Внутрискважинный трансформатор тока: конденсаторы на 150 С с утечкой менее мкА.

Внутрискважинный трансформатор тока: конденсаторы на 150 С с утечкой менее мкА.

Резюме

Температура на забое скважины выше 150 °C выводит конструкцию высоковольтных конденсаторов за пределы обычного номинального значения в 125 °C. Емкость падает, утечка увеличивается, а срок службы сокращается примерно в 240 раз по сравнению с эталонным значением в 85 °C. В этой статье приводятся модели поляризации, сопротивления изоляции и Аррениуса, лежащие в основе этих значений, три типа отказов, наблюдаемых в каротажных приборах, и шесть этапов проектирования с использованием измеренных полевых данных из скважины глубиной 4,500 м.

1. Введение

Разведка нефти и газа продолжает смещаться в сторону сверхглубоких скважин, при этом температура на забое превышает 150 °C при давлении выше 100 МПа. Каротаж в процессе бурения и каротаж с использованием проволочного кабеля позволяют создавать трехмерные изображения керна внутри скважины для оценки пласта.

В детекторе используются фотоумножители или кремниевые фотоумножители, которым требуется стабильное напряжение смещения от 800 до 1,500 В. Это напряжение должно обеспечивать стабильную выходную мощность и оставаться неизменным на протяжении всего цикла регистрации данных, который может длиться 72 часа и более.

Обычные высоковольтные керамические конденсаторы рассчитаны на температуру до 125 °C. При температуре выше этого значения изменяется поляризация диэлектрика, многократно возрастает ток утечки, а сопротивление изоляции падает. В результате компонент самонагревается, пульсации на выходе увеличиваются, и происходит отказ.

В этой статье рассматриваются физические аспекты этого предела, три причины его возникновения в скважине, а также шесть этапов проектирования, позволяющих довести рабочую температуру до 150 °C.

2. Основной механизм

2.1 Зависимость диэлектрической поляризации от температуры

Для керамики II класса на основе BaTiO3 пик диэлектрической проницаемости наблюдается вблизи точки Кюри, которая находится примерно на уровне 120–130 °C. Выше пика диэлектрическая проницаемость быстро падает, а потери возрастают.

Диэлектрик N4700 модифицирован для расширения пика Кюри и его смещения в сторону более высоких температур, что выравнивает кривую зависимости емкости от температуры в диапазоне от −25 °C до +150 °C. Его температурный коэффициент остается в пределах ±15%, в отличие от +22/−82% для компонента Y5V.

Именно эта плоская кривая обеспечивает стабильность выходного сигнала умножителя. Диэлектрик, теряющий половину своей емкости при 150 °C, одновременно сдвигает падение выходного сигнала умножителя и пульсации.

2.2 Сопротивление изоляции и утечка при высоких температурах

Сопротивление изоляции уменьшается с повышением температуры:

R_iso(T) = R_iso(T0) · exp[ B · (1/T − 1/T0) ]

Где R_iso(T0) — сопротивление изоляции при эталонной температуре T0, B — материальная постоянная в кельвинах, а T — абсолютная температура в кельвинах. Постоянная B равна E_a/k, и E_a приближается к 1.0 эВ для модели срока службы.

Проводимость утечки имеет более пологий характер и собственную энергию активации около 0.55 эВ, поэтому ток удваивается примерно каждые 10 °C:

I_leak(T) = I_leak(T0) · 2^((T − T0)/10)

Где I_leak(T0) — утечка при эталонной температуре в амперах, а T — рабочая температура в кельвинах. Некачественный компонент может пропускать микроамперы при 150 °C и номинальном напряжении.

Эта утечка преобразуется в тепло по формуле P = V²/R_iso, которое может достигать сотен милливатт. Тепло увеличивает утечку, а утечка увеличивает тепло.

2.3 Модель Аррениуса продолжительности жизни

Продолжительность жизни уменьшается с повышением температуры по кривой Аррениуса:

L(T) = L0 · exp[ (E_a / k) · (1/T − 1/T0) ]

Где L0 — время жизни при эталонной температуре T0, E_a — энергия активации в электронвольтах, а k — постоянная Больцмана в электронвольтах на кельвин.

При энергии активации E_a, равной 1.1 эВ, и эталонной температуре 85 °C, срок службы детали при 150 °C сокращается примерно в 240 раз. Поэтому выбор материала, упаковка и проверка имеют большее значение, чем простое снижение номинальных характеристик.

2.4 Скрининг и проверка при температуре

Заявленная рабочая температура 175 °C сама по себе не гарантирует длительный срок службы. Запросите у поставщика данные о старении при максимальной рабочей температуре: после 1,000 часов изменение емкости менее ±3%, увеличение tanδ менее 25%, а также частичный разряд на уровне 5 пКл или ниже.

