ТТ ВН на высоте 3,000 м: закон Пашена и снижение характеристик изоляции

ТТ ВН на высоте 3,000 м: закон Пашена и снижение характеристик изоляции

Резюме

Современные компьютерные томографы работают на высоте более 3,000 м, где разреженный воздух удерживает меньшее напряжение. Конструкция, прошедшая испытания на уровне моря, выходит из строя на плато, и отказ проявляется в виде сигналов тревоги по напряжению и артефактов изображения. В этой статье приводятся значения кривой Пашена для зазора 5 мм, поправки на частичные разряды и ползучесть для высоты 4,000 м, три пути отказа в полевых условиях и шесть этапов проектирования высоковольтных систем компьютерных томографов, рассчитанных на работу на плато.

1. Введение

Многоуровневые программы диагностики и строительство медицинских учреждений в приграничных районах вынуждают использовать компьютерные томографы в регионах, расположенных на высоте более 3,000 м, включая Цинхай-Тибетское плато и Анды. Разреженный воздух снижает прочность изоляции каждого воздушного зазора в цепи высоковольтного кабеля: трансформатора, выпрямительный диод пакет конденсаторов, блок фильтрующих конденсаторов и выводы между ними.

Цифры впечатляют. Для системы трансформаторов тока с номинальным напряжением 140 кВ внешняя изоляционная прочность снижается примерно на 8–13% на каждые 1,000 м высоты. На высоте 4,000 м напряжение пробоя воздушного зазора составляет около 60% от его значения на уровне моря.

На плато влияет не только воздух. Относительная влажность остается ниже 30%, поток ультрафиолетового излучения высок, а суточные колебания температуры достигают 20–30 °C. Низкое давление, сухой воздух и температурные колебания одновременно воздействуют на один и тот же изоляционный материал.

Компания HVC работала над несколькими высоковольтными источниками питания с трансформаторами тока, предназначенными для конкретных условий плато. Сбои в работе не были вызваны одной причиной. Они возникали из-за сочетания низкого давления и локальных условий вокруг него. Закон Пашена объясняет пробой газа в этой картине и предоставляет поправочные коэффициенты, необходимые для проектирования изоляции.

2. Основной механизм

2.1 Закон Пашена и кривая разрушения

В однородном поле напряжение пробоя газа зависит от произведения давления p и расстояния между электродами d:

U_b = (B · p · d) / [C + ln(p · d)]

где U_b — напряжение пробоя газа, p — давление газа, d — расстояние между электродами, а B и C — постоянные газа. В воздухе B составляет примерно 365 В/(Па·м), а C — примерно 10.8, при этом p·d выражено в Па·м.

В каждом газовом зазоре существует критическое значение p·d, при котором напряжение пробоя достигает своего минимума. Ниже этого значения напряжение снова возрастает по мере падения давления. Точки плато обычно располагаются выше минимума, на ветви, где напряжение пробоя падает с давлением.

Зазор в 5 мм показывает, насколько смещается кривая. На уровне моря, при давлении p = 101.3 кПа, p·d = 506.5 Па·м, а U_b составляет около 17 кВ. На высоте 4,000 м, при давлении p = 61.6 кПа, p·d = 308 Па·м, а U_b падает примерно до 11 кВ, что составляет потерю более 35%. Герметичная пустота или дефект герметизации внутри резервуара усиливают тот же эффект на уровне частичного разряда.

2.2 Напряжение начала частичного разряда при низком давлении

Величина PDIV уменьшается с увеличением давления, а поле внутри пустоты поднимается выше поля в окружающем её твёрдом теле:

E_void = E_0 · ε_solid / [ε_solid + (d_void/d_solid) · (ε_solid − ε_gas)]

где E_0 — приложенное среднее поле, ε_solid и ε_gas — относительные диэлектрические проницаемости твердого тела и газа, а d_void и d_solid — толщина пустоты и твердого тела соответственно.

При низком давлении газ в пустоте разрушается при более слабом поле, поэтому пустота быстрее достигает состояния разряда. Измерения, проведенные на высоковольтных конденсаторах, показывают, что падение напряжения составляет от 25% до 40% при снижении давления со 100 кПа до 60 кПа.

Часть, прошедшая проверку на ПД на уровне моря, может не пройти ту же проверку на глубине 4,000 м. Плотное тело с небольшим количеством пустот лучше сохраняет свои значения ПД: Диэлектрик класса I N4700 Упаковка обеспечивает низкую долю пустот и высокое напряжение срабатывания.

