2014 四月

用于智能电表的高温高湿型X2薄膜电容器

湿热环境下仍稳定可靠

全球的电力企业正在逐步普及智能电表以便实现自动读表并优化能源管理。爱普科斯 (EPCOS) B3293*高温高湿型X2薄膜电容器系列的电容器即使在极端环境条件下仍然能够长期可靠运行,非常适合这类智能电表应用。

为节省定期上门抄表的人力成本,越来越多的电力公司开始部署自动抄表系统 (AMR) ,智能电表数量增长迅猛。近乎实时的用电量信息能进一步帮助电力公司和用户更好地控制发电量和用电量。

大约40%的电表装设在户外,暴露于极端及剧烈波动的温度和湿度条件下。户外安装对结构较简单的传统机械式电表影响不大,但是对电子式的智能电表提出了严峻的挑战。智能电表一般都采用阻容降压式电源。作为核心元件的交流电容器永久地串联在电力线上。在高湿高温条件下,这种连接会大幅降低传统电容器的容值,从而严重影响它们在智能电表中的使用寿命。

通常这位置都会选择具有安全认证 (UL、ENEC) 的EMI抑制电容器。但标准EMI抑制电容器并非专为这种应用而设计的。

新型高温高湿型X2系列

对于元器件厂商的挑战是如何开发一种在任何气候条件下都能长期保持电容值稳定的电容器。这也正是爱普科斯 (EPCOS) B3293*高温高湿型X2薄膜电容器的研发目标。该系列电容器将在交流负载和苛刻环境条件下保持电容值的高度稳定性,小巧外形,同时具有X2级安全认证。

尽管安规对这个位置的电容器并没有特定的要求,但通常这种应用首选通过IEC 60384-14和UL 60384-14认证的X2电容器。不过X2电容器是与电源线并联连接来抑制电磁干扰的,而在阻容降压电源中电容器是与负载串接的(图1)。

图1:X2电容器的使用

X2电容器专门设计用于与电源线并联运行(左)。而在智能电表的阻容降压电源中,电容器为串联。

暴露于潮湿和/或相对高温的不利环境中并在交流电压的作用下,可能会引起薄膜金属镀层氧化,从而导致容值下降(图2)。

图2:塑料薄膜上的金属镀层开始氧化

高湿高温加上交流电压可能会引起薄膜金属镀层氧化,导致容值下降。浅蓝色的区域表示金属镀层氧化。

智能电表电容器的三重危险

在智能电表中,电容器暴露于三重危险之下:

  • -持续的交流工作电压
  • 高温
  • 高湿

因此,B3293*高温高湿型X2薄膜电容器的设计挑战在于如何在这些传统电容器难以承受的条件下实现较高的耐用可靠性和极低的电容容值衰减。

耐高温高压设计

为了避免交流高压引起金属镀层氧化,B3293*系列电容器采用不同的金属薄膜,在内部形成两串联的电路结构,使每一部分的交流电压减半(图3)。这是很重要的设计,他不仅大幅减缓了电容容值的衰减速度,而且还提高了电容的安全性。

图3:新型爱普科斯 (EPCOS) B3293* 系列的薄膜镀层结构图

爱普科斯 (EPCOS) B3293*系列电容器的内部结构形成两个电容器的串联连接,因此两个电容器各承受一半电压。

金属化薄膜电容器是一种安全性很高的电容器,这是由于其在过压产生介质击穿时,薄膜薄弱点处的金属镀层会被蒸发,从而产生自愈性。这类电容器是唯一满足高电容值、高峰值电压、高温 (105 °C) 及X2安全级别(耐受高达1000V过电压)要求的合适选择。由于该产品的介电强度高,用户无需在电路中使用体积过大的电容器。

X2级EMI电容器一般采用聚丙烯 (PP) 膜。而B3293*系列则采用PET膜,这种介电材料的介电常数为3.3,比PP膜高50%。此外,PET膜也更耐高温,可将电容器的工作温度提高至125°C。

不受高湿度影响

如何提高耐湿性是电容器的另一个关键要求。为防止湿气进入元器件内,B3293*系列采用特殊的盒子,填充树脂以及端面金属喷涂材料。不过最重要的改进还是薄膜金属镀层未采用金属锌。锌常用于X2和交流电容器中,对湿度极其敏感,因此在用于户外电表时很容易由于恶劣的环境而被氧化。因此,B3293*系列的薄膜金属镀层经过优化,耐湿性更出色。

凭借这些特殊设计,B3293*系列电容器即使在最苛刻的条件下仍具有极高的电容稳定性并达到X2级电容器必须满足的超高安全要求。

长期可靠性经过严格试验得到确认

在85 °C, 相对湿度85%, 交流电压275 V的测试条件下,B3293*系列在运行1000小时后电容衰减低于2%,而传统X2电容器在运行500小时后电容衰减就超过10%(图4),印证了其性能的大幅提升。事实上,在相同测试条件下运行2000小时后,电容衰减仍低于2%。

图4:爱普科斯 (EPCOS) B3293*高温高湿型X2和传统X2电容器的电容衰减比较

在标准测试环境(85 °C,相对湿度85%,275 V AC)下,爱普科斯(EPCOS) B3293*系列高温高湿型电容器在持续稳定运行1000个小时后电容衰减低于2%。

此系列产品的可靠性在耐久试验中也得到了验证,满足IEC 60384-14标准以及智能电表的严格要求。IEC 60384-14标准规定,在该气候类别的最高温度和1.25倍额定电压下运行1000小时后最大电容漂移不能超过10%。在这些极端条件下B3293* 系列2.2μF电容器的电容衰减远低于允许的10%公差范围(图5)。

图5:爱普科斯 (EPCOS) B3293*高温高湿型X2在极端条件下的耐久性试验结果

即使在较高的温度和电压条件(105°C,305V AC)下,EPCOS B3293*的容值衰减也低于6%。

B3293*耐用系列提供一系列新型交流薄膜电容器,其额定电压为305V,工作温度高达105°C,电容范围为47 nF 至2.2 μF。电容在2.2μF及以下的型号都满足甚至超过IEC60384-14标准对X2电容器的安全认证要求。此外,EPCOS电容有望成为首个获得UL新标准60384-14认证的产品。凭借在高湿条件下的出色可靠性,这类电容器非常适合日益增多的智能电表。其他应用还包括传感器、家用电器、卷帘门等需要低电流、高性价比电容式电源的产品。

表:爱普科斯 (EPCOS) B3293*高温高湿型X2电容器的关键技术数据

技术

MKT 卷绕、内部串联连接结构

气候分类

40/105/56 (−40 °C/+105 °C/56天 湿热试验)

被动阻燃性等级       

B

电容范围 [µF]

0.047 至 2.2 µF

额定电压[V AC]
(IEC 60384-14)

305 (50/60 Hz)

最高工作温度 [°C]

105

引线间距

15 至 37.5

安规认证(至2.2 µF)

IEC 60384-14 / EN 60384-14
UL 60384-14

湿热测试

温度 [°C]

85 ±2

相对湿度(RH) [%]

85 ±2

试验时间 [h]

1000 / 2000

电压值 [V AC, 50 Hz]

240

湿热试验后的极限值

电容漂移 (ΔC/C) [%]

≤ 10

耗散因数漂移 (Δ tanδ)

≤ 5 ∙ 10-3 (1 kHz 下)

绝缘电阻 Rins [%]

≥ 50 最小值或

时间常数 τ = CR ∙ Rins

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