Термический шок должен составлять от −40 °C до +175 °C в течение 100 циклов. Вместо данных только при комнатной температуре следует запрашивать кривые CT, tanδ-T и R_iso-T, поскольку значения при комнатной температуре не позволяют предсказать поведение в скважине.

2.5 Полевые данные, полученные с помощью каротажа КТ.

При проведении каротажа в процессе бурения на глубине 4,500 м была измерена температура окружающей среды 155 °C. В качестве источника смещения использовались компоненты HVC N4700, рассчитанные на температуру до 175 °C, работающие при напряжении, составляющем 45% от номинального.

После 72 часов непрерывной работы повышение емкости конденсатора составило 6 К, пульсации на выходе оставались ниже 0.3%, а дрейф коэффициента усиления фотоумножителя — ниже 1%. Эти показатели соответствуют требованиям к стабильности для визуализации скважин.

Рис. 1 — Ток утечки удваивается примерно каждые 10 °C, поэтому деталь, которая протекает 10 нА при 25 °C, достигает предела в 1 мкА при 91 °C.

3. Проблемы проектирования

Проблемная точка 1: коллапс емкости и скачок потерь.

Микросхемы X7R и X5R рассчитаны на температуру до 125 °C, и многие инженеры прекращают считывание показаний на этом уровне. При 150 °C емкость такой микросхемы может упасть более чем на 50%, а тангенс угла диэлектрических потерь (tanδ) может подскочить с 0.2% до более чем 2%.

Измерения при 150 °C и 50% от номинального напряжения показывают, что DF_eff возрастает с 0.3% при комнатной температуре до более чем 3%. Это удваивает пульсации на выходе умножителя и приводит к появлению случайных ярких пятен на изображении. Инструмент регистрации данных, которому требуется стабильность оттенков серого лучше 1%, не может допустить такого дрейфа.

Проблема 2: Самонагрев из-за утечек и тепловой разгон

Отвод тепла внутри каротажного прибора недостаточен, поэтому самонагреву некуда деваться. Увеличение утечки на порядок повышает мощность самонагрева в тот же коэффициент, поскольку P = V²/R_iso.

Деталь, пропускающая 10 нА при 25 °C, достигает 1 мкА при 91 °C и 58 мкА при 150 °C, что увеличивает мощность самонагрева в 5,800 раз. Внутри герметичного корпуса инструмента повышение температуры может превышать 30 К, и цикл замыкается: больше тепла, больше утечки, больше тепла, пока не произойдет пробой диэлектрика.

Болевой пункт 3: Микротрещины и частичное выделение

Вибрация при бурении, достигающая 20 g, подвергается температурному циклу от 25 °C на поверхности до 150 °C в скважине при каждом проходе. Керамика, электроды и герметизирующий материал расширяются в разной степени, в результате чего образуются микротрещины.

На кончике трещины происходит концентрация поля и снижение напряжения начала разряда. Частичный разряд возрастает с менее чем 5 пКл при отгрузке до десятков пКл, и диэлектрик разрушается до полного выхода из строя. При повторном воздействии поля примерно в 60% случаев высокотемпературные отказы сопровождаются межзеренными микротрещинами, а уровень частичных разрядов на порядок выше заводских значений.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Расширить температурный диапазон за счет высокотемпературной детали класса I.

HVC предлагает N4700 Детали рассчитаны на температуру до 175 °C с погрешностью измерения TCC в пределах ±15% и tanδ ниже 0.2%. При 150 °C они сохраняют более 85% номинальной емкости, поэтому выходной сигнал умножителя остается стабильным. Убедитесь, что протокол испытаний охватывает реальную максимальную рабочую температуру, а не только стандартные данные для 125 °C.

Стратегия 2: Применение комбинированного снижения номинальных характеристик по напряжению и температуре.

Удерживайте напряжение V_op на уровне 0.5 В_rated или ниже. Комбинированная модель имеет следующие характеристики:

L(V,T) = L0 · (V_rated / V_op)^n · exp[ (E_a / k) · (1/T − 1/T0) ]

Где V_rated — номинальное напряжение в вольтах, V_op — рабочее напряжение в вольтах, n — показатель степени от 7 до 9, а T — рабочая температура в кельвинах. Уменьшение V_op вдвое и снижение температуры в самой горячей точке со 150 °C до 125 °C увеличивает срок службы примерно в 850–3,400 раз.

В геофизическом приборе температура в зоне перегрева должна оставаться ниже 130 °C, если это позволяет механическая конструкция.

Стратегия 3: Контроль утечек и мощности самонагрева.

