图1 薄膜电容器结构及劣化腐蚀点示意图[16]
Fig.1 Schematic diagram of structure and deterioration corrosion point of film capacitor[16]
摘要 薄膜电容器可用于柔性直流换流阀、武器装备脉冲功率系统等多种大功率应用场合，其性能直接关系到整个系统的可靠性。薄膜电容器长期承受着电、热、机械等多物理场作用，其劣化问题不容忽视。该文基于薄膜电容器用聚丙烯材料，首先，总结了聚丙烯薄膜材料在多物理场下的电荷输运行为、局部放电、电容量变化和击穿特性等；其次，分析了不同老化过程，包括热老化、电老化、机械应力作用、多物理场耦合老化等对聚丙烯薄膜材料特性的影响规律；然后，从局部放电、介电特性、电容值等方面归纳了薄膜电容器老化的诊断方法，梳理和总结了薄膜电容器的寿命预测方法；最后，对薄膜电容器材料劣化机理及检测技术的相关研究提出了展望。
关键词：薄膜电容器 聚丙烯 劣化机理 诊断方法 老化
能源是人类社会生存和发展必不可少的资源，随着科学技术的飞速发展，各种能源不断被开发利用[1]。由于电力系统的不断发展，对能源的利用提出了多时间尺度上的要求，而储能技术能够在时间尺度上提高系统运行的灵活性和可靠性[2-4]，成为电力系统中不可或缺的一部分。一方面，由于可再生能源的波动性，需要配备储能系统以便更好地消纳可再生能源；另一方面，发电量和用电量存在差异，需要储能系统来维持供需平衡[5-6]。另外，储能涉及发电、输电、配电、用电等各个环节，是新型电力系统的重要组成部分，也是高端电力设备、武器装备发展的重要技术[7]。
电容器储能具有高功率、高效率、较高储能密度和经济优越性等优点，其应用范围越来越广。电容器储能有250多年的发展历史，其中聚丙烯薄膜电容器在功率密度、耐受场强和设备寿命方面的优势突出，且具有介质损耗低、发热量低、自愈性好、体积小和机械加工性好等优点，是高功率脉冲电源、柔性直流换流阀支撑电容器等的首要选择[8-13]。
薄膜电容器结构及劣化腐蚀点示意图如图1所示。薄膜电容器由两张表面蒸镀金属膜的双向拉伸聚丙烯（Biaxial Oriented Polypropylene, BOPP）薄膜组成的平板电容器卷绕而成，两边分别留出空隙，靠近电极侧的薄膜经过喷金处理，相当于引出电极。一般卷绕的长度可达数百米，层数可达数千层，每个金属电极在卷绕的过程中不仅和同时卷绕的异性电极形成电容，还和刚卷绕完成的最外层薄膜上的异性电极形成电容，其电容量是平行板电容器的两倍[14-16]。
图1 薄膜电容器结构及劣化腐蚀点示意图[16]
Fig.1 Schematic diagram of structure and deterioration corrosion point of film capacitor[16]
薄膜电容器在充放电过程中，承受着高脉冲电场作用，再加上热、机械应力等多物理场作用，使得电容器材料容易劣化，甚至击穿[17-18]。特别地，在武器装备的脉冲功率系统中，薄膜电容器承受着更大电压、更大容量、更高变化率的脉冲冲击电压和电流[19]，严重威胁脉冲功率系统的工作可靠性。在多物理场以及复杂的时空交互作用下，薄膜电容器的劣化机制及其影响因素十分复杂。厘清薄膜电容器的劣化机制，掌握影响薄膜电容器劣化的关键参数，可为薄膜电容器的设计和运维、材料的工艺改进提供重要理论支撑，是非常有必要的。
通过测量材料的相关状态参量，可以对薄膜电容器的状态进行检测，例如，电容值、局部放电、绝缘电阻和介质损耗等[20]，此外，也可以结合数学、物理方法对薄膜电容器寿命进行预测。然而，由于薄膜电容器的绝缘状态受到生产工艺和运行工况的影响，实际工作环境复杂，劣化机理不明，现有的状态检测和寿命预测方法的可靠性和应用性仍需进一步梳理和探究。
本文针对薄膜电容器用聚丙烯材料，首先梳理了聚丙烯薄膜材料电气性能的参数表征方法，包括空间电荷、局部放电、电容量变化和击穿特性；其次，介绍了不同老化方式对聚丙烯薄膜材料的影响，包括热老化、电老化、机械应力作用以及多物理场耦合老化；再次，总结了薄膜电容器老化的诊断方法，包括局部放电检测法、极化去极化电流（Polarization and Depolarization Current, PDC）法、介质损耗角正切检测法和电容检测法；然后，从传统概率统计方法、考虑性能退化的概率统计方法和基于机器学习的方法等方面对寿命预测方法进行了归纳；最后，对薄膜电容器材料劣化机理及检测技术相关研究提出了展望。
多物理场作用下，空间电荷在薄膜电容器材料内部产生、积聚并消散，导致材料内部电场畸变，引发局部放电，产生自愈现象，甚至击穿。当电场足够大时，短期内电容器中的电弱点自愈导致其性能迅速下降，使得电容器失效或击穿；而当电场较低时，电容器会经历长期老化阶段，随着介质中缺陷的不断发展，劣化逐渐累积，最终导致绝缘性能下降，甚至失效[21]。薄膜电容器材料劣化全过程示意图如图2所示。本节对薄膜电容器材料电气性能的参数表征方法进行总结，包括空间电荷、局部放电、电容量变化与击穿特性四个方面。
图2 薄膜电容器材料劣化全过程示意图
Fig.2 Schematic diagram of material deterioration of film capacitor
1.1.1 空间电荷
空间电荷的注入和脱陷是聚合物劣化的主要因素。电荷注入导致的高能粒子或射线会攻击聚合物链，虽然会使聚合物大分子链断裂，材料降解，导致自由体积增加，引发介质中孔隙的形成，但是总体来说这一过程中电能、机械能对介质的影响较弱；空间电荷脱陷时释放的电机械能是导致聚合物劣化的重要因素，尤其是在外界因素突然变化时，陷阱电荷的能量如果可以在小于晶格驰豫时间内释放出来，就足以破坏聚合物组成键，造成绝缘材料性能下降甚至被击穿[22]。在脉冲放电下，大脉冲放电过程为空间电荷的注入与脱陷提供了足够多的机会[22]。在脉冲放电阶段，内部绝缘中发生强烈的空间电荷注入、脱陷等现象，使绝缘性能迅速下降[23]。反复的入陷、脱陷，将引起聚合物降解，最终击穿破坏[22]。Wu Guangning等将未老化电容器与经脉冲电压老化电容器的一些参数进行比较发现，老化电容器中的材料比未老化电容器中的材料能够捕获更多的空间电荷，即老化后的电容器会积累更多的空间电荷，认为空间电荷是导致电容器击穿的直接因素[24]。
