Керамические конденсаторы для расчета зазора между изоляцией и проводником при напряжении 150 кВ

Керамические конденсаторы для расчета зазора между изоляцией и проводником при напряжении 150 кВ

Резюме

Блок питания на 150 кВ должен быть одновременно компактным и безопасным, и эти две цели достигаются за счет зазора между изоляцией и корпусом. Компоненты, соответствующие своим номинальным характеристикам, все же могут выйти из строя в процессе эксплуатации, поскольку острый наконечник выводов, малый зазор между двумя корпусами конденсаторов или пониженная плотность воздуха на высоте концентрируют поле за пределами точки пробоя. В этой статье рассматриваются концентрация поля, поверхностный пробой, три проблемы, связанные с полем, и семь этапов проектирования компактной схемы изоляции на 150 кВ.

1. Введение

Зазор между изоляцией и корпусом — это конструктивный параметр, определяющий размеры бака для напряжения 150 кВ. Достаточное расстояние соответствует стандартам безопасности и требованиям надежности. Слишком большое расстояние делает бак громоздким, и изделие теряет компактность, востребованную на рынке.

Вторая проблема сложнее для объяснения. Каждый конденсатор, резистор и диод в сборке соответствуют своему номинальному напряжению, но сборка всё равно издаёт щелкающий звук во время работы. Затем на поверхности заливки появляется обугленный слой, и стандартное испытание на выдерживаемое напряжение заканчивается пробоем.

Причиной обычно является распределение поля, а не качество компонента. Острие вывода с радиусом 0.5 мм, паяное соединение с небольшой кривизной или два корпуса конденсаторов, расположенные на расстоянии 8 мм друг от друга, могут значительно повысить локальное поле выше пробивной прочности окружающей среды.

В данной статье рассматриваются концентрация поля и поверхностное пробойное напряжение, три проблемы, связанные с полем, и семь этапов проектирования, включающих моделирование, коронные кольца, градуировочные резисторы, размещение, коррекцию высоты и заливку компаундом.

2. Основной механизм

2.1 Концентрация поля в малом радиусе

Для приблизительно сферического электрода интенсивность поверхностного поля определяется следующим образом:

E ≈ V / ρ

где E — напряженность поверхностного поля, V — потенциал относительно земли, а ρ — радиус кривизны. Наконечник стержня не является сферой, поэтому выражение завышает значение, но тенденция сохраняется: уменьшение радиуса вдвое удваивает локальное поле.

Измерения на высоковольтных сборках показывают, что напряжение на наконечнике из свинца диаметром 0.5 мм составляет около 3000 кВ/см, тогда как среднее поле на том же расстоянии изоляции составляет 30 кВ/см. Пробивная способность воздуха при стандартном давлении близка к этим же 30 кВ/см, поэтому наконечник находится на порядок дальше точки, где начинается локальная ионизация.

Затем следует коронный разряд, который разъедает окружающий компаунд до образования обугленного канала.

2.2 Прорыв через поверхность твердого изолятора

Поверхностный пробой возникает вдоль поверхности твердого изолятора, и его напряжение пробоя на том же расстоянии значительно ниже напряжения пробоя газа. Это падение вызвано тремя эффектами на границе раздела твердое тело-газ.

• Заряд от частичного разряда накапливается на поверхности и искажает исходное поле.
• Тангенциальная составляющая поля приводит в движение разрядный канал вдоль поверхности.
• Загрязнение и влага еще больше снижают напряжение пробоя.

В стандартных атмосферных условиях чистая эпоксидная смола выдерживает напряжение от 15 до 20 кВ/мм по всей поверхности. На влажной или загрязненной поверхности напряжение падает до 5–8 кВ/мм, что в три раза ниже, чем на чистой поверхности.

2.3 Неравномерное распределение потенциала в рамках серии банковских операций.