2.3 Расстояние просачивания и поверхностное воспламенение

Сухой, разреженный воздух также снижает напряжение пробоя поверхности. Расстояние утечки зависит от номинального напряжения и локальной коррекции:

L_c ≥ k_c · U_r / E_creep

где L_c — расстояние утечки, k_c — поправочный коэффициент высоты, U_r — номинальное напряжение, а E_creep — поверхностная выдерживаемая напряженность поля материала.

Коэффициент увеличивается примерно на 1.1–1.15 на каждые 1,000 м высоты. Таким образом, высоковольтная система с трансформатором тока, рассчитанная на уровень моря, требует на 40–60% больше пути утечки на высоте 4,000 м. Без этого дополнительного пути утечка происходит в первую очередь по поверхности между высоковольтным терминалом и заземленным корпусом.

Рис. 1 — Высотный коэффициент достигает 1.63 на высоте 4,000 м, поэтому зазор в 5 мм, выдерживающий напряжение 17 кВ на уровне моря, выходит из строя при напряжении около 11 кВ.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Конструкция, рассчитанная на уровень моря, не предусматривает запаса прочности на большой высоте.

Многие производители трансформаторов тока проектируют свои устройства для использования на уровне моря, но поставляют одну и ту же модель на плато. Внутренние воздушные зазоры, пути утечки воздуха и уплотнения предполагают наличие плотного воздуха, поэтому на первом же участке плато запас теплоизоляции исчезает.

В одной многопрофильной больнице установили стандартный компьютерный томограф на высоте 3,600 м. В течение 3 месяцев были зафиксированы срабатывания сигнализации о высоковольтной дуге. Воздушный зазор между внутренними проводниками и корпусом составлял 6 мм. На уровне моря этот зазор выдерживает около 20 кВ. Под местным давлением напряжение падает ниже 13 кВ, при рабочем пике в 14 кВ. Конструкция не предусматривала запаса прочности в рабочей точке, не говоря уже о пороге защиты.

Проблема 2: Ежедневные термические циклы приводят к усталости уплотнительных материалов.

Суточные колебания температуры достигают 20–30 °C. Металлический корпус и уплотнительные материалы расширяются с разной скоростью, поэтому уплотнительный слой ежедневно подвергается циклическим нагрузкам. После нескольких месяцев циклической работы в уплотнительных кольцах и эпоксидном слое образуются микротрещины.

Эти трещины позволяют воздуху низкого давления и влаге проникать в резервуар, и локальная прочность изоляции снова падает. Тот же перепад температур также изменяет емкость и показания обратной связи по напряжению. Деградация изоляции, дрейф параметров и рост разряда затем взаимно усиливают друг друга, образуя единую цепочку.

Проблема №3: ​​Сухой воздух способствует накоплению статического заряда на поверхностях.

Относительная влажность на плато часто остается ниже 30%, и сухой воздух не отводит статический заряд. Заряд накапливается на поверхностях изоляции и повышает локальное поле до тех пор, пока не будет превышен порог пробоя поверхности.

Концевые электроды и эпоксидные поверхности конденсаторов и резисторов находятся на этой границе, поэтому они подвергаются наибольшему риску. Разряд не разрушает деталь сразу. Он постепенно обугливает дорожку на поверхности, пока дорожка не начнет проводить ток.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Увеличить воздушные зазоры и скорость распространения звука в зависимости от высоты участка.

Пересчитайте расстояние внешней изоляции на целевой высоте, а не на уровне моря. Используйте поправочный коэффициент высоты:

k_c = e^(H/8150)

где H — высота в метрах, а k_c — поправочный коэффициент. На высоте 4,000 м k_c составляет примерно 1.63, поэтому все расстояния внешней изоляции увеличиваются примерно на 63%. Примените этот коэффициент к расстоянию между выводами конденсаторов и резисторов, а также к расстоянию между высоковольтными выводами и заземленным корпусом. Корпус с увеличенной глубиной утечки удлиняет путь между концевыми электродами без увеличения размеров корпуса.

Стратегия 2: Загерметизировать бак или погрузить компоненты в масло.

Удаление свободного газа является прямым следствием закона Пашена. Полностью герметичный резервуар поддерживает внутреннее давление на расчетном уровне и изолирует изоляцию от внешнего давления. В резервуаре, погруженном в масло, пустоты заполняются изоляционным маслом, пробивное поле которого в 5-10 раз выше, чем у воздуха, и не изменяется с высотой.

Конденсаторы с масляным охлаждением должны выдерживать воздействие масла и вакуума. Компоненты HVC N4700 поставляются в маслостойкой упаковке и обеспечивают частичные разряды на уровне 5 пКл или ниже в таких условиях.

Стратегия 3: Выровнять поле в области электродов и проводников.