材料本征参数等会影响空间电荷的注入和脱陷。H. M. Umran等指出，介质中空间电荷的形成取决于半结晶聚合物的结晶形态、膜厚以及微孔和空腔等物理缺陷，该团队研究了聚丙烯薄膜的微观结构、表面形貌、力学性能和缺陷对其性能的影响，发现薄膜的结晶度和缺陷对薄膜的阈值电场、空间电荷的形成、漏电流和局部放电起着重要作用[25]。Zheng Feihu等研究发现，对于半结晶聚合物，由于负亲和作用，注入的电荷主要在非晶区输运，导致结晶度较低的聚丙烯薄膜中空间电荷迁移率更大[26]。热老化也会对材料的结构产生影响，从而影响空间电荷的注入和脱陷。刘宏博等发现热老化后聚丙烯薄膜的结晶度和片晶尺寸均增大，且老化温度越高，上升幅度越大[27]。Zhang Ling等发现随着热老化时间的增加，百μm级厚度的聚丙烯材料内部的载流子迁移率及空间电荷注入的陷阱深度呈现先减后增的趋势，如图3所示，而表面载流子迁移率呈现先增后减的趋势，老化200 h后表面载流子迁移率从6.64×10-16 m2/(V⋅s)增加到1.45×10-15 m2/(V⋅s)，增加了118%[28]。
图3 不同热老化时间下聚丙烯薄膜极化60 min（施加-100 kV/mm电场）的空间电荷分布[28]
Fig.3 Space charge distribution of polypropylenefilm polarized for 60 min under applied −100 kV/mm with various thermal aging durations[28]
另外，外部的温度、脉冲频率和外加电场等也会对空间电荷的注入和脱陷产生影响。Zheng Feihu等研究了聚丙烯薄膜在不同工作温度和直流电场作用下的空间电荷行为，发现电荷密度随着外加电场的升高而增加。在室温下，直流电场作用下的聚丙烯薄膜中出现了不对称的双极性空间电荷注入，随着实验温度的升高，负电荷的积累逐渐占优势[29]。Du Boxue等研究发现，在直流电压下，空间电荷的积累与温度无关；在直流叠加脉冲电压下，空间电荷的积累与温度有关，而温度和电场都会影响两种电压下材料内空间电荷的衰减[30]。Li Hua等采用热刺激电流法测量电容器薄膜绝缘介质内部的空间电荷特性发现，与高频相比，低频下电荷有足够长的时间深入材料内部，因此材料中的电荷量随着脉冲放电重复频率的降低而增大。另外，频率较低时，BOPP薄膜的退化会加速，导致严重的电容损耗，介质的老化也会产生更多缺陷，这会给材料引入新的陷阱，使陷阱的深度和密度随着脉冲放电重复频率的降低而增大。与未经充放电的电容器相比，经过0.1 Hz和10 Hz充放电后的电容器的陷阱电荷密度分别增加了66.1%和31.5%，而二者的深陷阱能级分别为1.83 eV和0.94 eV，相差近一倍[31-32]。王文娟同样发现，频率越低，充放电过程中注入的空间电荷越多，造成陷阱深度和密度越大[33]。
在仿真方面，随着空间电荷输运模型的建立和仿真计算技术的发展，研究者开始尝试利用空间电荷输运过程仿真计算来研究聚合物的电荷输运机理。Li Guochang等建立了聚丙烯薄膜内部的电荷输运仿真模型，发现随着高压电场的持续作用，大量空间电荷将会由电极注入，并不断向薄膜内部迁移[34]。Dai Xiying等基于双极性载流子输运模型，对聚丙烯薄膜电容器内的电荷及电场分布进行仿真，发现高温下自由电子密度有所增加，进而提高了聚丙烯的击穿概率[35]。此外，国内外研究学者建立了考虑空间电荷行为的绝缘材料老化演变模型，能够较好地解释电压、温度、厚度、纳米电介质等对击穿场强的影响[36-39]，相应的研究显示了介质老化过程中空间电荷的动态过程，便于从微观上了解空间电荷对材料老化过程的影响。在绝缘劣化机理仿真方面，国内外先后提出了NPW模型、WZ模型、NKL模型、三维分形仿真模型、确定性混沌模型、局部放电模型、相场模型等[40-42]。
然而，受限于测量原理和激励机制，目前传统的空间电荷方法，如电声脉冲法和压力波法等，其最大空间电荷测量分辨率仅达μm级别[43]，无法满足数μm厚薄膜材料的空间电荷测量需求，这使得目前对μm级薄膜电容器材料空间电荷分布特性的研究鲜有报道。此外，绝缘材料劣化与空间电荷、局部放电等相互作用，反复叠加，从电荷出现到劣化发展甚至击穿，各个物理过程的时间尺度差别较大，考虑多物理过程耦合的薄膜电容器材料劣化过程模拟研究较为匮乏。
1.1.2 局部放电
局部放电通常发生于材料内部电场畸变的缺陷部分，主要通过化学作用和物理高能粒子的轰击两种方式造成绝缘材料性能劣化，是个极其复杂的过程，往往受很多因素影响[44]。一方面，电容器内部存在诸多固有缺陷，从而容易在电压作用下形成电场畸变，引起剧烈的局部放电现象，尤其是电极边缘区域的各种绝缘缺陷（如电极边缘的毛刺、毛刺造成周围固体绝缘介质的结构损伤）[45]；另一方面，空间电荷的积聚也会造成电场畸变。薄膜电容器的局部放电通常发生在大电流脉冲放电阶段，因此脉冲放电时更容易达到局部放电所需要的阈值电场。通过脉冲电压下的实验发现，脉冲放电时，电压极性快速反转，而腔内电荷的分布不能在短时间内发生变化，二者叠加使电容器内电场增强，局部放电更容易发生，并且在老化实验中，局部放电是加速绝缘退化的主要原因，也是导致电容器击穿的关键因素[24]。
诸多学者针对聚丙烯薄膜材料的局部放电的不同影响因素展开了研究。Mi Yan等研究了纳秒脉冲电压下，不同的电压上升速率对聚丙烯薄膜局部放电特性的影响，发现电压上升速率增大到一定值时，重复局部放电起始电压迅速降低，局部放电幅值、放电次数和局部放电时滞均与电压上升速率密切相关，且在临界值50 V/ns两侧，局部放电统计特性的变化速度明显不同。在低于50 V/ns时，局部放电统计特性变化迅速，而在高于50 V/ns时，局部放电统计特性变化缓慢[46]。Liu Haoliang等研究了磁场作用下聚丙烯薄膜的局部放电特性，发现局部放电的参数与磁场强度、电场和磁场之间的夹角有关。随着磁场强度的增大，局部放电起始电压降低5%～12%；垂直于电场的磁场与平行电磁场的作用效果有所差别，前者条件下材料的局部放电起始电压比后者低约5%[47]。M. Kurimoto等研究了具有不同表面粗糙度的聚丙烯薄膜材料的局部放电特性，发现放电次数、放电幅度及劣化产物没有显著差异，但是表面粗糙的聚丙烯薄膜材料更容易被局部放电损坏[48-49]。
1.2.1 电容量变化
电容量减小是金属化膜电容器老化的主要表现之一，而电容的下降主要是由其自愈导致的。金属化薄膜电容器的特殊结构使其具有自愈能力。由于生产工艺等原因，薄膜材料难免存在杂质或缺陷区域，从而容易形成电弱点。当外加电压达到局部放电阈值电压时，在薄膜中的电弱点处首先击穿形成放电通道，电荷通过放电通道形成大电流，产生焦耳热，使得局部温度升高，周围金属层受热蒸发向外扩散。随着去金属化区域变大，当注入的功率密度低于某一临界值时，等离子体放电电弧熄灭，电容器绝缘恢复，完成一次自愈过程[50-52]。金属化聚丙烯薄膜的自愈合点及微观形貌如图4所示。图4中，UN为电容器额定电压。持续性的放电会使自愈失败，从而导致故障发生。金属化薄膜电容器的自愈失败以一次较大的自愈过程为先导，继而在短时间内发生频繁自愈过程，最终自愈失败[53]。
图4 不同电场强度下金属化聚丙烯膜自愈合点及微观形貌[54]
Fig.4 Self-healing points and SEM images of metallized polypropylene films under different electric fields[54]