В умножителе напряжения или последовательной ступенчатой ​​структуре каждый конденсатор должен пропускать одинаковое постоянное напряжение. Паразитные емкости, ток утечки и различия в сопротивлении изоляции нарушают это равновесие. Для n конденсаторов, соединенных последовательно, постоянное напряжение на одном каскаде составляет:

V_i = V_total · (R_i / ΣR_j)

где V_i — напряжение на каскаде i, V_total — общее постоянное напряжение, R_i — сопротивление изоляции каскада i, а ΣR_j — сумма сопротивлений изоляции всех каскадов. Каскад с низким сопротивлением изоляции потребляет меньше напряжения, а остальные каскады — больше, чем предусмотрено их проектом.

Перенапряжение ускоряет старение этих конденсаторов, увеличивает их частичный разряд и с каждым часом работы смещает распределение магнитного поля все дальше от моделируемого случая.

Рис. 1 — Высотный коэффициент остается равным 1.0 до 2000 м и достигает 1.35 на высоте 3000 м, поэтому воздушный зазор в 30 мм становится 45 мм на высоте 4000 м.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Кончики выводов и паяные соединения концентрируют магнитное поле.

Радиальный вывод высоковольтного конденсатора, вывод диода и вывод резистора имеют малый радиус, если только наконечник не закруглен или не имеет защитной оболочки. При напряжении 150 кВ поверхностное поле на наконечнике диаметром 0.5 мм достигает порядка 3000 кВ/см, что в сто раз превышает прочность воздуха на пробой.

Даже без полного пробоя коронный разряд разрушает заливочный компаунд, образует обугленный слой и приводит к поверхностному пробою после нескольких недель эксплуатации.

Проблема 2: Слишком большое расстояние между конденсаторами создает резкий локальный градиент.

Несколько высоковольтных конденсаторов, расположенных рядом в одном баке, могут создавать большую разность потенциалов между соседними корпусами. Узкий зазор оставляет мало места для распространения поля, поэтому поле в этом зазоре превышает поле, наблюдаемое в любой другой части бака.

Каждый конденсатор может соответствовать своим номинальным параметрам и расстоянию между изоляционными слоями, но зазор между двумя корпусами всё равно выходит из строя первым. В устройствах, возвращаемых в эксплуатацию, эта закономерность наблюдается достаточно часто, поэтому необходимо учитывать это расстояние в имитационной модели.

Проблема 3: Достаточный зазор на уровне моря оказывается недостаточным на большой высоте.

Оборудование для визуализации, продаваемое в высокогорные районы на высоте более 2000 м, работает при более низком атмосферном давлении, а диэлектрическая прочность воздуха снижается с увеличением давления. В результате воздушный зазор, рассчитанный на стандартные условия, уменьшается, и вероятность возникновения электрической дуги в таких больницах возрастает.

Внесение исправлений является стандартной практикой, и последствия игнорирования этого момента проявляются после заключения сделки, а не в ходе проверки проекта.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Разработка планировки на основе моделирования условий на местности.

Создайте трехмерную модель электрического поля резервуара в Ansys Maxwell, COMSOL или аналогичном инструменте. Импортируйте конденсаторы, резисторы, трансформатор и корпус, примените реальные рабочие потенциалы и постройте карты напряженности поля.

Измерьте четыре области: малые радиусы элементов, таких как кончики выводов и паяные соединения, минимальные зазоры между проводниками при разных потенциалах, тангенциальное поле над поверхностями твердой изоляции и пустоты внутри заливочного компаунда. Максимальное поле в воздухе должно быть ниже 10–15 кВ/см, а тангенциальное поле на твердой изоляции — ниже 5 кВ/мм при напряжении, в 1.5 раза превышающем номинальное.

Стратегия 2: Размещайте коронные кольца в местах пиков магнитного поля.

Коронное кольцо — это тороидальный металлический фитинг, который увеличивает эффективный радиус кривизны проводника и снижает локальное поле. Диаметр кольца следует установить достаточно большим, чтобы поверхность кольца оставалась ниже порога пробоя среды, и устанавливать кольца на высоковольтных выходных клеммах, узлах последовательного соединения конденсаторов и втулок трансформатора.

Для соединения кольца с проводником следует использовать низкоимпедансное соединение, поскольку плавающее кольцо обладает собственным потенциалом и может вызвать вторичный разряд. Для класса 150 кВ диаметр кольца обычно составляет от 30 до 80 мм, окончательное значение определяется в ходе моделирования.

