采用安全膜结构的金属化膜电容器可有效防止电容器内部短路故障的发生，提高电容器的稳定性[1]。安全膜采用分割式电极设计，将整张金属电极分割成许多小的分块，分块之间通过去金属化的绝缘带隔离，同时不同分块之间通过电流门相连接。当某一分块中发生击穿时，一方面在击穿点发生自愈，另一方面，未击穿的分块中的电荷通过电流门流向击穿的分块[2,3]。当出现短路性击穿时，此时电流门中流过的电流较大，而电流门由于无法承受大电流而熔断，从而使击穿分块与未击穿分块隔离开来，限制了击穿点的短路电流，使击穿点实现良好的自愈[4,5]。未采用安全膜电极结构的金属化膜电容器在内部可能发生自愈失败而导致的“鼓肚”甚至爆炸现象，而有研究表明采用安全膜结构的金属化膜电容器，即使电容量完全损失，电容器也不会出现明显“鼓肚”或者爆炸现象[6]。

J.Connolly的研究表明，成功的安全膜电极设计可使电容器寿命达到非安全膜电容器的6倍[7]。安全膜有多种不同的结构，典型的4种常见的安全膜结构为T型安全膜、网状安全膜、六边形安全膜和强化熔丝型安全膜，其中后3种基本同属网格状一类，其金属化安全膜的电流门很窄，当有较大的电流通过电流门，或者在小电流反复作用时，电流门很容易断开，电容器的电容量下降很快[8,9,10]。因此这3类安全膜一般应用在小电流电容器中。T型安全膜的电流门的宽度比较宽，能耐受大电流[11]。

A.Schneuwly等研究通以近似稳定电流时窄电流门的断开特性，认为离自愈点较远的电流门的断开是热应力产生的机械力使金属层拉断而导致的，而自愈点所在分块的电流门的熔断是由于自愈过程中的大电流流过电流门导致的电流门蒸发或电爆炸导致[12]。Andreev et al.研究了安全膜中膜块之间的绝缘间隙和电流门尺寸的优化设计依据[13]。孔中华研究了T型安全膜电流门的熔断特性，计算了电流门的最高温升，并发现电流门熔断所需的能量与电流门宽度成线性关系[14]。彭波计算了金属化安全膜中的电场，并发现安全膜电容器的失效主要是由分割金属电极边缘的电场畸变造成局部放电并诱发介质薄膜的击穿导致的[15]。

总的来说，目前关于安全膜电流门的研究报道相对较少，本文通过理论推导计算，提出安全膜电流门的结构设计计算方法。

安全膜由许多小单元组成，每个单元通过电流门与电容器其余部分实现电气连接，当某个单元中出现击穿点时，电流门的设计需满足以下条件：1）自愈点的自愈能量很小，属于正常自愈时，电流门不熔断；2）当某个单元中出现大能量自愈点造成自愈失效时，电流门应熔断将该单元与电容器其余部分切断，终止故障的进一步发展，使得电容器非故障部分能够继续运行。

假设i为流过安全膜单个单元的自愈电流，N为单个单元单边电流门数目，β为金属化安全膜的方阻，L为电流门的长度，B为电流门的宽度。则流过单个安全门的电流为i/N，单个电流门的电阻为βL/B。因此，当电容器发生自愈时，单个电流门消耗的能量如式（1）所示。

电流门达到熔化温度时所需的能量WR1如式（2）所示。

电流门熔化为液态时所需的能量WR2如式（3）所示。

电流门达到气化温度时所需的能量WR3如式（4）所示。

电流门蒸发为气态时所需的能量WR4如式（5）所示。

式中：CS为金属电极的比热容；D为电流门的厚度；L为电流门的长度；B为电流门的宽度；TS为金属电极的熔点；T0为环境温度；LS为电极的熔化潜热；Cl为液态电极金属的比热容；Tl为电极金属的沸点；Ll为电极的气化潜热；m为电流门的质量；ρ为电流门的密度。

计算可以得到电流门达到不同状态下需要的电流能量∫i2dt如下：

电流门由常温达到熔化温度时所需的∫i2dt如式（6）所示。

电流门由常温达到全部熔化为液态时所需的∫i2dt如式（7）所示。

电流门由常温达到气化温度时所需的∫i2dt如式（8）所示。

电流门由常温达到全部蒸发为气态时所需的∫i2dt如式（9）所示。

由以上公式可以看出，不同情况下对应的∫i2dt与电流门的长度L无关，与电流门宽度B的平方成正比，与方阻β的平方成反比，与电流门个数N的平方成正比。因此在设计电流门时，电流门的长度只需要按照常规绝缘性能要求设计即可，不用考虑对熔断性能的影响。

由于蒸镀电极通常都是金属锌或锌铝合金，锌铝合金中锌占93%，因此本文按金属锌电极进行计算。电流门处的方阻β=2Ω/□，厚度D=29.625 nm，金属电极锌的固态比热容CS=458 J/（kg·℃），液态比热容Cl=504 J/（kg·℃），熔化潜热LS=1.01×105 J/kg，气化潜热Ll=1.77×106 J/kg，密度ρ=7 140 kg/m3，熔点TS=420℃，沸点Tl=908℃，环境温度T0=60℃，取电流门个数N=1，根据上式计算不同电流门宽度B情况下对应的∫i2dt，计算结果见表1。