Проведите моделирование поля для геометрии электрода, клеммы и провода. Удалите острые края и углы малого радиуса, а также добавьте закругленные электроды или выравнивающие кольца в местах концентрации поля. Установите расчетный целевой коэффициент запаса прочности:

SF = E_breakdown / E_max ≥ 4

где E_breakdown — напряженность поля пробоя диэлектрика, а E_max — максимальное поле в конструкции. Коэффициент 4 или лучше позволяет поддерживать пиковое поле ниже 25% от значения пробоя, что удерживает напряжение начала разряда выше рабочего пика при низком давлении.

Стратегия 4: Выбор упаковки с учетом низкого давления и перепадов температуры.

Выбирайте материалы с низкой скоростью газовыделения, низким влагопоглощением и стабильными механическими свойствами в температурном диапазоне. Модифицированная эпоксидная смола или силиконовый каучук подходят для корпусов конденсаторов и резисторов. Поддерживайте температуру стеклования герметизирующего материала как минимум на 20 °C выше локальной максимальной рабочей температуры и подбирайте коэффициент теплового расширения в соответствии с керамическим корпусом. В деталях HVC N4700 используется эпоксидная смола медицинского класса, рассчитанная на диапазон температур от −55 °C до +125 °C и проверенная методом термического циклирования.

Стратегия 5: Проведение скрининговых тестов на ПД при высоком давлении.

Проверка на уровне моря не охватывает платообразные участки. Испытания проводятся в камере низкого давления при давлении на целевой высоте, при напряжении, в 1.2 раза превышающем номинальное рабочее напряжение, и поддерживают кажущийся разряд на уровне 5 пКл или ниже. Компания HVC проводит эту проверку для каждой партии устройств, предназначенных для работы на плато, поэтому известны характеристики разряда каждого устройства при давлении, при котором оно будет работать.

Стратегия 6: Контролировать температуру в резервуаре и защищать ограждение.

Сильное солнечное излучение и значительные суточные колебания температуры влияют на температуру в резервуаре. Установите активное охлаждение или теплоизоляцию, чтобы поддерживать внутреннюю температуру в узком диапазоне, а также разместите полупроводниковые покрытия или металлизированные градуировочные кольца рядом с высоковольтными клеммами, чтобы выровнять поверхностное поле и отвести статический заряд. Укажите степень защиты IP54 или выше, чтобы песок и влага не могли попасть в изоляционный слой.

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 высоковольтных контуров трансформаторов тока плато.

На большой высоте конденсатор сохраняет работоспособность только в том случае, если его путь утечки достаточно длинный и газовый канал замкнут. Компания HVC производит компоненты класса I N4700 для таких объектов на собственном заводе площадью 6,000 м² в Дунгуане, охватывающем диапазон напряжений от 1 кВ до 150 кВ.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• Упаковка с большим расстоянием до электрода. Увеличенное расстояние между концевыми электродами повышает напряжение пробоя поверхности при низком давлении и охватывает участки на глубине 4,000 м и выше.
• Частичные разряды (ЧР) не выше 5 пКл. Каждый блок платообразного типа проходит 100% проверку на ЧР при заданной высоте, давлении и напряжении, в 1.2 раза превышающем номинальное, что исключает риск возникновения дуги в источнике.
• TCC ±30 ppm/°C. Емкость сохраняется в диапазоне от −55 °C до +125 °C, поэтому колебания температуры в течение дня и ночи не влияют ни на частотную характеристику фильтра, ни на коэффициент деления.
• Маслостойкие, влагостойкие и озоностойкие материалы. Эпоксидные смолы с низким уровнем газовыделения и антиоксидантные покрытия предотвращают накопление статического электричества в сухом воздухе и образование продуктов старения масла.
• Соответствующая фурнитура. Конденсаторы дверной ручки HVCT8G, резисторы выборки HVRGHP, HVR-BSP градуировочные резисторыБыстровосстанавливающиеся диоды поставляются в виде единого комплекта изоляции.
• Сравните с ведущими брендами. Компоненты HVC соответствуют электрическим параметрам и показателям надежности. Мурата, Вишай и TDK высоковольтные серии, предназначенные для работы в условиях специальных условий эксплуатации, что характерно для медицинского оборудования компаний из списка Fortune 500.

Доставка и поддержка

Стандартные детали отгружаются в течение 4–8 недель, а комплекты для длительной утечки — в течение 6–10 недель, тогда как для указанных выше брендов этот показатель составляет 20–30 недель. Инженеры-технологи HVC оказывают поддержку в коррекции высоты, моделировании поля интерфейса, настройке испытаний на частичные разряды при низком давлении и планировании проверки плато.