Стратегия 3: Сбалансировать потенциал постоянного тока с помощью массива выравнивающих резисторов.

Последовательный резистор, подключенный параллельно каждому конденсатору, выравнивает постоянное напряжение и устраняет разброс, вызванный разницей в сопротивлении изоляции. Значение резистора должно быть значительно ниже эквивалентного сопротивления утечки конденсатора, а рассеиваемая мощность должна оставаться приемлемой.

R_b ≤ (0.05–0.1) · R_insulation_min

где R_b — значение градуировочного резистора, а R_insulation_min — наименьшее сопротивление изоляции в блоке. Для конденсаторов с сопротивлением изоляции 100 МОм градуировочный резистор Соотношение от 5 МОм до 10 МОм соответствует данному значению.

Распределите резисторы равномерно по всей цепи и держите выводы короткими, чтобы паразитная индуктивность и паразитная емкость не нарушали динамическое распределение потенциала.

Стратегия 4: Расположите конденсаторы на некотором расстоянии друг от друга и сформируйте зазоры в изоляции.

Между высоковольтными конденсаторами должен быть свободный воздушный или масляный зазор, чтобы поля соседних корпусов не накладывались друг на друга. Расположите проводники по уровню потенциала, расположив низковольтные части ближе к корпусу, а высоковольтные — ближе к центру или подальше от чувствительных элементов.

Устраните резкие изгибы и острые углы высоковольтных проводников и используйте дуги большого радиуса. Закругляйте каждый изгиб. N4700 Свинцовый наконечник или его следует закрыть изолирующей втулкой, при этом материал втулки должен быть совместим с заливочным компаундом.

Стратегия 5: Скорректируйте зазор для высоты.

Расстояние воздушной изоляции умножается на высотный коэффициент выше 2000 м. Широко используется следующая форма:

K_a ≈ e^(0.0001 · h)

где K_a — поправочный коэффициент высоты, а h — высота в метрах. Коэффициент достигает примерно 1.35 на высоте 3000 м и примерно 1.49 на высоте 4000 м, поэтому воздушный зазор в 30 мм на уровне моря становится 45 мм на высоте 4000 м.

Если пространство не позволяет увеличить зазор, замените воздух трансформаторным маслом, SF₆ или эпоксидной заливкой, добавьте сплошной барьер для повышения напряжения пробоя или измените форму электрода для снижения максимального поля.

Стратегия 6: Контроль процесса посадки и просушки.

Пузырек или примесь в компаунде вызывает частичный разряд, который затем образует полость внутри компаунда. Необходимо дегазировать компаунд под вакуумом, контролировать температурный режим отверждения, чтобы избежать термического растрескивания, и выбрать эпоксидную или силиконовую смолу, которая обеспечивает прочное сцепление с материалом корпуса конденсатора, предотвращая расслоение интерфейса.

Требование о наличии пустоты также необходимо учитывать в моделировании, поскольку пузырек с диэлектрической постоянной, значительно отличающейся от постоянной смолы, концентрирует поле на своей поверхности.

Стратегия 7: Подтвердите правильность конструкции с помощью измерения частичного разряда.

Измерьте частичный разряд на готовом изделии при напряжении, в 1.5–2 раза превышающем номинальное, и запишите напряжения начала и прекращения разряда. Деталь, прошедшая испытание на выдерживаемое напряжение, может разряжаться даже при гораздо меньшем уровне, и именно разряд приводит к эрозии изоляции в течение срока службы.

Повторите измерение после термического циклирования. Падение напряжения начала реакции после циклирования указывает на наличие границы раздела или пустоты, которые не были учтены в моделировании.

