Надежность конденсаторов 225 кВ для контроля композитных материалов в аэрокосмической отрасли с помощью компьютерной томографии.

Надежность конденсаторов 225 кВ для контроля композитных материалов в аэрокосмической отрасли с помощью компьютерной томографии.

Резюме

Для проведения компьютерной томографии композитных материалов в аэрокосмической отрасли требуется напряжение от 160 до 225 кВ для проникновения через толстые детали из углепластика или сотовой структуры, а стоимость одного сканирования составляет десятки тысяч долларов. На этом уровне надежность определяется последовательно соединенным конденсаторным блоком: неравномерное распределение напряжения, коронный разряд и диэлектрический нагрев сокращают срок службы. В этой статье приводятся закон распределения напряжения, пороговое значение коронного разряда и закон термического старения. Затем описываются шесть шагов, обеспечивающих стабильное напряжение питания 225 кВ в течение длительного сканирования.

1. Введение

В аэрокосмической отрасли к характеристикам материалов предъявляются самые высокие требования, чем в большинстве других отраслей. Композиты из углеродного волокна, керамические композиты и сотовые панели используются в фюзеляжах, крыльях, корпусах двигателей и каркасах спутников. Каждый из них обеспечивает высокую прочность на единицу массы и свободу выбора формы.

Каждый из этих методов также выявляет скрытые дефекты: расслоение, пустоты, застревание материала и повреждения от ударов. Ультразвуковая и пленочная рентгенография с трудом позволяют получить полную трехмерную картину этих дефектов. Промышленная компьютерная томография стала стандартным инструментом для исследования композитных деталей.

Толщина стенок и плотность композитной детали требуют использования высокоэнергетических рентгеновских лучей. Для сотового профиля из углеродного волокна или алюминия толщиной в десятки миллиметров используется рентгеновская трубка с напряжением от 160 до 225 кВ или выше. Система с напряжением 225 кВ позволяет видеть сквозь большинство конструкционных элементов и выявлять дефекты размером 1 мм или менее.

Высокое напряжение создает свои проблемы. Источник питания должен обеспечивать стабильную выходную мощность в течение нескольких часов. Конденсаторы, резисторы и диоды в кабеле и цепи умножителя находятся под постоянным высоким электрическим полем, где основными причинами отказов становятся коронный разряд, диэлектрические потери и старение изоляции.

2. Основной механизм

2.1 Распределение напряжения между последовательно соединенными элементами

Цепочка умножителей включает множество конденсаторов, соединенных последовательно, для поддержания полного выходного напряжения. В идеальном случае на каждую деталь приходится напряжение V_total, деленное на n. На практике сопротивление изоляции, ток утечки и тангенс угла диэлектрических потерь различаются от детали к детали, поэтому деление происходит неравномерно.

Для n последовательно соединенных конденсаторов установившееся напряжение на компоненте i составляет:

V_i ≈ V_total · (R_ins,i / Σ R_ins,j)

где V_i — напряжение на компоненте i, V_total — выходное напряжение, R_ins,i — сопротивление изоляции компонента i, а Σ R_ins,j — сумма по всей сборке. Компонент с низким сопротивлением изоляции потребляет меньше вольт, а остальные — больше.

В этом случае локальное поле выходит за пределы допустимых значений. В аэрокосмической ячейке наблюдаются значительные колебания влажности, что увеличивает разброс сопротивления изоляции. Поэтому требуются, а не являются необязательными, детали с очень низким уровнем утечки и узким диапазоном размеров.

2.2 Зарождение коронавируса и способы его сдерживания

Коронный разряд — это локальный пробой газа под действием сильного электрического поля. Согласно закону Пашена, напряжение пробоя газового зазора зависит от произведения давления и длины зазора:

V_B = f(p · d)

где V_B — напряжение пробоя, p — давление газа, а d — длина зазора. При комнатной температуре поле на остром крае или выводе может значительно превышать среднее поле, и там начинается коронный разряд.