在设计电流门尺寸时，首先应该根据设计经验或者进行试验测量得到金属化膜发生自愈时的电流波形，再计算得到对应的∫i2dt值，根据表1选择合适的电流门宽度，使得正常连续发生3次自愈时的能量不足以让电流门达到熔点，且应留有30%左右的裕度。因为自愈失效时的能量远大于正常自愈，所以只要保证连续3次正常自愈时的能量超过电流门达到熔点能量的50%，发生自愈失效时，电流门就能够可靠动作。

根据前文分析，电流门的长度取决于绝缘性能，与电流门的熔断特性无关。在设计电流门长度时，主要考虑电流门熔断后，在绝缘间隙上会产生电位差，电流门电弧电流过零熄弧，被切除安全膜单元上的残压通常为电压的峰值，在绝缘间隙上就会产生最大2倍电压峰值的电位差，要求此时该绝缘间隙不发生沿面闪络。

以工况最为严格的交流电容器为例，金属化聚丙烯薄膜厚度一般不超过8μm，由于受材料绝缘性能的限制，设计电场强度一般不超过45 k V/mm，所以单个电容器元件的额定电压一般不超过360 V。自愈式电容器最大耐受工频电压为2Un，最大电位差为4Un=1 440 V，因此设定交流电容器的电流门长度要保证安全膜单元之间能够耐受1 440 V的交流电压，且具有一定的绝缘裕度。对聚丙烯膜在常温下空气中沿面闪络电压进行了试验，试验结果显示在0～2 mm范围内，闪络电压与沿面绝缘尺寸近似呈线性关系，1 440 V闪络电压对应的沿面绝缘距离约为0.55 mm，考虑30%左右的绝缘设计裕度，安全门长度选择为0.7 mm左右比较合理，电流门设计过长会造成电容量下降。

实际运行中，由于安全膜单元对应的电流门熔断后，相应单元的残压一般低于交流电压的峰值，所以实际电位差小于4Un，这就增大了设计裕度，提高了电容器的运行可靠性。对于其他类型和参数的电容器，可以参考上述方法计算选择安全门的长度尺寸。

安全膜的设计除了要确定电流门的宽度、长度之外，还需要确定安全膜单元的宽度，该参数主要影响电容器元件的金属损耗，即影响介损。已有文献研究表明：电极单元宽度主要影响等效串联电阻值，即影响电容器元件的发热和温升，且只要电流门宽度与电极单元宽度的比值不变，则等效串联电阻的增大倍数不变，电极单元宽度的大小与电容器元件的自愈特性则没有必然联系[16]。设计安全膜单元的宽度时，需要对电容器元件和单元的热稳定性能进行仿真计算或试验验证，要满足电容器最热点温度不超过允许值的限定条件。因为关于安全膜单元的宽度的设计方法已有相对成熟的研究成果，所以本文不再重复。

为了验证上述电流门设计方法的正确性，在60℃环境下，对电流门进行通流能力试验。选择宽度B为1.5 mm的电流门作为试品，个数N为1个，方阻为2Ω/□，并联电容量为40 mF。试验过程中，在950～1 200 V范围内改变电压，得到不同的∫i2dt，观察不同∫i2dt下，电流门的熔断情况，与前文计算结果进行对比。对每一种电流进行了多次重复试验，典型试验结果见表2。

由表2可以看出，当∫i2dt达到3.528×10-5时，电流门有轻微的蒸发点，根据表1计算结果可知，3.528×10-5已接近电流门的熔点值3.923×10-5，由于存在分散性，电流门已经出现了少量蒸发点。而当∫i2dt超过6.241×10-5之后，已经接近了6.327×10-5的完全熔化值，电流门出现相变，进入不稳定状态，试验结果显示电流门有明显蒸发点甚至完全蒸发。试验时∫i2dt每个对应的能量值都进行了多次重复试验，进入不稳定状态后，每次试验的现象都有所不同，表2中6.368对应的位置放了一张电流门熔断的试验结果照片，但并不是每次试验都会发生熔断，6.496～7.022之间虽然放置的是没有熔断的试验结果照片，但也并不是每次都不发生熔断。超过7.500×10-5之后，重复试验的结果显示电流门大多数全部完全蒸发，但也存在少数情况下电流门并未熔断的现象。超过7.500×10-5之后，电流门已进入完全熔化状态，虽然没有达到完全气化能量，但物理特性已发生了显著的变化，尤其是达到12.18×10-5的沸点能量之后，电流门大面积气化，阻抗会增大，产生的热量也会更多，因此，电流门通常不需要达到完全气化热量才能熔断。电流门的相变过程非常复杂，而且随机性很强，完全通过理论计算来描述其物理过程是非常难的，必须要进行适当的试验来验证电流门的可靠性。

总体来说，1.5 mm宽电流门的熔断特性具有相当大的分散性，但总体规律与前文的理论计算结果是一致的，考虑电流门熔断效果的分散性，在进行产品设计时，要留有一定的裕度才能确保电流门动作的可靠性。

本文研究提出了电流门尺寸的设计方法，并进行了试验验证。电流门的长度按常规绝缘尺寸设计即可，对电流门的熔断性能基本没有影响，电流门的宽度要保证电容器在3次连续正常自愈情况下产生的能量不足以使得电流门温度达到熔点，并留有一定的裕度。本文计算得出了典型电流门宽度尺寸下，电流门达到各种温升和相变临界点的能量值，为产品设计提供了依据。