自愈过程会受到内部因素和外部因素的影响。内部因素包括层间压强和金属化膜方阻等。金属化膜电容器外层压力小于内层压力，自愈时外层的清除面积和自愈能量大于内层[55]，且层间压强和金属化膜方阻越大，自愈能量越小，电容量损失越低[56-57]。外部因素包括温度和电压等。王荀等研究了金属化膜在不同温度下的自愈特性，发现随着温度的升高，自愈电流、自愈持续时间及自愈能量减小。此外还对比了交直流电压下的自愈参数，并指出直流电压条件下的自愈电流峰值和自愈能量相对更低，直流电容器能够在比同等条件下交流电容器电压峰值更高的电压条件下运行[58]。许多学者研究发现金属化膜自愈能量与外施电压呈正比关系[59-61]。李志元等基于图像识别技术提取了大量自愈点形貌参数，发现不同直流电压幅值下自愈点形貌参数的变化规律存在电压临界值，在电压临界值以下，自愈点数量多且自愈面积小，而在电压临界值以上情况相反。另外，电容器外层自愈面积比内层的大，自愈点数量比内层的多，这是由内外层压强不同以及卷绕过程中出现的应力不均匀分布所致[62]。还有研究表明薄膜电容器的退化与环境湿度有关，湿度越高，电容量下降速度越快[63]。
自愈发生和发展过程等可通过测试外部参数来判断。王意飞等通过声压测试法，采用声压麦克风阵列技术，判断自愈次数，并实现了声源定位[64]。毛伟等在被测电容器两端并联储能电容器，自愈发生时，并联电容会给被测电容补偿电荷，从而形成脉冲电流，通过监测这一电流作用于采样电阻而形成的脉冲电压，来测试自愈造成的能量损失，电路简单，且测试精度较高[65]。
单次自愈会使金属层面积减小，对电容量造成极微小的损失，不断的自愈会使电容量不断降低，下降量超过阈值时电容器退化失效[66]。通常以5%的电容量损耗为工作寿命终止指标[67]。不同直流电压下电容变化率随时间的变化如图5所示。
图5 不同直流电压下电容变化率随时间的变化[54]
Fig.5 Change of the capacitance ratio with time under different DC voltages[54]
电容的变化规律与所施加电压的形式有关。杜一鸣等对比了金属化薄膜电容器在交流、直流电压下电容值的下降规律，发现直流电压下电容值在前半段下降较快，后半段趋于平缓；而交流电压下电容值下降规律则刚好相反，这是由于在交流、直流电压下的不同劣化机理造成的。直流下电容值的下降主要是由自愈放电导致金属镀膜的有效面积减小引起的，而交流下电容值的下降主要是由金属镀层在气隙和水分的作用下通过电化学腐蚀转变成不导电的金属氧化物而导致的[16]。P. Mach等对比了金属化聚丙烯薄膜电容器在正弦和非正弦电压下的老化规律，发现在非正弦电压作用下，电容器的老化速率比在正弦电压下的略高，这是由于在非正弦电压作用下，薄膜电极退化较快或电容器内部某些区域的温度较高[68]。电容器结构也会影响电容损耗，由于外层结构较松散，空气较多，局部放电引起的自愈概率更大，且层间压强低，清除能量高，所以大部分的电容损耗发生在外层[69]。还有研究表明电容的变化与金属化膜中铝的含量有关，铝金属化程度较低的电容器具有较好的电容稳定性[70]。另外，M. Makdessi等提出了一种基于电容退化的金属化膜电容器老化规律，并通过实验结果外推，得到了不同温度和电压下的参数，可作为诊断电容器老化状态的工具，防止电容器在工作期间失效[71]。
1.2.2 击穿特性
由于聚丙烯分子链中不含极性基团，因此其本征击穿场强很高，BOPP薄膜的局部击穿场强可达700 kV/mm以上。但在实际应用中，电容器内部绝缘会承受多种因素的共同作用，影响BOPP薄膜击穿的不仅是薄膜本身，还包括制造工艺、运行工况等。在各种因素作用下，电容器内部绝缘缺陷逐渐积累，最终导致击穿[23,72]。聚丙烯薄膜材料的缺陷包括以下几个方面：①生产过程中引入的气泡、杂质等，包括残存的化学试剂因团聚引起的杂质[73]；②在无定形区分子链排列杂乱无章，薄膜内部存在微孔、链的弯曲错位、结晶区与非结晶区的界面等缺陷[74]；③在工作过程中受到电、热等因素的影响，会产生新的缺陷[73]。这些缺陷会影响电荷输运过程，进而影响电场分布，导致击穿场强下降。
电压形式对聚丙烯薄膜材料的击穿特性有较大影响。许然然研究了直流叠加谐波以及高温与直流叠加谐波耦合作用对聚丙烯薄膜材料击穿特性的影响，发现谐波次数、频率和幅值的增加会加剧电荷的注入、脱陷行为，对材料分子链的破坏更严重，从而使击穿电压下降[74]。程璐等指出在直流与谐波耦合作用下，谐波含量的增加会使聚丙烯薄膜击穿电压下降[75]。司马文霞等开展了冲击电压下聚丙烯薄膜累积失效特性研究，发现冲击电压对聚丙烯具有明显的累积效应，标准冲击电压作用下的电压-脉冲数量特性曲线如图6所示。冲击电压作用下聚丙烯薄膜累积击穿次数与电压幅值的关系满足Weibull分布模型，而且在一定范围内，聚丙烯薄膜材料对冲击电压累积作用的耐受能力随着波前时间的减小或波尾时间的增大而下降[76]。Zhang Chuansheng等研究了脉冲频率对聚丙烯薄膜材料击穿性能的影响，发现随着频率增加，聚丙烯薄膜材料所承受的脉冲次数呈指数下降，在高脉冲频率下，聚丙烯薄膜材料更容易击穿[77]。此外，交直流电压比例对击穿电压和击穿相位分布也有影响，当交直流电压比例小于1时，击穿电压几乎没有变化，击穿发生在正半波且集中在峰值附近；当交直流电压比例大于1时，击穿电压随交直流电压比例的增大而明显减小，且负半波有击穿发生[78]。
图6 标准冲击电压作用下的电压-脉冲数量特性曲线[76]
Fig.6 Voltage-number of pulses characteristic curves under standard impulse voltage[76]
高温下的击穿行为与室温下也有所不同。M. Ritamaki等提出了一种大面积高温击穿测量和老化试验方法，利用大的测量区域来反映关于薄弱环节的形成以及电热老化后击穿行为细微的变化，通过这种方法发现室温下击穿性能相似的两种聚丙烯薄膜在高温击穿测试、热老化和电-热老化测试中存在差异。在100℃的高温击穿测试及热老化后的击穿测试中，其中一种薄膜的击穿电压略高，但在电-热老化后的击穿测试中，结果刚好相反[79]。虽然产生这些差异的原因还有待探究，但这些结果强调了在材料开发过程中高温及老化试验的重要性。许然然发现温度的升高会使击穿电压下降，这是由于一方面高温会给电荷提供更多能量，使材料内部自由载流子增多，加剧碰撞电离过程；另一方面高温使分子链运动，导致试样内部自由体积增大，载流子在运动过程中获得更多能量，撞击时对分子链的破坏力增强[74]。M. Ritamaki等同样发现聚丙烯薄膜的失效率随着温度的升高而增大[80]。