Коронный разряд приводит к образованию озона и оксидов азота, которые разъедают металлические электроды и органическую изоляцию. Он также излучает широкополосный шум, достигающий сигнала детектора. При напряжении питания 225 кВ каждый конденсатор умножителя может работать при напряжении от 10 до 30 кВ, а поле на краю электрода является обычным местом возникновения коронного разряда.

Уровень возникновения разряда зависит от состояния поверхности, пустот в компаунде и влажности. Деталь с внутренними пустотами также может разряжаться внутри керамики. В аэрокосмической системе с напряжением 225 кВ обычно требуется уровень частичного разряда ниже 5 пКл при номинальном напряжении, а также коронный разряд при низком давлении.

2.3 Диэлектрические потери и выделяемое ими тепло

Конденсатор, работающий под воздействием пульсаций переменного тока или импульсной нагрузки, преобразует часть энергии в тепло. Потери мощности следующие:

P_loss = 2πf · C · V_rms² · tanδ_eff

где P_loss — мощность потерь, f — частота, C — емкость, V_rms — среднеквадратичное напряжение, а tanδ_eff — эффективный тангенс угла потерь. Даже при 0.1% высокое значение V_rms и количество элементов в цепи 225 кВ приводят к большим суммарным потерям.

Этот нагрев повышает температуру корпуса и ускоряет старение диэлектрика. Большой резервуар с плохой циркуляцией воздуха может удерживать тепло, поэтому показатель потерь имеет такое же значение, как и номинальное напряжение.

2.4 Тепловые характеристики и срок службы

С повышением температуры жизнь быстро угасает. Соотношение Аррениуса связывает эти два явления:

L = L_0 · exp[ (E_a / k_B) · (1/T − 1/T_0) ]

где L — время жизни при температуре T, L_0 — время жизни при эталонной температуре T_0, E_a — энергия активации, а k_B — постоянная Больцмана. Керамический конденсатор обычно имеет значение E_a около 0.3 эВ — 0.5 эВ, а время жизни уменьшается вдвое при каждом повышении температуры на 10 °C.

Деталь, работающая на 20 °C выше из-за высоких потерь или плохого теплообмена, достигает лишь 25% от своего номинального срока службы. При длительном сканировании в аэрокосмической отрасли это проявляется как медленная потеря емкости, повышение коэффициента демпфирования и, наконец, повреждение изоляции.

Рис. 1 — Восемь-десять конденсаторов на 30 кВ, соединенных последовательно, распределяют напряжение 225 кВ неравномерно, поэтому разрядный конденсатор, подключенный к каждой части, обеспечивает разделение напряжения и поддерживает разность потенциалов ниже 5 пКл.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Соотношение номинального напряжения и размера детали.

Для получения выходного напряжения 225 кВ требуется множество компонентов, соединенных последовательно. При использовании компонентов на 30 кВ блок вмещает как минимум 8-10 блоков. Аэрокосмический компьютерный томограф менее ограничен по пространству, чем клинический, но генератор все равно должен помещаться в смотровой отсек. Большее количество компонентов означает больший объем, большую массу и большую стоимость.

Более высокое значение номинальной мощности на компонент уменьшает его количество, но при этом увеличивает размер корпуса и снижает емкость на единицу объема. У такого компромисса нет никаких преимуществ.

Болевой пункт 2: Жесткие ограничения коронного разряда и перипротезной плотности.

Покупатели в аэрокосмической отрасли обычно требуют проведения испытаний на коронный разряд или частичные разряды при напряжении, в 1.2–1.5 раза превышающем номинальное, при температуре 85 °C, низком давлении и в условиях повышенной влажности. В таких условиях обычная промышленная деталь может потерять свой запас прочности по частичным разрядам, что препятствует приемке системы. Для отбора и проверки требуется большой объем тестового файла, на создание которого уходят месяцы.

Проблемный момент 3: Смещение параметров во время длительного сканирования.

Иногда комбинированное КТ-сканирование длится от 4 до 8 часов без перерыва, и в течение всего процесса нагревается резервуар. Когда емкость или ток утечки изменяются в зависимости от температуры, выходное напряжение также изменяется, поэтому изображения перестают совпадать по яркости.