Параметр компонента	Типичное значение	Условие теста
Номинальное напряжение (серия HVCT8G)	10 кВ постоянного тока	высоковольтный режим 1.5× в течение 60 с
емкость	4700 пФ ±20% (472М)	1 МГц, 1 В среднеквадратичное значение
ЭПР на частоте 1 МГц	ниже 50 мОм	-
Индуктивность петли (хорда E40)	ниже 8 нГн	Расстояние между клеммами: 40 мм
сопротивление изоляции	сопротивление выше 10 ГОм при напряжении 500 В постоянного тока	25 ° C, 60% относительной влажности
Диапазон температур	от −40 °C до +125 °C	Серия МЭК 60068-2
Возможность импульсного DV/DT	выше 50 кВ/мкс	при номинальном напряжении

5. Высоковольтные конденсаторы для контура 150 кВ

Запас прочности изоляции сборки на 150 кВ определяется двумя параметрами: уровнем частичных разрядов внутри каждой детали и равномерностью напряжения, разделяемого последовательно соединенными элементами. Компания HVC производит детали N4700 для обоих параметров на собственном заводе площадью 6,000 м² в Дунгуане, охватывающем диапазон напряжений от 1 кВ до 150 кВ.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• Частичный разряд ниже 5 пКл при напряжении 1.5–2× номинальном. Низкий уровень частичного разряда ограничивает накопление пространственного заряда на поверхности диэлектрика, что позволяет сохранить распределение поля близким к моделируемому случаю и снизить риск коронного разряда на концах выводов.
• Диапазон напряжений от 1 кВ до 150 кВ. Один комплект включает в себя умножитель, резонансный контур, фильтр и делитель напряжения, что позволяет разместить контур в пределах отведенного для этого пространства.
• Высокое и стабильное сопротивление изоляции. Узкое распределение сопротивления изоляции по всей цепи обеспечивает более равномерный постоянный потенциал в последовательном соединении и меньшую работу для выравнивающих резисторов.
• Вакуумная дегазация. Минимальное количество внутренних пустот повышает напряжение начала разряда, поэтому эта деталь мало влияет на уровень разряда в резервуаре.
• Скоординированные компоненты. Резисторы HVRGXP с низкой индуктивностью обслуживать путь отбора проб, и быстровосстанавливающиеся высоковольтные диоды завершить сборку выпрямительного блока, при этом HVCT8G и HVCT9G Детали с коротким выводом подходят для ограниченного пространства в баке.
• Сравните с ведущими брендами. Компоненты HVC соответствуют электрическим параметрам и показателям надежности. Vishay Используются генераторы высокого напряжения HVCC, KEMET с радиальными выводами, Murata DHS/DHR и TDK UHV/FHV, а также применяются в крупносерийном производстве генераторов высокого напряжения для OEM-производителей медицинского оборудования, входящих в список Fortune 500.

Доставка и поддержка

Стандартные компоненты поставляются в течение 4–8 недель, а компоненты нестандартной длины выводов, размера корпуса и способа монтажа — в течение 6–10 недель, в то время как для указанных выше брендов этот срок составляет 20–30 недель. Инженеры-разработчики HVC оказывают поддержку в проведении анализа моделирования в полевых условиях, проверке зазоров и коронного разряда, выборе резисторов для выравнивания напряжения и коррекции высоты.

Отправьте чертеж бака, номинальное напряжение, высоту целевого рынка и предельное значение частичных разрядов. HVC в течение пяти рабочих дней предоставит вам лист соответствия с номерами деталей, данными о частичных разрядах при номинальном испытательном напряжении и комплект для оценки двух образцов. Высоковольтные пленочные конденсаторы Они также доступны в тех случаях, когда пленочный диэлектрик подходит для расположения делителя или демпфирующего элемента.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Почему в сборке на 150 кВ возникает дуговой разряд, если каждая деталь соответствует своим номинальным параметрам?

Поскольку локальное поле в малом радиусе значительно превышает среднее поле. Наконечник стержня диаметром 0.5 мм достигает примерно 3000 кВ/см, в то время как среднее поле в окружающей среде составляет 30 кВ/см, поэтому наконечник проходит через зону пробоя воздуха, даже если зазор кажется большим. Закруглите или закройте наконечники защитной оболочкой и проверьте поле в наиболее проблемном месте, а не среднее поле по всему зазору.

В2: Какой оптимальный зазор для бака на 150 кВ?

Единого числового значения нет, поскольку зазор, форма электрода и среда действуют совместно. Зазор в 50 мм обеспечивает среднее поле 30 кВ/см, но максимальное поле в остром элементе может быть в сто раз больше этого значения. Установите зазор, исходя из результатов моделирования, при которых максимальное поле в воздухе остается ниже 10 кВ/см, равным 15 кВ/см при напряжении, в 1.5 раза превышающем номинальное.

