Пределы частичного разряда и срок службы высоковольтных конденсаторов для компьютерных томографов

Пределы частичного разряда и срок службы высоковольтных конденсаторов для компьютерных томографов

Резюме

Частичный разряд разрушает диэлектрик высоковольтного керамического конденсатора задолго до его выхода из строя. В этой статье рассматриваются условия возникновения разряда по Таунсенду, энергия, выделяемая за один разряд, и обратный степенной закон, связывающий кажущийся заряд с часами работы. Затем рассматриваются ускорение разряда при повышении напряжения и температуры, три условия испытаний, имеющие значение для работы трансформатора тока, и предел частичных разрядов, обеспечивающий целевой срок службы в 10 000 часов.

1. Введение

Генератор с трансформатором тока переключает высоковольтную ступень с частотой 20–100 кГц. Фильтрующие и умножающие конденсаторы работают при напряжении 2–30 кВ и подвергаются импульсным токам в каждом цикле. Их изоляция деградирует из-за небольших внутренних разрядов, а не из-за одного крупного разряда.

Частичный разряд возникает внутри пустоты, трещины или заусенца на краю электрода. Разряд сжигает небольшое количество керамики и полимера вокруг себя. Тысячи часов такого повреждения открывают проводящий канал через диэлектрик.

Уровень частичных разрядов и срок службы удивительно точно совпадают. Каждое десятикратное увеличение кажущегося заряда сокращает срок службы примерно в десять раз. Деталь, показывающая 50 пКл вместо 5 пКл, выходит из строя через 1,000 часов вместо 10 000 часов при той же нагрузке.

В этой статье приводятся условия возникновения события, энергия на одно событие и две модели срока службы. Затем описываются условия испытаний и этапы проектирования, позволяющие удерживать частичные разряды в пределах допустимых значений на протяжении всего срока службы сканера.

2. Основной механизм

2.1 Условия возникновения внутри пустоты

Газ в пустоте имеет меньшую прочность на пробой, чем окружающая его керамика. Свободные электроны получают энергию от локального поля, ионизируют молекулы газа и запускают лавину. Условие Таунсенда определяет начало процесса:

α · d = ln(1 + 1 / γ)

где α — коэффициент ионизации электронов в 1/мм, d — толщина пустоты в мм, а γ — коэффициент вторичной электронной эмиссии стенки пустоты. Заряд, считываемый детектором, представляет собой кажущийся заряд q в пКл, измеренный при напряжении, в 1.2 раза превышающем номинальное.

2.2 Энергия на одно событие и долгосрочный ущерб

Каждый разряд за наносекунды высвобождает небольшой заряд. Энергия одного такого события составляет:

W = (1 / 2) · q · V_inc

где W — энергия на одно событие в мкДж, q — кажущийся заряд в пКл, а V_inc — напряжение начала реакции в кВ. При частоте повторения N событий в секунду средняя мощность, передаваемая в пустоту, составляет:

P_pd = W · N

где P_pd — рассеиваемая мощность в мВт. Одно событие при 20 пКл на участке с напряжением 10 кВ переносит всего 0.1 мкДж. При 10 000 событиях в секунду это составляет 1 мВт непрерывного локального нагрева на площади 0.1 мм². За 10⁹ циклов повреждения суммируются, образуя обугленный канал.

2.3 Обратный степенной закон между ДПД и продолжительностью жизни

Данные об ускоренном старении керамических конденсаторов соответствуют простому степенному закону:

L = L₀ · (q / q₀)^(−β)

где L — медианное время жизни в часах, L₀ — эталонное время жизни в часах при эталонном заряде q₀, q — кажущийся заряд в пКл, а β — материальная константа в диапазоне от 0.8 до 1.5.

При L₀ = 1.0 000 ч, q₀ = 5 пКл и β = 1.0, для детали при q = 50 пКл значение L = 1,000 ч. Поскольку β для большинства керамических материалов класса I находится вблизи 1,0, изменение PD в два раза увеличивает срок службы примерно в два раза. Эта чувствительность определяет значение жесткого предельного значения для исходящего материала.