Распределение напряжения между последовательно соединенными компонентами также может изменяться под воздействием тепла. Пакет компонентов, сбалансированный при 25 °C, может перегреться до температуры 85 °C, при которой один из компонентов превысит свой предел, и этот компонент начнет разряжаться или выйдет из строя.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Снижение потерь и тепловыделения с помощью диэлектрика класса I.

Диэлектрик класса I Фильтр типа N4700 обеспечивает коэффициент диэлектрической проницаемости ниже 0.1% на частоте 1 кГц, поэтому его потери при заданной пульсации значительно ниже, чем у элементов класса II. Перемещение фильтрующих и энергонакопительных элементов в цепи 225 кВ на этот диэлектрик снижает общее тепловыделение на 30–50%.

Более низкая температура корпуса, согласно закону Аррениуса, продлевает срок службы. Низкая температура стеклования того же диэлектрика также обеспечивает стабильное распределение напряжения по всей структуре, поскольку компоненты взаимодействуют друг с другом под воздействием тепла.

Стратегия 2: Принудительное распределение напряжения с помощью разрядных резисторов.

Даже детали из одной партии немного отличаются друг от друга, и это различие проявляется в виде неравномерного напряжения. Установите разрядный резистор параллельно каждому последовательно соединенному конденсатору, чтобы установившееся напряжение соответствовало резистору, а не току утечки конденсатора:

R_bleed << R_ins,min / n

где R_bleed — значение разрядного сопротивления, R_ins,min — наименьшее сопротивление изоляции в пакете, а n — количество компонентов. Типичные значения варьируются от 10 МОм до 100 МОм, при этом потери остаются небольшими.

Используйте высоковольтные резисторы со стеклянной поверхностью, например, такие: HVRGXP линия для стравливания воздуха. Их коэффициент трения (TCR) низкий, и его значение сохраняется на протяжении многих лет, что обеспечивает сбалансированность стека на протяжении всего срока службы генератора.

Стратегия 3: Использование внутренней двухчиповой компоновки.

В некоторых моделях HVC N4700 два керамических чипа размещаются внутри одного корпуса. В этом случае каждый чип получает половину напряжения, что уменьшает поле на каждом чипе и поле на краю электрода. Запас по полупроводниковому напряжению увеличивается, и компонент может выдерживать более высокое напряжение в корпусе того же размера.

Второй чип также повышает механическую прочность. Аэрокосмический генератор подвергается воздействию автомобильных перевозок, подъемного оборудования и полевых работ, поэтому ударопрочность важна наряду с электрическим запасом.

Стратегия 4: Герметизация детали от коронного разряда и влаги.

Используйте вакуумную эпоксидную заливку без внутренних пустот. Эпоксидная смола должна обладать диэлектрической прочностью выше 15 кВ/мм и соответствовать коэффициенту теплового расширения керамики и свинца, иначе циклы нагрева приведут к растрескиванию герметизирующего слоя.

Для создания влажной ячейки нанесите на корпус защитное покрытие или силиконовый слой и поместите осушитель внутрь резервуара. При вакуумной заливке серия N4700 поддерживает частичный разряд ниже 5 пКл при 85 °C и 85% относительной влажности. Установите HVR-BSP Плоская деталь в сливном патрубке, где мало места.

Стратегия 5: Добавить резервирование и мониторинг неисправностей.

Серьезный цикл контроля качества не должен заканчиваться на одной детали. Добавьте параллельную резервную ветвь в критически важных узлах множителя, чтобы единичный сбой не остановил выпуск продукции. Дополнительная ветвь также снижает нагрузку на соседние детали.

Затем следите за показаниями: суммарной пульсацией выходного сигнала, температурой корпуса и количеством импульсов частичных разрядов. Когда количество импульсов или температура превышают заданный уровень, система предупреждает оператора и останавливается для проверки. Следите за выпрямительный диод с быстрым восстановлением в том же контролируемом цикле.

