Маслянопогружные резервуары CT: диски N4700 против маслопоглощения

Маслянопогружные резервуары CT: диски N4700 против маслопоглощения

Резюме

В аппаратах компьютерной томографии и промышленных рентгеновских системах высоковольтный каскад помещают под изоляционное масло, которое удерживает напряжение выше 15 кВ/мм и отводит тепло от компонентов. Масло также впитывается в корпус конденсатора, и именно там начинается большинство долговременных отказов. В этой статье рассматриваются соотношения поглощения, поля и распределения Вейбулла, этапы экранирования и параметры конденсатора, замедляющие снижение диэлектрической прочности.

1. Введение

В компьютерных томографах, рентгеновских аппаратах и ​​промышленных дефектоскопах высоковольтный каскад часто размещают внутри масляного бака. Трансформаторы, умножительные цепи, фильтрующие конденсаторы и резисторы выборки находятся под минеральным маслом или синтетическим эфиром. Изоляционное масло выдерживает напряжение выше 15 кВ/мм, что уменьшает размер зазора, а его теплопроводность отводит тепло от компонентов.

Дисковые высоковольтные конденсаторы выдерживают высокое напряжение с низкими потерями, имеют компактные размеры и умеренную стоимость. Они являются распространенным выбором для фильтрации и хранения энергии внутри резервуаров такого типа.

Данные послепродажного обслуживания показывают закономерность. В резервуарах, эксплуатируемых более пяти лет, многие отказы дисковых конденсаторов начинаются не в керамическом корпусе. Они начинаются на границе между эпоксидным покрытием и маслом. Длительное погружение при высокой температуре позволяет маслу впитаться в эпоксидную смолу, что размягчает корпус, нарушает герметичность и искажает поле. Затем следует частичный разряд, и прочность на пробой падает.

В данной статье рассматривается диэлектрическая прочность дискового конденсатора, погруженного в масло, на протяжении всего срока его службы, а также технологические и контрольные этапы, замедляющие ее снижение.

2. Основной механизм

2.1 Впитывание масла в случае

В дисковых конденсаторах в качестве корпуса используется эпоксидная смола или эпоксидно-ангидридная система. Температура стеклования Tg определяет механическую прочность и барьерные свойства при высоких температурах. Ароматические углеводороды, сульфиды и антиоксидантные молекулы в масле диффундируют в эпоксидную смолу при высокой температуре, вызывая ее набухание и размягчение. Коэффициент набухания следующий:

S = (M_s / M_d) − 1

где S — коэффициент набухания, M_s — масса после замачивания, а M_d — сухая масса.

Стандартный эпоксидный компаунд, пропитанный минеральным маслом при 120 °C в течение 1000 часов, достигает удельной прочности S = ​​2–5%, а температура стеклования Tg падает на 10–25 °C. Ниже этой новой температуры стеклования корпус становится эластичным, теряя при этом механическую прочность и изоляционные свойства.

2.2 Маслопоглощение и прочность на разрушение

Впитавшееся масло имеет диэлектрическую постоянную около 2.2, в то время как у эпоксидной смолы она составляет 3.5–4.5. Поле делится обратно пропорционально диэлектрической постоянной. Таким образом, небольшая заполненная маслом пора испытывает более высокое поле, чем окружающая ее эпоксидная смола:

E_void / E_epoxy = ε_epoxy / ε_void

где E_void — поле внутри поры, E_epoxy — поле в эпоксидной смоле, ε_epoxy — диэлектрическая постоянная эпоксидной смолы, а ε_void — диэлектрическая постоянная масла в поре.

При ε_epoxy = 4.0 и ε_void = 2.2, E_void увеличивается в 1.82 раза по сравнению с E_epoxy. Как только локальное поле превышает прочность масла на пробой, составляющую около 10–15 кВ/мм, внутри поры начинается разряд. Повторяющийся разряд расширяет пору, образуя трещину, которая достигает поверхности керамики. Измеренные данные показывают падение напряжения пробоя постоянного тока на 3–6% на каждый 1% поглощенного масла.