薄膜材料的结晶度在电击穿行为中也起着关键作用。J. Kurimsky等发现聚丙烯薄膜处于最佳结晶度时可以提高薄膜的击穿强度，延长薄膜的寿命[81]。Lu Junyong等通过对比不同厂家生产的聚丙烯薄膜的性能发现，结晶度越大，击穿电压越高，这是由于结晶度大的BOPP薄膜微观结构致密，缺陷面积少，有利于提高击穿强度[82]。马宇威等同样发现结晶度高的薄膜直流击穿强度高，并指出结晶度较小的样品其分子链段运动的活化能低，链段运动性强，自由体积更大，使得电子在自由体积中容易获得更多能量，从而撞击分子链，引发绝缘失效[83]。程璐等对聚丙烯薄膜进行小面积电极击穿试验，分析了其击穿特性，发现老化后的聚丙烯薄膜整体的击穿场强只有微小的降低，而在原本未老化薄膜的低击穿场强区域，击穿场强在老化过后出现了显著的降低，这是由于聚丙烯薄膜的电弱点位于非结晶区，而结晶区比非结晶区更加稳定，老化过程对非结晶区的影响更为明显，会使非结晶区原本的电弱点变得更“弱”，导致击穿性能的退化主要体现在击穿场强在老化前就较低的部分[84]。
薄膜电容器在运行过程中会受到电、热、机械应力等作用，这些因素都会引起薄膜材料发生老化过程，进而影响其电气性能。本节总结了不同老化过程（热老化、电老化、机械应力作用、多物理场耦合老化）下聚丙烯材料特性的变化规律。
热作用是限制薄膜电容器长期稳定运行的关键因素之一。在电容器放电阶段，外电路中会有极大的峰值电流流过，产生焦耳热。温度的升高会使陷阱中的电荷更容易脱陷，从而导致电导损耗增加，温升和损耗增加的恶性循环严重影响了电容器的安全可靠工作。薄膜电容器长期工作在70～80℃的环境中，局部温度最高可达100℃以上，可能造成绝缘材料分解，生成副产物，并导致该处绝缘性能降低[23,85-86]。而热应力通常不会直接导致薄膜介质击穿，但是会加速其劣化过程[24]。
热老化会引起聚丙烯薄膜微观结构和宏观性能的变化。T. Umemura等发现热老化会使聚丙烯薄膜中的部分非晶相晶化，使薄膜的晶化程度增加，进而体现在材料介电和导电性能上，表现为初级弛豫损失峰的增加和离子传导损失的增加[87]。热老化会改变聚丙烯薄膜表面的微观结构，不同热老化时间下聚丙烯薄膜的自适应中值滤波（Adaptive Median Filter, AMF）图像如图7所示。He Yushuang等对电容器整体进行老化并拆解，然后对薄膜进行性能测试发现，热老化会导致聚丙烯薄膜分子链断裂，产生一些极性片段和基团；铝电极在热老化中会被部分氧化为氧化铝。氧化铝会吸引聚丙烯薄膜中的极性基团，导致两层金属化聚丙烯薄膜之间的不均匀粘附，如图8所示。这种形貌变化会增加局部放电现象，进而影响电容器的稳定运行[88]。热老化还会影响聚丙烯薄膜的力学性能。P. Mach等指出在高温下电容器材料会发生膨胀，由于聚丙烯薄膜和金属层的热膨胀系数不同，会在薄膜中产生一种应力，进而导致金属膜上产生微裂纹，使电容器的损耗增加[89]。S. P. Cygan等发现当聚合物薄膜受到多应力老化时，其力学性能的变化远大于介电性能的变化，且热应力会使材料的断裂伸长率和拉伸强度等力学性能有所提高[90]。
图7 不同热老化时间下聚丙烯薄膜的AFM图像[88]
Fig.7 AFM images of the polypropylene film at different aging states[88]
图8 两层金属化聚丙烯膜不均匀粘附示意图[88]
Fig.8 Nonuniform adhesion of two layers of metallized polypropylene film[88]
薄膜电容器在直流下缓慢充电，在短时间内大脉冲放电，因此其承受着长期直流电压和短时脉冲电压的作用。强电场或复杂电场作用下的电荷输运行为和介质损耗的增加会加速聚丙烯薄膜的劣化，缩短电容器的使用寿命[86]。不同种类的电压以及电压的不同参数会影响电容器的老化性能。P. Mach等指出在非正弦电压作用下，电容器的老化速率比其在正弦电压作用下的老化速率高[68]。杜一鸣等发现电容器在直流和交流下的劣化机理是不同的，直流下的劣化主要是聚丙烯薄膜的自愈，金属层蒸发，导致电极面积损失；而交流下的劣化主要是金属层与杂质的电化学腐蚀[16]。司马文霞等认为在冲击电压的老化作用下，聚丙烯薄膜的绝缘性能与冲击电压累积作用数、波前时间和波尾时间相关，随着波前时间的减小或波尾时间的增大，薄膜的击穿电压和所能承受的累积击穿次数逐渐减小[76]。
不同幅值电压下电容器的老化规律也不相同。Cheng Lu等对超高直流电场下（300～400 kV/mm）金属化膜电容器的老化进行了系统的研究，发现在中等电场下，电容器的电容衰减呈现两段不同速率的衰减过程，当电场增加到一定值时，在老化过程开始时电容器的电容就迅速下降，这表明存在一个电压阈值，在阈值以下薄膜的老化占主导地位，而在阈值以上，电弱点的快速击穿和自愈面积的急剧增加占主导地位[54]。Li Zhiyuan等在直流叠加谐波下对金属化膜电容器进行老化，并拆解电容器，从设备和材料两方面研究其失效机理，发现谐波的存在加速了电容器的失效，表现为电容损耗更大，寿命更短。但BOPP薄膜在单纯直流下的劣化更严重，表现为更明显的分子链断裂和聚集态结构劣化[91]。此外，电老化和热老化的作用效果会受到电场强度的影响。P. Cygan指出当电场强度远低于介质的击穿场强时，热老化是影响介质性能的主要因素；而在高电场应力下，电老化的影响更占优势[92]。
由于受到工艺条件的限制，聚丙烯薄膜材料在生产过程中会受到各种机械应力的作用，尤其是在拉伸、分切、卷绕过程中，难免会受到不均匀的机械应力，这会造成薄膜材料产生皱褶、条纹或硬伤等，甚至造成机械缺陷，成为材料中的电弱点[23]。元件中的皱褶会使元件击穿电压下降5%～10%，使局部放电电压下降50%以上[93]。此外，介质所受的电场力或磁场力也会导致一定的机械应力。无论是内部应力还是外加应力，都会影响薄膜材料的局部放电、空间电荷输运等过程[22]。但是目前关于机械应力老化对薄膜材料性能的影响研究较少。彭倩等发现随着机械应力的增加，薄膜材料的放电起始电压呈现先减小后增大的趋势，放电次数呈现先增大后减小的趋势。这是由于机械应力会导致材料内部产生物理陷阱和化学陷阱[94]。邢照亮等采用不同拉伸倍率获得聚丙烯薄膜，发现在一定范围内，拉伸倍率的提高能够增加聚丙烯的结晶度，提高其介电性能，但太大的拉伸倍率会破坏聚合物稳定的聚集态结构，造成聚丙烯介电性能严重下降[95]。该结果进一步说明了制造工艺对聚丙烯性能的重要性，合适的工艺参数对提高材料的性能至关重要。