В3: Как правильно подобрать номиналы выравнивающих резисторов?

Выбирайте значение резистора значительно ниже эквивалентного сопротивления утечки конденсатора, используя соотношение R_b ≤ (0.05–0.1) · R_insulation_min. Для батареи с сопротивлением изоляции 100 МОм подойдет резистор от 5 МОм до 10 МОм. Проверьте рассеиваемую мощность при рабочем напряжении и держите выводы короткими, чтобы резистор не нарушал динамическое распределение.

Вопрос 4: Насколько большим должен быть зазор на большой высоте?

Коэффициент составляет примерно 1.35 на высоте 3000 м и примерно 1.49 на высоте 4000 м, поэтому зазор в 30 мм на уровне моря становится 45 мм на высоте 4000 м. Применяйте этот коэффициент только к воздушным зазорам. В случаях, когда пространство фиксировано, вместо этого повысьте диэлектрическую прочность среды с помощью масла, SF₆, эпоксидной заливки или сплошного барьера.

В5: Почему поверхностное пробойное напряжение происходит ниже напряжения пробоя газа?

Поскольку граница раздела между твердым телом и газом представляет собой слабый путь, заряд от частичного разряда накапливается на поверхности и искажает поле, тангенциальная составляющая направляет разряд вдоль поверхности, а влага или загрязнение снижают пороговое значение. Чистая эпоксидная смола выдерживает напряжение от 15 кВ/мм до 20 кВ/мм, в то время как на влажной или загрязненной поверхности оно падает до 5 кВ/мм–8 кВ/мм.

В6: Заменяет ли испытание на частичный разряд испытание на выдерживаемое напряжение?

Эти два теста отвечают на разные вопросы. Испытание на устойчивость показывает, что диэлектрик удерживает приложенное напряжение в течение короткого времени. Измерение частичного разряда показывает, разряжается ли сборка до уровня, который приведет к эрозии изоляции в течение многих лет. Проведите оба теста и запишите напряжения начала и окончания разряда до и после термического циклирования.

7. Рекомендации

1. IEC 60601-1:2005+AMD1:2012, Медицинское электрооборудование — Часть 1: Общие требования к базовой безопасности и основным рабочим характеристикамЖенева: МЭК, 2012.
2. МЭК 60601-2-54, Медицинское электрооборудование — Часть 2-54: Особые требования к базовой безопасности и основным рабочим характеристикам рентгеновского оборудования для рентгенографии и рентгеноскопии.Женева: МЭК, 2018.
3. МЭК 60384-8, Неподвижные конденсаторы для использования в электронном оборудовании — Часть 8: Неподвижные конденсаторы с керамическим диэлектриком, класс 1Женева: МЭК, 2015.
4. МЭК 60270, Методы высоковольтных испытаний — Измерения частичных разрядовЖенева: МЭК, 2015.
5. Эриксон Р.В. и Максимович Д., Основы силовой электроники, 3-е изд. Чам: Спрингер, 2020.
6. Мохан, Н., Унделанд, Т.М., и Роббинс, В.П. Силовая электроника: преобразователи, применение и дизайн, 3-е изд. Хобокен, Нью-Джерси: Wiley, 2003.
7. IEC 60664-1:2020+AMD1:2025 CSV, Координация изоляции оборудования в низковольтных системах электроснабжения – Часть 1: Принципы, требования и испытания, Изд. 3.1. Женева: Международная электротехническая комиссия, 2025.
8. США 10,529,487, Многослойный керамический конденсатор с внутренними электродами, имеющими различное расположение краев., Taiyo Yuden Co., Ltd., выдано в 2020 г., https://www.freepatentsonline.com/10529487.html.
9. Т. Мизутани, Методы измерения пространственного заряда и пространственный заряд в полиэтиленеIEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, vol. 1, no. 5, pp. 923-933, 1994. https://doi.org/10.1109/94.326659
10. ГБ/Т 17702-2021, 电力电子电容器 (Конденсаторы для силовой электроники). Пекин: 国家市场监督管理总局, 2021 г.
11. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com