2.4 Ускорение напряжения и температуры

Срок службы в полевых условиях также зависит от электрических и тепловых нагрузок. Комбинированная модель, подходящая для работы с трансформаторами тока, выглядит следующим образом:

L = A · V^(−n) · exp(E_a / (k · T)) · q^(−β)

где A — константа, V — приложенное напряжение в кВ, n — показатель ускорения напряжения от 7 до 10, E_a — энергия активации от 0.8 эВ до 1.2 эВ, k — постоянная Больцмана, T — абсолютная температура в Кельвинах, а β — показатель разности потенциалов.

Показатели степени имеют реальный вес. При n = 8 увеличение напряжения на 10% умножает член, описывающий напряжение, на 2.1. При E_a = 1.0 эВ повышение температуры на 10 К с 350 К умножает тепловой член на 1.4. Оба фактора выводят деталь, находящуюся в пределах допустимого значения частичных разрядов, за пределы целевого срока службы.

Рис. 1 — Средний срок службы подчиняется обратному степенному закону, поэтому деталь с температурой 50 пКл достигает 1,000 часов, в то время как эталонный срок службы при 5 пКл составляет 10 000 часов.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Условия тестирования отличаются от условий эксплуатации.

Многие поставщики измеряют частичные разряды (ЧР) при частоте 50 Гц, комнатной температуре и только в течение короткого времени. Генератор тока (КТ) работает с той же деталью при частоте 20–100 кГц, температуре в камере 85 °C и с вибрацией. Деталь с зарядом 3 пКл на стенде может показать 12 пКл после 500 часов работы при 85 °C и 85% относительной влажности, и, согласно приведенной выше модели срока службы, срок службы сократится в 4 раза.

Проблема 2: Единого порогового значения ПД, подходящего для всех применений, не существует.

В технических характеристиках трансформаторов тока указаны предельные значения 5 пКл, 10 пКл и 20 пКл. Предел в 5 пКл для узла 2 кВ приводит к отбраковке исправных деталей и увеличению стоимости. Предел в 20 пКл для узла 30 кВ позволяет использовать детали, вышедшие из строя в течение двух лет. Правильный предел зависит от напряжения узла, температурного режима и целевого срока службы.

Проблемный момент 3: Между повышением уровня ПАВ и неудачей проходят годы.

Повреждения от частичных разрядов носят кумулятивный и медленный характер. Деталь, превысившая свой предел на 6-м месяце, может выдерживать номинальное напряжение до 40-го месяца. В течение этого периода сканер не регистрирует никаких неисправностей. Когда деталь окончательно выходит из строя, дуга выводит из строя соседние компоненты, и стоимость ремонта возрастает.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Установить лимит исходящих платежей, исходя из целевого показателя жизни.

Исходя из целевого срока службы, действуйте в обратном порядке. Для целевого срока службы КТ-узла в 10 000 часов используйте 5 пКл при напряжении, в 1.2 раза превышающем номинальное. Для круглосуточной высококачественной визуализации используйте 2 пКл. Запросите у поставщика распределение фотодиодов по партиям, а не только информацию о соответствии или несоответствии требованиям.

Стратегия 2: Проверка частичных разрядов при реальной частоте и температуре.

В дополнение к стандартному тесту на частоте 50 Гц добавьте тест на частичные разряды (ЧР) в диапазоне 20–100 кГц при температуре 85 °C. Используйте измеритель ЧР с разрешением 2 пКл и разделительный конденсатор, номинал которого превышает напряжение узла. Высокочастотные условия имеют наибольшее значение: эффекты пространственного заряда усиливаются по мере ускорения изменения направления поля.

Стратегия 3: Применить модель жизненного цикла к ускоренным данным.