Стратегия 6: Пройти квалификацию при низком давлении и в различных температурных циклах.

Аэрокосмическая ячейка может находиться на высокогорном аэродроме или в жарком ангаре. Проведите испытание давлением, равным высоте 3,000 м, коронный разряд при этом давлении и 100 циклов нагрева в диапазоне от −40 °C до +85 °C. Затем выдержите полную нагрузку при напряжении 225 кВ в течение 4 часов.

Эти четыре теста охватывают полевые условия, которые не удается воспроизвести при стендовых испытаниях. Компания HVC предоставляет файлы экологических испытаний для линейки N4700, включая данные о коронном разряде низкого давления, которые запрашивают покупатели. Сочетайте конденсаторы с дверная ручка конденсаторы в узлах, где важна емкость на единицу объема.

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 N4700 для цепи умножителя на 225 кВ.

Для установки на 225 кВ необходимы компоненты, которые работают в одном напряжении, сохраняют свои значения и обладают большим запасом по частичным разрядам. Компания HVC производит компоненты класса I N4700 для всех трех типов устройств на собственном заводе площадью 6,000 м² в Дунгуане, с номинальными напряжениями от 1 кВ до 150 кВ.

Шесть важных характеристик здесь

• Коэффициент потерь ниже 0.1% на частоте 1 кГц. Низкие потери снижают потери мощности (P_loss) в разделе 2.3, что, согласно закону Аррениуса, уменьшает температуру корпуса и продлевает срок службы.
• Стабильная емкость при нагревах и смещении. Узкий температурный коэффициент заполнения и малый разброс параметров партии обеспечивают сбалансированное распределение напряжения по всей длинной последовательной структуре.
• Частицы разряда ниже 5 пКл при номинальном напряжении и при напряжении, в 1.2 раза превышающем номинальное. Вакуумная заливка и формирование кромок обеспечивают низкое давление и высокую влажность на краю коронного разряда.
• Внутренняя двухчиповая компоновка. Половина площади кристалла расширяет запас по напряжению и повышает ударопрочность при транспортировке и обращении в полевых условиях.
• Широкий ассортимент и выбор корпусов. Номинальные напряжения от 1 кВ до 150 кВ, емкость от 1 пФ и выше, в вариантах SMD, с радиальными выводами, винтовыми клеммами и в модульном исполнении, что позволяет разместить модульную систему в любом месте.
• Данные для перекрестной проверки. Компоненты HVC соответствуют электрическим характеристикам. Vishay Свинцовые компоненты HVCC, Murata DHS/DHR и TDK, с таблицей, отображающей номера компонентов.

Доставка и поддержка

Стандартные детали отгружаются в течение 4-8 недель. Инженеры-технологи HVC оказывают поддержку в проектировании компоновки стека, выборе дренажных патрубков, моделировании множителей и разработке плана экологических испытаний для приемки в аэрокосмической отрасли.

Отправьте выходное напряжение, количество серий, длину сканирования, температуру корпуса и диапазон давления. HVC в течение пяти рабочих дней предоставит вам таблицу соответствия с номерами деталей, файлами PD и коронного разряда, а также комплект из двух образцов. пленочный конденсатор Этот параметр можно проверить в том же запросе, если для данной позиции требуется другая технология.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Сколько конденсаторов необходимо для батареи на 225 кВ?

При напряжении 30 кВ, как минимум 8-10 элементов в последовательном соединении. Количество определяется по номиналу отдельного элемента с запасом на неравномерное распределение, поскольку в стеке напряжение никогда не распределяется идеально равномерно. Добавьте резервную ветвь перед запасом и помните, что более высокий номинал на элемент уменьшает количество элементов, но увеличивает размер корпуса.

В2: Почему происходит сбой в распределении напряжения?

Поскольку сопротивление изоляции, ток утечки и тангенс угла диэлектрических потерь различаются у разных компонентов, установившееся значение напряжения зависит от сопротивления изоляции, поэтому компонент с низким сопротивлением потребляет меньше вольт и повышает напряжение остальных компонентов. Влага увеличивает этот разброс. Разрядный резистор, подключенный к каждому компоненту, заставляет напряжение следовать значению сопротивления этого резистора.

