Высота 4,000 м: Частичный разряд в высоковольтных конденсаторах.

Высота 4,000 м: Частичный разряд в высоковольтных конденсаторах.

Резюме

В больницах на Цинхай-Тибетском плато, в Андах и Альпах компьютерные томографы используются на высоте более 4,000 м. Разреженный воздух снижает пробивное поле примерно на 40%, поэтому воздушные зазоры на поверхностях конденсаторов, между выводами и внутри герметизирующего слоя разряжаются при напряжениях, соответствующих уровню моря. В этой статье приводятся зависимости давления, поправочные коэффициенты для высоты, а также этапы нанесения покрытия, заливки компаундом и испытаний при низком давлении, позволяющие удерживать частичные разряды ниже 5 пКл.

1. Введение

На высоте более 4,000 м на Цинхай-Тибетском плато, в Андах и Альпах работают больницы, пограничные посты и мобильные медицинские пункты. Там воздух разрежен, суточные колебания температуры значительны, а ультрафиолетовое излучение очень интенсивное.

Генераторы трансформаторов тока удерживают керамические конденсаторы, трансформаторное масло и кабельные клеммы под высоким напряжением. Все три компонента более подвержены частичному разряду при низком давлении, а разряд приводит к разрушению изоляции и выходу оборудования из строя.

Частичный разряд — это непроникающий разряд. Он начинается, когда локальное электрическое поле превышает порог пробоя среды. На уровне моря напряжение в воздухе составляет около 30 кВ/см. На высоте 4,000 м давление составляет около 61.6 кПа, и в том же зазоре напряжение составляет около 18 кВ/см.

Сам керамический корпус не чувствителен к давлению. Чувствительны воздушные зазоры на поверхности, между выводами, внутри микротрещин и вокруг крепежных элементов. В этой статье приведены поправочные коэффициенты, а также этапы проектирования и испытаний генераторов тока с платообразным расположением выводов.

2. Основной механизм

2.1 Закон Пашена и пробитие, зависящее от давления

Напряжение пробоя газа зависит от произведения давления p и расстояния между электродами d:

V_breakdown = f(p · d)

где V_breakdown — напряжение пробоя, а f — кривая Пашена для газа.

Кривая имеет высокую высоту при очень больших и очень малых значениях pd и достигает минимума в промежуточных значениях. При фиксированном зазоре более низкое давление означает более низкое напряжение пробоя. В инженерном диапазоне поле пробоя напрямую зависит от давления:

E_breakdown(p) ≈ E_breakdown0 · (p / p0)

где E_breakdown0 — поле при опорном давлении p0 = 101.3 кПа.

На высоте 4,000 м давление составляет около 61.6 кПа, поэтому напряженность поля падает с 30 кВ/см до 18.2 кВ/см. При этом зазор между электродами позволяет удерживать напряжение примерно на 40% меньше.

2.2 Поверхностный разряд и пробой

На поверхности конденсатора скапливаются воздушные зазоры, масляная пленка, конденсат и пыль. При низком давлении поле внутри этих дефектов превышает пробивное значение воздуха, и начинается поверхностный разряд. Когда канал проходит вдоль поверхности, возникает пробой.

Напряжение пробоя значительно ниже напряжения пробоя чистого воздушного зазора. Граница раздела керамика-воздух искажает поле, а продукты разряда, озон и оксиды азота, снижают поверхностное сопротивление.

V_flash ∝ L_creep · (p / p0)^m

где V_flash — напряжение пробоя, L_creep — расстояние утечки, а m — показатель степени от 0.5 до 0.8, зависящий от состояния поверхности и загрязнения.

Поскольку m меньше 1, удвоение расстояния утечки дает менее чем двукратное увеличение напряжения пробоя. Тем не менее, выигрыш все равно оправдывает занимаемое пространство в конструкции с плато.