Необходимо, чтобы ток утечки I_leak был ниже 1 мкА при номинальном напряжении и температуре 150 °C, затем оценить его повышение:

ΔT = P_loss · R_th = (V² / R_iso) · R_th

Где V — напряжение смещения в вольтах, R_iso ​​— сопротивление изоляции в омах, а R_th — тепловое сопротивление в кельвинах на ватт. При R_th равном 50 К/Вт и P_loss менее 0.1 Вт повышение температуры остается ниже 5 К, что далеко от зоны неуправляемого роста.

При сборке держите конденсаторы подальше от трансформаторов и силовых устройств, а в местах с ограниченным пространством для монтажа добавьте теплоизоляционный слой. Используйте их в паре с... резисторы выборки HVRGHP, которые поддерживают свое соотношение на уровне 150 °C и вносят незначительный собственный дрейф.

Стратегия 4: Использование высокотемпературной инкапсуляции и блокирование миграции ионов.

Используйте высокотемпературную эпоксидную смолу или силикон с температурой стеклования выше 150 °C. Избегайте использования припоя, содержащего серебро, в местах соединения электродов и выводов, поскольку ионы серебра перемещаются при высокой температуре и сильном поле. В HVC используются никелевые и медные выводы с внутренними электродами, не содержащими серебра, чтобы снизить этот риск. Герметизирующий материал должен быть плотным и без пузырьков, чтобы предотвратить проникновение влаги при высокой температуре.

Стратегия 5: Добавить мониторинг температуры и активное снижение мощности.

Разместите терморезисторы NTC или термопары рядом с конденсаторами. Когда температура превысит 140 °C, управляющая электроника отключит ток в лампе или приостановит сканирование, чтобы компоненты не достигли предельной температуры. Измеряйте температуру не реже одного раза в секунду и обеспечьте два уровня защиты — аппаратный и программный — чтобы отказ в одной точке не оставил смещение включенным.

Стратегия 6: Провести оценку воздействия факторов окружающей среды на каждый участок.

Каждую партию подвергают 1,000 часам испытаний при температуре 85 °C и относительной влажности 85 %, 100 циклам термического удара от −40 °C до +150 °C и случайной вибрации 20 g в диапазоне частот от 10 Гц до 2,000 Гц. Предварительная проверка позволяет отсеять детали, вышедшие из строя на ранних стадиях, до того, как они попадут в оборудование, которое невозможно обслуживать в скважине. Компания HVC предоставляет отчеты об испытаниях на старение и ударные нагрузки для файла надежности.

Предпродажные проверки

• Получите отчет за 150 °C / 1,000 ч: изменение емкости менее ±3%.
• Подтверждено отсутствие растрескивания после 100 циклов нагрева от −40 °C до +175 °C.
• Убедитесь, что утечка не превышает 1 мкА при номинальном напряжении и температуре 150 °C.
• Убедитесь, что разрядное напряжение составляет 5 пКл или меньше при номинальном напряжении и температуре 150 °C.
• Создайте случайную вибрацию с усилием 20 g в диапазоне частот от 10 Гц до 2,000 Гц.
• Соберите кривые CT, tanδ-T и R_iso-T во всем диапазоне.

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. Конденсаторы HVC для питания смещения в скважине.

Надежность в скважине обеспечивается тремя свойствами компонентов: температурным диапазоном выше температуры окружающей среды, низкими потерями при этой температуре и корпусом, выдерживающим перегрузки 20 g и 100 термических циклов. Компания HVC производит компоненты для всех трех параметров на собственном заводе площадью 6,000 м² в Дунгуане, охватывая диапазон напряжений от 1 кВ до 150 кВ.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• Рассчитан на температуру до 175 °C. Модифицированный диэлектрик класса I и высокотемпературная упаковка преодолевают обычный предел в 125 °C, обеспечивая внутреннюю стабильность ±15% в диапазоне от −25 °C до +150 °C.
• Значение tanδ ниже 0.2% при 150 °C. Потери остаются контролируемыми при рабочей температуре, поэтому пульсации множителя и самонагрев остаются небольшими.
• Ток утечки I_leak находится в субмикроамперном диапазоне. Самонагрев в режиме ожидания не превышает 5 К, что предотвращает выход микросхемы из-под контроля.
• Выдерживает случайную вибрацию 20 g и циклические колебания от −40 °C до +150 °C. Корпус и клеммы сохраняют свой механический запас прочности на протяжении всего цикла регистрации данных.
• Заводская проверка на частичные разряды при 5 пКл. Ранние разряды, вызванные микротрещинами и пустотами, удаляются перед отгрузкой компонентов. Серия дверных ручек HVCT8G Проверяется аналогичным образом.
• Сравнение диэлектрических свойств. Обычный пленочный конденсатор Обладает низкими потерями при комнатной температуре, а при температуре выше 125 °C запас прочности полимерной пленки снижается, что не соответствует целевому показателю для скважины.