В3: Какой уровень ПД должны выдерживать эти детали?

Температура ниже 5 пКл при номинальном напряжении и ниже 5 пКл при напряжении, в 1.2 раза превышающем номинальное, если этого требует покупатель. Испытания проводятся при температуре 85 °C и низком давлении, поскольку коронный разряд начинается раньше, когда воздух разрежен. Деталь с внутренней полостью может пройти испытание при комнатной температуре, но выйти из строя в камере низкого давления.

Вопрос 4: Во сколько обходится отопление в повседневной жизни?

Срок службы сокращается вдвое при каждом повышении температуры корпуса на 10 °C. Деталь, работающая при температуре на 20 °C выше, достигает примерно 25% от своего номинального срока службы, поэтому ожидаемый 10-летний срок службы может сократиться до 2.5 лет. Чтобы уменьшить потери, используйте диэлектрик класса I, поддерживайте температуру корпуса ниже 85 °C и обеспечьте приток воздуха в местах, где резервуар удерживает тепло.

Вопрос 5: Какие детали в цепи на 225 кВ выходят из строя первыми?

Участок с наименьшим сопротивлением изоляции или участок с наименьшим запасом по частичным разрядам. В любом случае повышается локальное поле, и поле на краю электрода начинает разряжаться. Разряд затем увеличивает потери, что повышает температуру, а это, в свою очередь, снижает сопротивление изоляции. В условиях повышенной влажности цикл протекает быстрее.

В6: Какие испытания входят в программу квалификации в аэрокосмической отрасли?

Четыре группы испытаний. Испытание на выдерживание напряжения в 1.5 раза превышающего номинальное, испытание на частичный разряд при напряжении в 1.2 раза превышающем номинальное, испытание на коронный разряд при давлении, равном высоте 3,000 м, и цикл нагрева (100 циклов) в диапазоне температур от −40 °C до +85 °C. Затем выдерживание полной нагрузки при напряжении 225 кВ в течение 4 часов и измерение емкости и коэффициента демпфирования до и после испытаний.

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 60384-8, Неподвижные конденсаторы для использования в электронном оборудовании — Часть 8: Неподвижные конденсаторы с керамическим диэлектриком, класс 1Женева: МЭК, 2015.
3. МЭК 60270, Методы высоковольтных испытаний — Измерения частичных разрядовЖенева: МЭК, 2015.
4. MIL-STD-202, Методы испытаний электронных и электрических компонентовВашингтон, округ Колумбия: Министерство обороны США, 2020.
5. Куффель, Э., Заенгль, В.С., и Куффель, Дж. Основы высоковольтной техники, 2-е изд. Оксфорд: Ньюнес, 2000.
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. А. Будиаф, С. Буазабиа, Н. Харид и М.Л. Амрани, Аналитический расчет порога частичного разряда в газовой полости внутри изоляции высоковольтного кабеля.Электротехника, том 104, № 2, стр. 555-565, 2021. https://doi.org/10.1007/s00202-021-01310-9
8. США 6,760,215, Конденсатор с высоким порогом пробоя напряжения, Д.Ф. ДеВо (связанный с Пресидио), патент выдан в 2004 г., https://www.freepatentsonline.com/6760215.html .
9. MIL-PRF-55681 Ред. H, Конденсатор, чип, многослойный, фиксированный, с керамическим диэлектриком, с установленной и неустановленной надежностью, общие технические характеристики.Колумбус, Огайо: DLA Land and Maritime, 2025.
10. Р. Сарати и Г. Коперундеви, Исследование активности частичных разрядов отдельных проводящих частиц в трансформаторном масле при постоянном напряжении с использованием метода УВЧ.IET Science, Measurement & Technology, том 3, № 5, стр. 325-333, 2009. https://doi.org/10.1049/iet-smt.2008.0136
11. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com