2.3 Внутренние пустоты и старение инкапсуляции

Микропузырьки, расслоения и микротрещины в эпоксидной смоле удерживают газ при давлении, близком к атмосферному. Полость, которая остается спокойной на уровне моря, может разряжаться на высоте 4,000 м, поскольку газ внутри сохраняет свое давление, в то время как наружный воздух разрежается.

Длительный разряд разрушает эпоксидную смолу и керамическую поверхность, образуя карбонизированные каналы. Эти каналы приводят к пробою. Опубликованные данные показывают, что напряжение начала частичных разрядов у обычных керамических конденсаторов на высоте 4,000 м на 25–45% ниже, чем на уровне моря.

2.4 Тепловая, влажностная и ультрафиолетовая нагрузка

На плато температура воздуха колеблется на 20–30 °C между днем ​​и ночью. Ночная конденсация образует на поверхности водяную пленку, которая снижает поверхностное сопротивление и напряжение пробоя. Дневное ультрафиолетовое излучение старит органическое покрытие и открывает микротрещины.

Низкое давление, значительные колебания температуры и сильное ультрафиолетовое излучение в совокупности делают это плато наиболее сложным местом для высоковольтной изоляции в медицинской визуализации.

2.5 Коррекция высоты для заводских испытаний

Стандарты частичных разрядов на уровне моря используют в качестве базовых значений 101.3 кПа, 20 °C и 45% относительной влажности. Эксплуатация на плато требует корректировки испытательного напряжения:

K_a = (p0 / p)^α

где K_a — фактор высоты, p — давление на участке, а α — эмпирический показатель степени от 0.5 до 0.7.

На высоте 4,000 м при α = 0.6 коэффициент составляет 1.30. Заводские испытания на устойчивость проводятся при напряжении, в 1.3 раза превышающем напряжение на уровне моря, при этом пороговое значение частичных разрядов остается на уровне ≤ 5 пКл.

Рис. 1 — Цепь высот от 61.6 кПа через область пробоя, на 40% более низкую, для повторных отказов деталей.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Данные по уровню моря не охватывают плато.

В лабораторных условиях на уровне моря, при комнатной температуре и низкой влажности, компоненты выдерживают разряд ≤ 5 пКл при напряжении, в 0.8 раза превышающем номинальное. В условиях эксплуатации на высоте 4,000 м они создают шумы разряда и артефакты изображения.

Стандартные испытания на частичные разряды не воспроизводят ни низкое давление, ни суточные колебания температуры. Поэтому микроразряд в воздушном зазоре остается скрытым на протяжении всего квалификационного цикла.

Проблема 2: Перенос расстояния просачивания воды с чертежа уровня моря.

Компактные генераторы уменьшают расстояние между компонентами и длину пути утечки тока, что позволяет экономить объем. На уровне моря это не ощущается. На высоте короткие пути утечки тока приводят к разрядам.

В одном из госпиталей на высокогорье за ​​два года эксплуатации остались следы обугливания на нескольких зазорах между выводами конденсаторов. Расстояние утечки было рассчитано для уровня моря, и поверхностные пути утечки никогда не проверялись при давлении 60 кПа.

Проблемная точка 3: Ремонтные детали, предназначенные для работы на уровне моря, снова выходят из строя.

Для некоторых ремонтных работ использовались те же номера деталей, что и для моделей, предназначенных для использования на уровне моря, без учета особенностей местности. Новые детали показывают нормальные результаты в течение первых месяцев.

Затем, в течение одного-двух лет, расход снова выходит за допустимые пределы, и устройство возвращается к той же неисправности. Каждый цикл обходится в один выезд специалиста и разборку резервуара.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Корректировка выдерживаемого напряжения и тока утечки в зависимости от высоты.

В стандарте IEC 60664-1 применяется высотный коэффициент к зазору и расстоянию утечки. На высоте 4,000 м следует увеличить испытательное напряжение на 25–30 % и расстояние утечки на 30–40 %.

Задайте целевую высоту на этапе проектирования на первом чертеже. В генераторе, построенном по универсальным правилам для уровня моря, места для последующей корректировки не остаётся.

Стратегия 2: Испытание ПД и его выдерживание в камере низкого давления.