实际运行过程中，薄膜电容器承受着电、热、机械应力等多物理场作用，会给薄膜电容器材料性能带来更严重的威胁，而在贴近实际运行工况的多物理场下的研究较少。宋家乐等在高温、不同拉力作用下对BOPP薄膜进行老化处理，发现热-应力老化作用会使BOPP薄膜电导率上升、介电常数下降、能级较深的陷阱密度上升。其中热作用会导致介电常数下降、击穿曲线形状参数降低，单向应力会导致介电常数上升、击穿电压下降[96]。李征等对BOPP薄膜在不同温度、湿度环境老化后的电容值进行测试，发现随着温度和湿度的上升，薄膜电容器的电容量下降程度增大[97]。于畅在不同温度下对BOPP薄膜进行电老化处理，发现85℃下的老化试样绝缘性能与储能性能略微提高，而在更高温度下的老化试样性能劣化较为明显[98]。S. P. Cygan等在电、热、辐射应力下对聚丙烯薄膜进行老化，发现老化后材料的断裂伸长率和拉伸强度降低，击穿电压和体积电阻率有所升高，而辐射作用趋向于使力学性能下降、击穿电压和体积电阻率上升，热和电的作用效果则与之相反，并且指出多应力老化作用下，聚丙烯电气性能的失效机制可能是材料的机械失效[90]。Liu Haoliang等研究了强磁场下电热老化对金属化膜电容器的影响，发现磁场会限制电偶极子极化，使电容和介质损耗因数降低，强磁场下电容器的漏电流和保压能力也会发生很大变化。另外，在相同的磁场环境下，热老化电容器性能的下降幅度大于电老化电容器[99]。还有学者[23,54,79,81,100-101]在高温下对聚丙烯进行电老化，并测定击穿、介电等电气性能。而大多数研究主要探究电热老化综合作用的效果，没有将多应力解耦合，缺乏对多物理场老化机制的系统分析。
显而易见，各种形式的老化会加速薄膜电容器及其材料的劣化。从设备角度来讲，主要表现在电容量的下降；而对于BOPP薄膜材料来讲，主要表现在微观结构及绝缘性能的变化。薄膜电容器材料在老化的作用下，其结构首先发生了变化，包括重结晶、分子链断裂等，进而影响材料的陷阱特性及载流子的输运行为，从而在宏观绝缘性能中表现出来。各老化因素的作用效果又会受到老化条件、相互耦合作用的影响，而针对薄膜电容器材料老化的研究大多仅考虑单一因素，但是实际运行中的薄膜电容器会受到电、热、机械应力等各种因素的耦合作用，而目前相关研究较为缺乏，尤其是考虑极端电热耦合条件下的长期老化，更是鲜有报道。
由于缺乏有效的状态评估手段，一些验收合格的薄膜电容器在运行过程中常会提前失效。因此，亟须有效的诊断方法，对投入前、运行中的电容器进行老化诊断，提高系统的可靠性。本节总结了薄膜电容器老化的诊断方法，包括局部放电诊断法、极化去极化电流法、介质损耗角正切检测法以及电容检测法；归纳了薄膜电容器的寿命预测方法，包括传统概率统计方法、考虑性能退化的概率统计方法和基于机器学习的方法，相关方法的简要内容和特点如图9所示。
图9 薄膜电容器老化诊断及寿命预测方法简要特点
Fig.9 Characteristics of aging diagnosis and life prediction methods for film capacitor
电容器老化过程中往往伴随局部放电的产生，局部放电又随着缺陷类型的不同而有所差异[102]。可以通过测试局部放电信号参数，评估不同结构、不同制造工艺的薄膜电容器的绝缘性能，进而判断引起绝缘故障的原因及严重程度[103]。根据局部放电发生时伴随的各种物理现象，可将局部放电测量方法分为电检测和非电检测两类，包括脉冲电流法、特高频检测法、无线电干扰电压法、超声波检测法、光测法、红外检测法、化学检测法等[104]。其中电检测法比非电检测法灵敏度高，因此被较多研究者所采用。
交流电压下的局部放电测试技术已经得到了广泛应用。但薄膜电容器工作时存在长时间直流施压阶段，所以直流电压下的局部放电测量结果更能反映薄膜电容器的绝缘状态。而对于直流局部放电测试技术，其测试灵敏度与电容量呈负相关，同时电源会产生干扰，影响测试准确度，这给直流局部放电测试系统设计带来了困难[19,105]。
通过对薄膜电容器进行直流电压下的局部放电测量，发现放电量q和放电次数n两个参数可以较好地反映绝缘状况和电气性能的变化趋势，用来评价薄膜电容器的绝缘状态[106]。但这两个参数信息量少，不能完全反映局部放电特征及其发展趋势。早在20世纪末，U. Fromm等就提出将交流下的放电脉冲统计参量(q, φ, n)换成(q, Δt, n)（其中，φ为放电发生的相位，Δt为放电时间间隔），用于直流下局部放电信号的分析[107-108]。基于此，张血琴等研制了储能电容器直流局部放电检测系统，相关系统可以较好地检测储能电容器局部放电产生的原因及其绝缘状态；通过并联RLC型电桥平衡回路、放大单元和滤波器，使系统具有较高的信噪比和较强的抗干扰能力[109]。于成龙等利用同样的方法证明当电容器绝缘老化严重时，其局部放电水平随着电压的增加而剧烈变化[110]。
上述方法着重于对放电脉冲统计参量进行直观的分析，但这些参量包含的信息不全面，无法准确地反映电容器的缺陷情况。通过用不同方法对放电脉冲统计参量进行统计分析，可以实现缺陷类型的初步判断。刘华昌探索了不同的特征提取方法，获得了局部放电的特征量，对不同的特征量进行识别、归类，并认为直流局部放电检测法比介质损耗分析、漏电流测试等传统分析方法的灵敏度高，可能是更有效的检测方法[111]。边姗姗等利用Delta(t)分析法，引入参量放电时间间隔Δt，对电容器直流局部放电测试结果进行统计分析，得到不同放电类型的时间分布谱图，可以较为准确地对缺陷类型进行初步判定[112]。在这些统计方法的基础之上，又发展起来对脉冲放电统计参量的模式识别方法，如王鹏等提出基于模糊数学理论识别电容器缺陷类型的方法[113]。然而，不同的测试电压、测试时间、测试方向和顺序可能会对测试结果造成一定的影响。吴广宁等指出，对老化后的电容器进行局部放电测量时，应在1.1倍额定电压下按照相同顺序分方向对直流施加的过渡区进行测试[105]。
随着薄膜电容器的不断发展，对其绝缘状态检测的要求越来越高。对于局部放电测试方法，不仅要求对投入前、运行中的电容器的绝缘缺陷进行检测，还要求能够对缺陷类型进行判断，从而对电容器生产过程提供指导。而国内关于直流下电容器的局部放电的研究较少，特别是通过局部放电来判断缺陷类型的研究更是处于起步阶段，与国外相比还存在很大差距。
当外加电场作用于薄膜材料时，材料内部的束缚电荷会出现极化现象，极化去极化电流（PDC）法就是通过检测极化以及去极化过程中产生的电流，来推测电容器的老化程度[114]。
目前，PDC法已经广泛应用于变压器、电缆等设备的绝缘检测与评估中。国外的T. Leibfried[115]、国内的马志钦[116-117]、周利军[118]等利用PDC法对变压器油纸绝缘进行了研究，取得了一定的成果。但对于薄膜电容器的绝缘状态检测，PDC法的研究与应用较少。谭思文等利用PDC法对电力电容器的绝缘老化状态进行检测，得到的极化、去极化电流随着老化程度的加深而增加，并通过直流电导率和0.1 Hz介质损耗进行验证，证明了用PDC法检测冲击电容器老化状态的可行性[114,119-120]。王鑫等发现极化电压和极化时间对表征绝缘状态的两个参量（直流电导率和0.1 Hz介质损耗）并没有明显的影响[121]。