Проведите моделирование ускоренного старения при трех напряжениях и трех температурах и подберите значения β, n и E_a. Затем масштабируйте модель до условий эксплуатации с помощью приведенной выше модели. Подобранная модель преобразует показания ПД в прогнозируемое количество часов работы, что необходимо для анализа технических характеристик.

L_field = L_test · (V_field / V_test)^(−n) · exp[(E_a / k) · (1 / T_field − 1 / T_test)] · (q_field / q_test)^(−β)

где L_field — прогнозируемый срок службы в поле в часах, L_test — измеренный срок службы в ускоренном испытании, а индексы обозначают значения напряжения, температуры и заряда в поле и в ходе испытания.

Стратегия 4: Снизить напряженность поля на краю электрода.

Закруглите края электродов и утолщите диэлектрик по краю. Закругленные электроды уменьшают краевое поле на 30–50% в двумерном моделировании поля, что повышает напряжение начала разряда и снижает показания частичного разряда при том же объеме детали.

Стратегия 5: Устранить пробелы с самого начала.

Пустоты являются основными местами возникновения частичных разрядов. Плотное спекание, вакуумная пропитка и покрытие без пустот удаляют их. Сочетание этих процессов со 100% акустическим сканированием и 100% контролем частичных разрядов позволяет избежать попадания в партию заказчика деталей с пустотами размером 20 мкм.

Стратегия 6: Мониторинг ПД на оборудовании.

Добавьте к генератору модуль мониторинга частичных разрядов (ЧР) и регистрируйте уровень ЧР ключевых конденсаторов каждый час. Поднимите флаг технического обслуживания после десятикратного повышения значения по сравнению с заводским. Объедините данные о ЧР с температурой бака и напряжением шины для проведения технического обслуживания по состоянию, а не по календарю.

Параметр компонента	Типичное значение	Условие теста
Номинальная мощность (серия HVR)	50 Вт при 70 °C	алюминиевый корпус, свободный поток воздуха
Значение сопротивления	10 кОм ±5 %	эталонная температура 25 °C
Рабочее напряжение	10 кВ переменного/постоянного тока	(CIJ)
Устойчивость к импульсам	30 кВ при 10 мкс	10 импульсов, класс IEC 60110
Температурный коэффициент (резистивный)	±50 частей на миллион/°C	от −55 °C до +155 °C
сопротивление изоляции	сопротивление выше 1 ГОм при напряжении 1000 В постоянного тока	мин. ползучесть 25 мм
Возможность перенапряжения	100 А при 1 мс	неиндуктивная проволочная обмотка

5. Конденсаторы HVC N4700 для узлов КТ с низким коэффициентом частичных разрядов.

HVC рассматривает частичные разряды (PD) как показатель качества и проектирования, начиная от керамического корпуса и заканчивая окончательным тестированием. В программы CT поставляются дисковые конденсаторы класса I N4700 (T3M) с плотным спеченным корпусом.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• Чрезмерное разрядное напряжение составляет 5 пКл. Ключевые модели поставляются с разрядным напряжением 5 пКл при напряжении, в 1.2 раза превышающем номинальное, а модели премиум-класса остаются ниже 2 пКл. Каждая деталь тестируется, а не отбирается на пробу.
• Диэлектрик N4700. Диэлектрик класса I В результате спекания образуется однородная зернистая структура с небольшим количеством внутренних пустот, что повышает напряжение зарождения.
• Конструкция электрода. Закругленные края и многослойная металлизация уменьшают поле на краю и подавляют начало разряда при рабочем напряжении.
• Двойной контроль. Каждая деталь проходит 100%-ный тест на частичные разряды и 100%-ное акустическое сканирование, поэтому деталь с пустотой размером 20 мкм или трещиной отбраковывается перед отгрузкой.
• Данные о сроке службы. HVC предоставляет данные о сроке службы частичных разрядов, полученные в ходе ускоренных испытаний при температуре 85 °C и частоте 20–100 кГц, с подобранными значениями β, n и E_a. HVRGXP резисторы выборки, резисторы выравнивания HVR-BSP и выпрямительные диоды Они созданы на основе одного и того же экрана с низким коэффициентом PD, включая HVCT8G. дверная ручка конденсаторы для этапов умножения.
• Сравните с ведущими брендами. Компоненты HVC соответствуют электрическим характеристикам и параметрам частичных разрядов. Vishay Свинцовые серии HVCC, Murata DHS и TDK.