Проведите испытания на частичные разряды и переменный ток на конденсаторах и собранном высоковольтном баке в барокамере, установленной на заданной высоте. Заданные рабочие условия: 60 кПа, 25 °C и 50% относительной влажности.

Установите предельный уровень частичного разряда на 5 пКл и масштабируйте испытательное напряжение с учетом скорректированного значения выдерживаемого напряжения. Проводите испытания при давлении в камере в течение как минимум полного периода выдержки, чтобы газ внутри каждой полости достиг равновесия.

Стратегия 3: Защитить поверхность и сделать её гидрофобной.

Покройте керамическую поверхность и выводы силиконовой резиной, париленом или фторуглеродной пленкой. Покрытие заполняет микрозазоры, повышает поверхностное сопротивление и предотвращает образование конденсата.

Гидрофобная обработка повышает напряжение пробоя на 20–40% и сохраняет коэффициент усиления на протяжении всего цикла конденсации в ночное время.

Стратегия 4: Удаление внутренних пустот методом вакуумной пропитки.

Используйте вакуумную пропитку под давлением или вакуумную заливку, чтобы в эпоксидной смоле не было пузырьков. Контролируйте профиль отверждения, чтобы избежать усадочных трещин в заливочном растворе.

Детали, изготовленные методом высокотемпературной дегазации (HVC), проходят вакуумную дегазацию и поэтапное отверждение, в результате которого коэффициент внутренних пустот остается ниже 0.1%.

Стратегия 5: Удлинить наземный путь с помощью барьеров.

Добавьте изоляционные барьеры вокруг высоковольтных выводов и концевых электродов. Глубоко рифленые корпуса выполняют ту же функцию внутри детали.

Барьер разделяет одну длинную дугу на несколько коротких промежутков, и для каждого промежутка требуется собственное поле возникновения. Напряжение пробоя возрастает с увеличением количества промежутков.

Стратегия 6: Зарегистрировать данные о работе на плато.

Проводите периодические проверки уровня ПД и анализы масла на каждом танке, развернутом на высоте более 4,000 м. Сохраняйте в одной таблице данные о высоте, температуре бака, влажности, годах эксплуатации и уровне ПД.

Этот документ превращает неудачу на объекте в исходные данные для проектирования следующего строительного проекта.

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 для генераторов с платообразным трансформатором тока.

В режиме плато на конденсаторе действуют две линии нагрузки: поверхностные дорожки, выдерживающие давление 60 кПа, и герметизация, не содержащая пустот. Компания HVC производит компоненты для режима плато на собственном заводе площадью 6,000 м² в Дунгуане, работающем в диапазоне напряжений от 1 кВ до 150 кВ.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• Проверка частичных разрядов при низком давлении. Частичные разряды измеряются в камере с давлением 60 кПа и остаются на уровне 5 пКл или ниже при напряжении, в 0.8 раза превышающем номинальное, относительно базового уровня на уровне моря 101.3 кПа.
• Тела, созданные для жизни на большой высоте. HVCT8G и HVCT9G В корпусах используется конструкция с увеличенным расстоянием утечки, обеспечивающим более чем на 30% большую длину контактной поверхности по сравнению со стандартными компонентами.
• Коэффициент пустотности ниже 0.1%. Вакуумная пропитка под давлением и поэтапное отверждение устраняют внутренние газовые зазоры, которые первыми выходят на большой высоте.
• Диэлектрик класса I N4700. Керамические дисковые конденсаторы N4700 Они сохраняют свои значения при колебаниях температуры в течение дня и ночи на 20–30 °C, при этом эффективный коэффициент DF составляет менее 0.2%.
• Композитное поверхностное покрытие. Слой парилена и силикона повышает сопротивление поверхности и отводит пленку от ночного конденсата.
• Подобраны резисторы и диоды. HVR-BSP толстопленочные резисторы Для позиций разделителя и демпфера доступны варианты с увеличенным расстоянием между выводами и аналогичной проверкой на низкое давление.

