	高压1.5倍，持续60秒
电容量	4700 pF ±20% (472M)	1 MHz，1 V rms
1 MHz 下的 ESR	低于 50 mΩ	-
回路电感（E40弦）	低于 8 nH	端子间距 40 毫米
绝缘电阻	500V直流电压下电阻大于10GΩ	25℃，60%相对湿度
温度范围	−40 °C 至 +125 °C	IEC 60068-2系列
脉冲dv/dt能力	高于 50 kV/µs	额定电压

5. 高压母线用HVC N4700电容器

这两种故障模式均源于部件内部缺陷，因此在部件发货前都会进行处理。HVC 在东莞一家占地 6,000 平方米的自有工厂生产 N4700 I 类电容器，电压范围从 1 kV 到 100 kV。

这里需要考虑的六个参数

• 额定电压下局部放电低于 5 pC。批次级局部放电筛查排除了电弧和泄漏的共同来源，因此腐蚀链在介质内部没有起始点。
• 一种致密的I类结构。N4700介质经烧结至接近完全致密，晶界得到有效控制，从而最大限度地减少了内部空隙，避免了放电的发生。
• 使用寿命期间绝缘性能稳定。I 类介质在持续直流应力下未表现出极化疲劳和老化引起的漏电流增长，因此漏极机制没有材料可以破坏。
• 已公布的降额数据。HVC 提供 PDIV 和降额曲线，使设计人员能够在测量初始电压的 60% 到 70% 的范围内进行工作，并有数据支持。
• 温度稳定性好。±30 ppm/°C 的系数和低于 0.1% 的损耗因子使部件在高压单元的热范围内保持稳定，并抑制了温度驱动的放电路径。
• 久经考验的替代产品。40 kV / 441 系列 门把手电容 是合格的直接替代品 村田 光刻光源现场维修程序中使用了螺钉式电容器，而 DUV 开发人员现在在新光源中指定使用 HVC 部件。

交付和支持

标准件发货周期为 4 至 8 周，筛选匹配件发货周期为 6 至 10 周。HVC 应用工程团队支持降额审查、局部放电 (PD) 测试设置以及对退回部件的故障分析。请提供工作电压、额定电压、工作温度、批次历史记录和故障现场照片。HVC 将在五个工作日内返回 PD 数据、降额曲线和分段报告。

6. 常见问题

Q1：一次部分放电会转移多少电荷？

一个 0.1 pF 的空隙会产生 100 pC 的电荷，该空隙会造成 1 kV 的电压降，电荷量等于电容乘以电压。这相当于 5 pC 筛选限值的 20 倍，并且在承受连续高压波形的元件上，这种情况每小时最多会重复发生 10⁵ 次。

Q2：局部放电携带多少能量？

在20 kV电压下，每次事件的能量为1 µJ，即电荷量乘以电压的一半。每小时发生10⁵次事件，这意味着每小时有0.1 J的能量落在几百微米宽的缺陷上，这就是为什么损伤会缓慢累积，最终在一次事件中完全破坏的原因。

Q3：电容器最终发生电弧放电时会释放多少能量？

储存的能量等于电容 C 乘以电压 V 的一半。一个 10 nF 的电容器在 20 kV 电压下储存 2 J 的能量，这会使通道汽化，导致电容器本体开裂，甚至可能破坏封装。

Q4：泄漏模式是如何发展的？

绝缘电阻随累积腐蚀呈指数级下降。初始电阻为 10 GΩ 的元件在 20 kV 电压下漏电流为 2 µA，而当电阻降至 10 MΩ 时，同一元件的漏电流为 2 mA，这足以改变分压比并使机器跳闸。

Q5：80% 的降额是否足以满足连续高压运行的需求？

不能单独使用，因为对于存在轻微空洞的元件，其起始电压可能低于额定电压的 80%。应将工作电压设定为测得起始电压的 60% 至 70%，并要求额定电压下的局部放电数据低于 5 pC。

Q6：对失效电容器进行分段分析能获得什么好处？

其机制如下：空隙放电、边缘放电和表面跟踪需要不同的纠正措施，失效部位的可见损伤可以确定适用哪种措施。如果没有该部件，替换件将沿用相同的设计裕量，下一个部件将以相同的方式失效。

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11. HVC应用工程团队 高压陶瓷电容器 技术资源https://www.hv-caps.com