Скоординированные детали в одном резервуаре

Цепь смещения требует не только конденсаторов. HVR-BSP градуировочные резисторы Распределите магнитное поле по всей структуре умножителя таким образом, чтобы ни один отдельный каскад не принимал на себя всю нагрузку при температуре 150 °C.

Выпрямительный каскад работает при той же температуре, поэтому быстровосстанавливающиеся высоковольтные диоды Они проверяются на соответствие тем же пределам обратного восстановления и частичных разрядов, что и конденсаторы в цепочке.

Доставка и поддержка

Стандартные компоненты отгружаются в течение 4–8 недель, а изготовленные на заказ высокотемпературные комплекты — в течение 6–10 недель. Инженеры-технологи HVC оказывают поддержку в расчете снижения номинальных характеристик, анализе тепловых путей, разработке планов отбора и моделировании надежности. Компоненты HVC соответствуют электрическим параметрам... Vishay Детали HVCC, Murata DHS/DHR и TDK UHV/FHV поставляются с отчетами об отслеживаемости партий.

Отправьте температуру нижнего отверстия, напряжение смещения, продолжительность работы и профиль вибрации. HVC в течение пяти рабочих дней предоставит вам лист выбора конденсаторов с кривыми CT, tanδ-T и R_iso-T, а также комплект для оценки с двумя образцами.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Почему стандартные высоковольтные конденсаторы выходят из строя при температуре 150 °C?

Поскольку пик диэлектрической проницаемости находится вблизи точки Кюри при температуре от 120 до 130 °C. Выше этой точки диэлектрическая проницаемость падает, а потери возрастают, поэтому емкость уменьшается, а тангенс угла диэлектрических потерь увеличивается. Одновременно возрастает и утечка, что, помимо потерь, приводит к самонагреву.

Вопрос 2: Сколько времени занимает поддержание температуры 150 °C?

При энергии активации 1.1 эВ по сравнению с эталонной температурой 85 °C срок службы увеличивается примерно в 40 раз. Снижение температуры горячей точки со 150 °C до 125 °C компенсирует большую часть этого разрыва, а уменьшение рабочего напряжения вдвое добавляет еще один коэффициент — в 128 раз, до 512.

В3: Какой ток утечки допустим в скважине?

При номинальном напряжении и температуре 150 °C ток составляет менее 1 мкА. При тепловом сопротивлении 50 К/Вт самонагрев не превышает 5 К, что значительно ниже области, где утечка и тепло взаимно усиливают друг друга. Все значения выше этого необходимо проверять с помощью тепловой модели.

Вопрос 4: Как предотвратить миграцию серебра в клеммах?

Не допускайте попадания серебра в электроды и соединительные элементы. В HVC используются никелевые и медные выводы с внутренними электродами, не содержащими серебра, и плотный герметик без пузырьков, поэтому влага не может переносить ионы по поверхности при высокой температуре.

В5: Какую проверку должна пройти каждая партия?

1,000 ч при 85 °C и 85% относительной влажности, 100 циклов термического шока от −40 °C до +150 °C и случайная вибрация 20 g от 10 Гц до 2,000 Гц. Запросите отчет о старении, а также кривые CT и R_iso-T в реальном рабочем диапазоне.

В6: Могу ли я просто снизить номинальные характеристики детали, рассчитанной на 125 °C, вместо того, чтобы покупать деталь, рассчитанную на 175 °C?

Нет. Снижение номинальных характеристик уменьшает электрическое напряжение и не может изменить диэлектрические свойства при 150 °C. Деталь, рассчитанная на 175 °C и имеющая модифицированный диэлектрик класса I, сохраняет более 85% своей емкости при 150 °C, что и обеспечивает стабильность выходного сигнала умножителя.

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. К. Ориа, А. Ортис, Д. Ферреньо, И. Карраскаль и И. Фернандес, Современный обзор характеристик целлюлозных диэлектрических материалов в силовых трансформаторах: механический отклик и старение.IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, vol. 26, no. 3, pp. 939-954, 2019. https://doi.org/10.1109/tdei.2019.007896
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. Зинке, О., и Зайтер, Х., Widerstände, Kondensatoren, Spulen und ihre Werkstoffe, 2. Ауфл. Берлин: Спрингер, 1982.
10. М. Помпили и Р. Бартникас, При измерении частичных разрядов в диэлектрических жидкостяхIEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, vol. 19, no. 5, pp. 1476-1481, 2012. https://doi.org/10.1109/tdei.2012.6311489
11. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com