金属化膜电容器蒸镀电极的厚度为nm级，这使得电容器电极电阻较大，电流流过时产生的电阻损耗发热会导致电容器内部温度上升。此外，电容器在自愈时产生的热量不能及时散出，也将引起电容器内部局部温度上升。环境温升和内部高温促使电容器中聚丙烯薄膜的介质损耗急剧增大。电容器内部温升与聚丙烯薄膜介质损耗之间的恶性循环将导致聚丙烯薄膜介电性能下降[74]。介电常数频谱、介质损耗角正切值tan δ随加压时间的增加均呈现下降的趋势[122]，所以通过介电特性可以了解电容器所处的老化阶段。
周永澄等对金属化膜电容器的tan δ进行了一系列测试，对比了不同电压、不同绝缘性能、不同频率以及不同温度下的tan δ，发现绝缘性能好的电容器的tan δ较低，说明了tan δ用来评估电容器绝缘性能的有效性[123]。陈才明通过对电容器简化等效电路的测量分析，判断了引起损耗超标的原因[124]。李国庆等提出了利用绝对测量和过零比较法相结合的方法来测量tan δ，能达到较高的准确度[125]。此外，tan δ还可用于电力设备绝缘状态的在线检测[126]。但由于电容型设备的介质损耗值一般较小，且现场测量时会受到电磁场的干扰，因此提高检测精度是非常必要的。
电容器老化后的主要表现是电容减小和等效串联电阻（Equivalent Series Resistance, ESR）增大，因此，通过检测电容和ESR的变化可以判断电容器的老化状态。但由于薄膜电容器的ESR非常小，难以检测对应电压的变化，因此许多ESR的检测方法难以用于薄膜电容器，检测电容的变化具有更高的适用性[127]。
针对电容的状态检测主要包括离线监测法和在线监测法。离线监测法通常需要中断或者改变系统的运行状态，虽然容易实现，但实际应用并不方便，只适用于设备定期检修中；而在线监测法可以在系统运行中对电容器进行状态监测，比离线监测法更具实用价值[128-129]。
在线监测法受到了国内外学者的广泛关注，尤其是在直流支撑（DC-link）电容器及模块化多电平变流器（Modular Multilevel Converter, MMC）子模块电容器中。Y. J. Jo等将二倍频交流电流注入桥臂回路，通过桥臂电流及其开关状态得到电容电流，对电流及电压进行处理后，利用递归最小二乘算法计算得到电容估计值。但该方法中二倍频电流的注入使系统损耗增大，且可能对正常运行的设备造成谐波干扰[130]。电容老化后会引起系统中的电压相应地发生变化，Wang Kun等推导了电容电压变化表达式，发现电容电压变化与二阶谐波电流和电压纹波无关，进而提出一种通过监测基频电压的变化来估计电容的方法，该方法不需要注入电压或电流，也不需要额外的硬件[131]。Wang Zhongxu[132]、Deng Fujin等[133]都基于参考电容与待测电容串联，通过对比两个电容的电压信号来提取待测电容值，但该方法的监测精度依赖于参考电容值的精度。Sun Yuting等提出一种基于模型参考自适应控制的薄膜电容器各子模块电容监测方法，将数学模型和电容实际测量值分别作为可调模型和参考模型，通过自适应算法逼近电容值[134]。辛熙锴等建立了MMC系统子模块电容电压时域数学模型，通过对工频周期内4个特定时刻的电容电压进行采样，计算出电容的容值[128]。Wang Zhongxu等将MMC预充电过程等效为RC充电电路，通过研究其与相电流和子模块电压的关系来估计电容值，但该方法只能在系统启动时进行监测[135]。潘亮等基于离散化处理后的子模块电压、桥臂电流等信息与电容值的关系，得到电容器实时电容值，并引入自适应滤波技术滤除噪声，提高了计算精度，但该方法忽略了ESR对电容监测的影响[136]。随着机器算法的发展，一些学者将智能算法引入电容值的监测中。O. Abushafa等通过卡尔曼滤波算法处理桥臂电流及相应的电压，从而估计MMC中子模块电容的电容值[137]。A. Soualhi等基于模糊逻辑和神经网络，通过对被测器件阻抗及加速老化实验提供的退化数据进行实时处理，从而估算电容器的ESR和电容值[138]。吴云杰等提取MMC子模块电容电压和电流，将其作为基于滑动窗口累积和算法模型的输入，计算电容值[139]。但这些算法会占用计算资源，增加系统运算负担，且模型的构建和训练对数据量有一定要求。目前针对薄膜电容器电容值的在线监测，对监测条件、硬件线路或特定工况有一定的要求，且检测精度不够理想，因此需要发展适用于正常工况的、高精度的电容值在线监测方法。
在工程应用中，大规模薄膜电容器应用时的更换与备件策略，不仅会影响其经济效益，而且会影响其在使用中的可靠性。薄膜电容器的寿命是决定更换与备件策略的关键因素，因此薄膜电容器的寿命预测具有重要意义。如1.2.1节所述，薄膜电容器的工作寿命以5%的电容量损耗为终止指标[67]。
目前国内外薄膜电容器的寿命预测，主要是通过基于概率统计的寿命预测模型与加速寿命试验数据相结合来完成的。传统的寿命预测方法有最小二乘法和Weibull分布模型法，前者适用于电容值损失是稳定分布的情况，后者则在有大量试验数据的情况下能达到良好的预测效果，但没有考虑电容值损失的分布情况。李化等在Weibull分布模型法的基础上，基于电容器寿命影响因素，建立从电容器元件到电容器整机的寿命预测模型，并通过试验验证了该预测模型的适用性[140]。为了提高寿命预测的准确性，考虑电容器老化和失效因素，Li Zhiwei等提出了Birnbaum-Saunders分布和Poisson分布模型等，但该模型的参数是固定不变的[141]。为适应非平稳的分布模型，熊诗成等提出粒子滤波方法，可以根据测量数据动态调整寿命预测模型参数，从而实现更准确的寿命预测。为了比较三种寿命预测方法的预测效果，熊诗成等通过电容器充放电试验平台获得同批次电容器样本的充放电次数，并分别基于Weibull分布模型法、Birnbaum-Saunders分布模型法以及粒子滤波方法建立寿命预测模型进行寿命预测，其比较结果见表1。可见，在多次试验下，粒子滤波方法的寿命预测精度略高于Weibull分布模型法，且远高于Birnbaum-Saunders分布模型法[142]。
表1 三种寿命预测模型比较[142]
Tab.1 Comparison of three life-prediction methods[142] （单位：次）
预测方法第一组第二组第三组 寿命平均/偏差期望寿命平均/偏差期望寿命平均/偏差期望 Weibull分布模型法5 661/1254 967/1024 540/124 Birnbaum-Saunders分布模型法5 298/3634 785/4264 032/386 粒子滤波方法5 670/435 015/624 420/83