Укажите высоту площадки, номинальное напряжение (кВ), чертеж корпуса и годовой объем. HVC в течение пяти рабочих дней предоставит соответствующий лист с данными о рассеянии тока, отчетами о частичных разрядах низкого давления и комплектом для оценки двух образцов.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Насколько высота над уровнем моря снижает напряжение пробоя?

Прочность внешней изоляции снижается примерно на 8–13% на каждые 1,000 м для системы трансформаторов тока 140 кВ, а напряжение пробоя в воздушном зазоре на высоте 4,000 м составляет около 60% от его значения на уровне моря. Зазор в 5 мм иллюстрирует это изменение: 17 кВ при 101.3 кПа против 11 кВ при 61.6 кПа, потеря более чем на 35%. Перед утверждением проекта необходимо пересчитать каждое внешнее расстояние на целевой высоте.

В2: Как исправить воздушный зазор, возникающий из-за высоты?

Умножьте расстояние до уровня моря на k_c = e^(H/8150), где H — высота в метрах. На высоте 4,000 м коэффициент составляет примерно 1.63, поэтому зазор в 5 мм превращается примерно в 8 мм. Примените тот же коэффициент к расстоянию между клеммами, прокладке проводов и зазору до заземленного корпуса. Проверьте результат с помощью теста на частичный разряд при целевом давлении, поскольку даже расстояние, которое кажется достаточным, может привести к разряду на остром крае.

В3: Почему частичный разряд начинается раньше на высоте?

Поскольку газ внутри пустоты разрушается при более низком поле при падении давления, поле в пустоте превышает поле в окружающем твердом теле, и это соотношение возрастает с разностью диэлектрических проницаемостей. Измерения, проведенные на упаковке конденсаторов, показывают падение диэлектрической проницаемости на 25–40% в диапазоне давлений от 100 кПа до 60 кПа. Деталь, прошедшая проверку на уровне моря, может не пройти ту же проверку на глубине 4,000 м.

Вопрос 4: Какое расстояние утечки мне необходимо на расстоянии 4,000 м?

Добавьте от 40% до 60% к пути на уровне моря. Высотный коэффициент увеличивается примерно на 1.1–1.15 на каждые 1,000 м, а правило L_c ≥ k_c · U_r / E_creep определяет расстояние для материала и номинального напряжения. Упаковка конденсатора с большой глубиной утечки отвечает требованиям благодаря увеличенному расстоянию между концевыми электродами, что позволяет избежать увеличения размеров корпуса и его большей ширины.

В5: Можно ли избежать этой проблемы, используя герметичный или погруженный в масло резервуар?

Это позволяет удалить большую часть газа. Герметичный резервуар поддерживает внутреннее давление на расчетном уровне, поэтому внутренние зазоры сохраняют свою прочность на уровне моря. В резервуаре, погруженном в масло, все пустоты заполняются маслом, поле пробоя которого в 5-10 раз больше, чем у воздуха, и не меняется с высотой. Оба варианта требуют проверенной герметичности: утечка восстанавливает газовый поток и, соответственно, поведение Пашена.

В6: Как проверить компонент на предмет его пригодности для использования на плато?

Проведите испытания при давлении на месте установки, а не на уровне моря. Поместите деталь в камеру низкого давления при давлении на целевой высоте, подайте напряжение, в 1.2 раза превышающее номинальное рабочее напряжение, и удерживайте кажущийся разряд на уровне 5 пКл или ниже. Затем проведите 10 термических циклов от −40 °C до +85 °C и повторите измерение частичных разрядов. Отчет об испытаниях на уровне моря не охватывает установку на высоте 4,000 м.

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. Ван, Ю. Конг, П. Фу, Дж. Ван, А. Кумар, К. Олейничак и др., Оценка частичного разряда силового модуля на основе SiC MOSFET с напряжением 3.3 кВ при давлении на высоте полета и переменном напряжении частотой 60 Гц., в сборнике трудов Конгресса и выставки IEEE по преобразованию энергии (ECCE), 2023 г., стр. 5366-5371, 2023 г. https://doi.org/10.1109/ecce53617.2023.10362648
8. Использование керамических конденсаторов 3 кВ (Обсуждение стабильности C0G/NP0 по сравнению с X7R/Y5S), Forum Retrotechnique, https://forum.retrotechnique.org/t/utilisation-des-condensateurs-ceramiques-3kv/115858 .
9. ГБ/Т 6346.1-2024, 电子设备用固定电容器 第1部分:总规范 (Постоянные конденсаторы для использования в электронном оборудовании – Часть 1: Общая спецификация). Пекин: 国家市场监督管理总局, 2024 г.
10. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com