2.3 Расслоение вследствие термического циклирования

Оборудование для компьютерной томографии циклически меняет температуру в диапазоне от 0 °C до 70 °C, проходя через режим ожидания, предварительный нагрев, экспозицию и охлаждение. Керамика расширяется примерно на 7 ppm/K, эпоксидная смола — на 50–70 ppm/K, а масло — примерно на 700 ppm/K. Эти скорости различаются в десять и более раз, поэтому каждый цикл добавляет касательное напряжение на границе раздела. После достижения предела прочности сцепления слои разделяются, образуя клиновидный или дискообразный воздушный зазор.

Площадь расслоения увеличивается с увеличением количества циклов:

A_delam = A0 · (1 − exp(−N / N0))

где A_delam — площадь расслоения, A0 — наибольшая площадь, которую может потерять интерфейс, N — количество термических циклов, а N0 — характерное количество циклов, определяемое материалами, колебаниями температуры и типом масла.

После того, как N несколько раз превышает N0, площадь перестает расти, но канал разряда в воздушном зазоре уже остается на месте. Воздух имеет диэлектрическую постоянную, близкую к 1, поэтому поле дополнительно концентрируется в этом зазоре.

2.4 Риск поломки в течение срока службы

Инженеры используют распределение Вейбулла для оценки срока службы высоковольтного конденсатора в случае пробоя:

F(t, V) = 1 − exp[−(t / η)^β]

где F(t, V) — вероятность пробоя, t — время работы, η — характерный срок службы, а β — параметр формы.

Внутри масляного бака КПД η падает по мере повышения температуры и поглощения масла. Измеренные данные показывают снижение КПД на 40–60% при увеличении поглощения с 0.3% до 2.5%. Для критически важного фильтрующего конденсатора интервал замены следует планировать, исходя из кривой наихудшего случая.

Рис. 1 — Путь поглощения масла от набухания эпоксидной смолы до потери 40-60% характерного срока службы в резервуаре.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Фактор потерь после впитывания масла.

Стандартный эпоксидный корпус может иметь тангенс угла диэлектрических потерь (tanδ) от 0.1% до более 0.4% после впитывания масла. Более высокое эффективное значение коэффициента диэлектрической проницаемости (DF_eff) при рабочем напряжении приводит к выделению тепла. Рассмотрим фильтрующий элемент на 30 кВ, 470 пФ при частоте 80 кГц: когда DF_eff увеличивается с 0.15% до 0.45%, реактивные потери возрастают примерно в три раза, а температура поверхности повышается на 15–20 °C. Более высокая температура, следовательно, ускоряет следующий этап старения.

Проблемный момент 2: В первую очередь падает напряжение на начальном этапе.

На ранней стадии микротрещины или расслоения емкость, выдерживаемое напряжение и сопротивление изоляции могут оставаться в норме. Напряжение начала частичного разряда (PDIV) уже упало на 20–40%. В резервуарах, используемых в полевых условиях, редко устанавливается система онлайн-мониторинга частичных разрядов, поэтому первым признаком является искрение, нарастание шума или сгорание резервуара. В одном из случаев обслуживания трансформаторов тока было обнаружено, что около 35% дисковых конденсаторов в резервуаре, эксплуатируемом в течение шести лет, имели напряжение ниже 60% от номинального значения PDIV.

Проблемная точка 3: Разложение и загрязнение масла.

Масло окисляется под воздействием тепла и электрического поля, образуя органические кислоты, влагу и частицы. Эти продукты реагируют с полярными группами в эпоксидной смоле, что снижает межфазное сопротивление и прочность на пробой. Длительный интервал замены масла или некачественная обработка масла могут привести к преждевременному выходу из строя исправного конденсатора в течение 2–3 лет.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Использовать эпоксидную смолу с низким водопоглощением и высокой температурой стеклования.

Укажите материал корпуса, который поглощает менее 0.5% влаги и теряет менее 5 °C стеклования после 1000 часов в минеральном масле при 120 °C. Неорганические нанонаполнители, такие как нано-SiO2 и Al2O3, уменьшают свободный объем, повышают плотность сшивки и улучшают теплопроводность. В HVC используется низкополярная эпоксидная система с высокой степенью сшивки и измеренным поглощением менее 0.3%.

Стратегия 2: Укрепление связи между керамикой и эпоксидной смолой.