以上基于概率统计的寿命预测方法，大多需要足够多的寿命样本，且仅适用于出厂时对批次电容器的终止寿命进行预测。随着国内外对薄膜电容器老化及损伤机理研究的推进，以及机器学习算法的发展，薄膜电容器的寿命预测研究也出现了基于信息新技术、机器学习算法的新方法。李志元等提出了一种基于自愈过程电容损失特征量的电容器寿命预测方法，该方法通过图像识别技术提取大量自愈点形貌参数，通过试验推导得到自愈的失效概率累计分布函数F(t)，将单只电容器失效概率F(t)=95%对应的时间视为此工况下电容器的终止寿命，预测得到的电容器寿命如图10所示[62]。时清华将反馈（Back Propagation, BP）神经网络应用到电容器寿命预测中，通过对不同函数进行学习训练来确定模型的参数[143]。成庶等从机器学习算法角度提出基于特征提取与误差补偿的剩余寿命预测方法，该类方法突破传统方法仅适用于出厂时对批次电容器终止寿命预测的局限，且该方法在不同预测起点的平均预测误差仅为7.08%，相比已有预测方法有效地提升了对电容器剩余寿命的预测精度，增强了模型的可靠性和泛化能力[144]。
图10 自愈击穿时间的Weibull概率分布[62]
Fig.10 Weibull probability distribution of self-healing breakdown time[62]
表2对以上不同寿命预测方法进行了比较。总体来看，虽然薄膜电容器的寿命预测有了很大的发展，但由于薄膜电容器老化机理的复杂性，通过构建物理模型来进行寿命预测的方法还十分困难。
表2 不同薄膜电容器寿命预测方法的比较
Tab.2 Comparison of different life prediction methods for film capacitor
方法预测误差特点适用性 传统的概率统计方法≤30%较为简单，仅考虑失效时间，预测效果取决于试验数据量，需构建经验公式预测终止寿命；适用于同一出厂批次的电容器 考虑性能退化的概率统计方法误差较大考虑老化因素，能减小预测误差，但老化机理复杂，模型泛化能力差，需构建经验公式预测终止寿命；适用于同一出厂批次的电容器 基于机器学习的预测方法≤10%预测精度高，泛化能力和普适性强，计算量大大降低，无需构建经验公式预测剩余寿命；适用于相同退化趋势的不同型号电容器
本文总结了薄膜电容器用聚丙烯材料在多物理场下的电荷输运行为、局部放电、电容量变化和击穿特性等；分析了不同老化过程对聚丙烯薄膜材料特性的影响规律；从局部放电、介电特性、电容值等方面归纳了薄膜电容器老化的诊断方法，梳理和归纳了薄膜电容器的寿命预测方法。研究存在问题及展望如下：
1）薄膜电容器材料劣化与空间电荷、放电等因素密切相关。然而，传统空间电荷测量方法的分辨率不足，无法满足μm级薄膜电容器材料空间电荷分布特性研究，使得难以从微观层面探明聚丙烯材料的劣化机制。亟须探寻高空间分辨率的空间电荷测量方法，建立多物理场下多尺度的劣化物理模型，进而探求薄膜电容器材料的劣化机制。
2）薄膜电容器在运行过程中会承受电、热、机械应力等多种因素共同作用。而受限于实际承受应力的形式和使用环境等，基于多物理场耦合作用下薄膜电容器材料的老化难以在实验室中复现，因此目前针对薄膜电容器材料老化的研究大多仅考虑单一因素，与实际工况不符，亟须开展全面的多物理场耦合下的老化试验，结合新的测量和分析技术，厘清薄膜电容器材料的老化机理。另外，各种老化因素相互耦合，进一步加速材料劣化，如何对多应力老化解耦合是有待深入探索的重要问题。
3）对于薄膜电容器老化的诊断方法，PDC法、tan δ检测法和电容检测法能够反映电容器整体的老化状态，但难以反映存在缺陷的细节信息；局部放电检测法能够判断缺陷类型但目前判据不足。未来，一方面，在局部放电对缺陷类型的定性判断上应给予更多关注；另一方面，需要发展多判据、多手段相结合的方法对薄膜电容器的老化进行更为全面的诊断。
4）由于薄膜电容器老化机理的复杂性，通过构建物理模型进行寿命预测的方法还十分困难，基于老化机理的寿命预测模型不能全面地考虑失效机制，预测精度有限。未来，可以通过对老化机理的深入研究，结合智能识别与机器算法等手段，进一步发展薄膜电容器的寿命预测技术。
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Research Progress on Degradation and Diagnostic Methods of Polypropylene Materials for Film Capacitors under Multiple Physical Fields
Abstract Metallized polypropylene film capacitors are subjected to high pulse voltage, high temperature, and mechanical stress for a long time, which causes material degradation and seriously threatens the operational reliability of the entire system. The relevant research on polypropylene materials for film capacitors is summarized in order to clarify the degradation mechanism of film capacitors, grasp the key parameters affecting the degradation of film capacitors, and sort out the reliability and applicability of existing state detection and lifetime prediction methods.
Firstly, under the influence of multiple physical fields, the degradation of polypropylene film materials is closely related to space charge transport, partial discharge phenomenon, self-healing, and breakdown behavior. The intrinsic parameters of the material (such as crystallinity, film thickness, square resistance of the metallized film) and external factors (such as voltage form, pulse frequency, external temperature) can affect the above parameters or processes. The injection and detrapping of space charges are the main factors leading to material degradation. However, traditional space charge measurement methods currently cannot meet the space charge measurement needs of μm level film materials, and there is an urgent need to develop high-resolution space charge measurement methods.