Доставка и поддержка

Стандартные детали отгружаются в течение 4–8 недель, а комплекты с покрытием и увеличенным временем утечки — в течение 6–10 недель, в то время как для указанных выше брендов этот показатель составляет 20–30 недель. Инженеры-технологи HVC оказывают поддержку в снижении допустимой нагрузки на высоте, анализе времени утечки и планировании испытаний при низком давлении.

Отправьте целевую высоту, напряжение на шине, схему утечки и предельное значение частичных разрядов. HVC вернет вам лист соответствия с номерами деталей, данными о частичных разрядах при низком давлении и комплектом для оценки двух образцов в течение пяти рабочих дней. Соответствует выпрямительные диоды и резисторы выборки HVRGHP Производятся на одном и том же заводе.

Перекрестная ссылка на данные Murata Серии DHS/DHR и TDK UHV доступны по запросу.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Почему керамические конденсаторы разряжаются на большой высоте?

Потому что окружающий их воздух разрежен. На высоте 4,000 м давление составляет около 61.6 кПа, а напряжение пробоя воздуха падает с 30 кВ/см до 18.2 кВ/см, что примерно на 40% ниже. Воздушные зазоры на поверхности, между выводами и внутри герметизирующего слоя затем проходят через свои начальные поля при напряжениях, которые были безопасны на уровне моря.

В2: На какое значение должно измениться выдерживаемое напряжение на расстоянии 4,000 м?

Увеличьте выдерживаемое напряжение на заводе примерно на 25–30% и используйте K_a = (p0 / p)^α для установки коэффициента. На высоте 4,000 м при α = 0.6 коэффициент составляет 1.30, поэтому испытание проводится при значении, в 1.3 раза превышающем значение на уровне моря. Пороговое значение частичных разрядов остается на уровне 5 пКл, что обеспечивает запас прочности, равный случаю на уровне моря.

В3: Какое расстояние утечки необходимо для конструкции с плато?

Добавьте 30–40% к чертежу, выполненному на уровне моря, в соответствии с высотным коэффициентом, указанным в IEC 60664-1. Следует помнить, что напряжение пробоя зависит от L_creep, возведенного в степень ниже 1, через член, описывающий давление, поэтому выигрыш от увеличения расстояния реален, но не пропорционален.

Вопрос 4: Достаточно ли эффективно поверхностное покрытие, чтобы оправдать затраты?

Да. Пленки из силикона, парилена и фторуглерода заполняют микрозазоры на керамике и выводах, повышают поверхностное сопротивление и отводят конденсат. Измеренное напряжение пробоя увеличивается на 20–40%, а покрытие также сохраняет поверхность сухой в течение ночной части цикла плато.

В5: Можно ли проверить работоспособность детали на уровне моря, проведя испытания на высоте 4,000 м?

Проведите испытания при заданном давлении, а не на высоте. Вакуумная камера, настроенная на 60 кПа, воспроизводит условия на высоте 4,000 м при фиксированной температуре 25 °C и относительной влажности 50%, и результат повторяется. Полевые испытания на плато не позволяют отделить влияние давления от воздействия тепла, влажности и ультрафиолетового старения.

В6: Как предотвратить повторные отказы на одном и том же объекте?

Меняйте деталь, а не только ее номер. Установленный в качестве замены конденсатор для условий уровня моря имеет те же воздушные зазоры и то же короткое расстояние утечки, поэтому он снова выходит из строя в течение одного-двух лет. Укажите деталь для условий плато с данными о частичных разрядах при низком давлении, коэффициентом пустотности ниже 0.1% и на 30% большим расстоянием утечки, а затем зарегистрируйте данные с места установки.

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. Технические заметки по проектированию и надежности конденсаторов (указатель, включая информацию о периоде возникновения дуги, коронном разряде и влиянии компоновки печатной платы на отказы при высоком напряжении), Johanson Dielectrics, Inc., https://www.johansondielectrics.com/tech-notes/capacitors-all/ .
9. 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 .
10. 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 .
11. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com