Доставка и поддержка

Стандартные компоненты поставляются в течение 4–8 недель, а комплекты, изготовленные на заказ, — в течение 6–10 недель. Инженеры-технологи HVC оказывают поддержку в настройке предельных значений частичных разрядов, настройке высокочастотного тестирования частичных разрядов и подгонке модели срока службы для конкретного узла.

Отправьте напряжение узла, частоту переключения, температуру окружающей среды и целевое значение обслуживания. HVC вернет отчет о тестировании PD, распределение по партиям и комплект для оценки двух образцов в течение пяти рабочих дней.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Почему после установки детали увеличивается ПД?

Нагрев и влажность изменяют поле внутри пустот и проводимость керамической поверхности. Деталь, нагретая до 3 пКл при 25 °C, может показать 12 пКл после 500 часов работы при 85 °C и 85% относительной влажности. Проведение испытаний при рабочей температуре и влажности не имеет большого значения, иначе выходные значения будут незначительными.

Вопрос 2: Является ли 5 ​​пКл правильным пределом для каждого узла?

Нет. Установите предел, исходя из целевого срока службы и нагрузки на узел. Для узла на 2 кВ срок службы составляет 10 000 часов при более мягком пределе, а для узла на 30 кВ, работающего круглосуточно, требуется 2 пКл. Закон обратной степенной зависимости показывает, сколько времени службы можно продлить при заданном уровне частичных разрядов.

В3: Как предсказать продолжительность жизни по одному показателю ПД?

Подберите значения β, n и E_a к матрице ускоренного старения для данного семейства компонентов, затем масштабируйте их с помощью объединенной модели. Одно показание частичного разряда плюс напряжение поля и температура дают оценку количества часов работы. Без подобранных показателей степени предсказание является лишь предположением.

В4: Какое разрешение требуется для тестового комплекта PD?

2 пКл или лучше, с уровнем фонового шума ниже 1 пКл. Прибор с уровнем шума 10 пКл не сможет подтвердить предел в 5 пКл. Перед каждым производственным циклом калибруйте прибор с помощью известного источника импульсного ввода.

В5: Во сколько обходится более жесткий лимит?

Детали, показывающие 6 пКл, выбрасываются или теряют качество, когда предельный уровень составляет 5 пКл, поэтому выход годных изделий падает на несколько процентов. Эти издержки незначительны по сравнению с одной поломкой в ​​полевых условиях: генератор КТ, срабатывающий во время сканирования, теряет возможность проведения исследования и цикл защиты трубки.

В6: Когда система мониторинга ПД должна выдавать предупреждение?

После десятикратного увеличения по сравнению с заводским значением или при любом показании выше 50 пКл на высоковольтном узле. Объедините этот флаг с температурой бака и напряжением шины, чтобы отделить реальную тенденцию частичных разрядов от артефакта тестового набора.

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. 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. Рекомендации по измерению частичных разрядов в соответствии со стандартом IEC 60270П. Мраз, С. Абдул Мадхар, П. Трейер и У. Хаммер (Haefely AG), Репозиторий TU Delft, https://repository.tudelft.nl/record/uuid:81049202-9bf5-4b75-87aa-2b16842fd956 .
9. ГБ/Т 7354-2018, 高电压试验技术 局部放电测量 (Методы испытаний высоким напряжением. Измерения частичных разрядов). Пекин: 中国标准出版社, 2018.
10. США 6,937,027, Гибридный датчик для обнаружения высокочастотных частичных разрядов, Hanyang Hak Won Co., Ltd., выдано в 2005 г., https://www.freepatentsonline.com/6937027.html.
11. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com