Secondly, electrical stress, thermal stress, mechanical stress, and their coupling effects can affect the aging process of polypropylene materials. These factors first cause changes in the material structure, such as recrystallization, molecular chain breakage, altering the trap characteristics and carrier transport behavior of the material. This is then reflected in the macroscopic performance changes. Therefore, aging tests are very important in the material development process. However, the aging of film capacitor materials under the coupling of multiple physical fields is difficult to reproduce in the laboratory, which means that most current research on the aging of polypropylene materials only considers a single factor. It is urgent to conduct aging experiments under the coupling of multiple physical fields that are close to actual working conditions, in order to clarify the aging mechanism of film capacitor materials. Furthermore, further research is needed on how to decouple multiple stress aging.
Finally, effective diagnostic and lifetime prediction methods can improve the reliability of the system. The aging diagnosis methods for film capacitors include partial discharge diagnosis method, polarization and depolarization current method, tanδ detection method, and capacitance detection method. The DC partial discharge detection method can be used to determine the type of defect and provide guidance for the production process of materials. However, this part of the research is still in its infancy in China. Other diagnostic methods have various shortcomings and deficiencies. It is necessary to develop aging diagnosis methods that combine multiple criteria and means. The methods for lifetime prediction of film capacitors include traditional probability statistical method, probability statistical method considering performance degradation, and prediction method based on machine learning. These lifetime prediction models cannot fully consider failure mechanism, resulting in low prediction accuracy and limited applications. In the future, the lifetime prediction technology of film capacitors can be further developed by in-depth studying the aging mechanism and combining intelligent recognition and machine algorithm.
Keywords：Film capacitor, polypropylene, degradation mechanism, diagnostic method, aging
中图分类号：TM215
DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.241154
国家自然科学基金重大研究计划培育项目（92266110）和福建省自然科学基金项目（2022J01112）资助。
收稿日期2024-07-03
改稿日期 2024-07-22
张云霄 男，1990年生，教授，博士生导师，研究方向为高电压与绝缘技术。
E-mail：zhangyx@fzu.edu.cn
周远翔 男，1966年生，教授，博士生导师，研究方向为高电压与绝缘技术。
E-mail：zhou-yx@tsinghua.edu.cn（通信作者）
（编辑 李 冰）