Снимите фаску с боковых стенок и углов торцевых электродов керамического корпуса и нанесите буферное покрытие, чтобы предотвратить накопление напряжений на границе раздела. Обработайте керамическую поверхность силановым связующим агентом для повышения адгезии. Увеличение прочности на сдвиг на границе раздела на 30% значительно превышает порог расслоения, допустимый для системы КТ.

Стратегия 3: Сделайте PD приемочным тестом

Установите значение частичных разрядов ниже 5 пКл при напряжении, равном 0.8 от номинального, в качестве заводского и входного теста и прекратите полагаться только на выдерживаемое напряжение и сопротивление изоляции. Проведите тест в масляной ванне при рабочей температуре, поскольку показания частичных разрядов, полученные на воздухе, не совпадают с результатами, полученными в горячем масле.

Стратегия 4: Контроль температуры масла и резервуара.

Регулярно проверяйте диэлектрическую прочность масла: она должна быть выше 30 кВ на 2.5 мм, содержание воды — ниже 20 ppm, а кислотное число — ниже 0.05 мгКОН/г. Ограничьте температуру в резервуаре до 70 °C. Снижение температуры масла примерно вдвое уменьшает скорость окисления на каждые 10 °C, поэтому это позволит продлить срок службы на несколько лет.

Стратегия 5: Оставьте запас по напряжению и температуре.

Поскольку диэлектрическая прочность со временем снижается в масле, необходимо поддерживать запас по постоянному току не менее 30% выше рабочего напряжения. Расчет параметров тепловой системы должен производиться исходя из наихудшего сценария с высокой температурой окружающей среды и высокой частотой повторения импульсов, с запасом в 10 °C. Деталь, работающая на пределе допустимых значений, не имеет запаса для снижения характеристик.

Стратегия 6: Докажите работоспособность с помощью ускоренного испытания.

Проведите испытание на старение при высокой температуре в масляной среде. Затем преобразуйте результат с помощью модели Аррениуса:

L_actual = L_accel · exp[(Ea / k) · (1 / T_actual − 1 / T_accel)]

где L_actual — срок службы при рабочей температуре, L_accel — срок службы, измеренный в ходе испытания, Ea — энергия активации, обычно 0.6–0.9 эВ для системы эпоксидная смола-масло, k — постоянная Больцмана, а T_actual и T_accel — абсолютные температуры в кельвинах.

После выдержки в течение 1000 часов при температуре 125 °C изделие выдерживается в течение 5–8 лет при температуре 70 °C, сохраняя тот же уровень прочности.

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 этого узла

Дисковый конденсатор в масляном баке трансформатора тока годами контактирует с маслом при температуре 70 °C, поле концентрируется в каждом зазоре, а бак никто не открывает по расписанию. Компания HVC производит маслостойкую серию конденсаторов для таких условий эксплуатации на собственном заводе площадью 6,000 м² в Дунгуане, охватывающую диапазон напряжений от 1 кВ до 150 кВ.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• Поглощение масла составляет менее 0.3% после 1000 часов работы в минеральном масле при температуре 120 °C. Низкополярная, высокосшитая эпоксидная смола с нанонаполнителем обеспечивает сцепление поверхности корпуса с маслом.
• Сохранение стеклования выше 95%. Корпус сохраняет стекловидность при различных рабочих температурах, поэтому механическая прочность и барьерные свойства остаются неизменными.
• Эффективная плотность тока (DF_eff) ниже 0.2% при номинальном напряжении. Диэлектрик класса I Это позволяет минимизировать потери, поэтому впитавшееся масло не становится причиной перегрева.
• Частицы разряда ниже 5 пКл при напряжении, в 0.8 раза превышающем номинальное. Каждая деталь проходит проверку, включая выборочные испытания в условиях, имитирующих температуру масляной ванны, поэтому микротрещины или расслоения выявляются на заводе.
• Активация поверхности и буферное покрытие на керамике. Более высокая межфазная адгезия увеличивает количество термических циклов, которые может выдержать поверхность до ее разделения.
• Сравните с ведущими брендами. Компоненты HVC соответствуют электрическим параметрам. Vishay HVCC, Murata DHS/DHR и TDK UHV/FHV, которые поддерживают модернизацию резервуаров и являются вторым источником для ремонта.

Для более высокого напряжения на единицу площади в высоком резервуаре, HVCT8G Винтовые клеммы обеспечивают передачу напряжения 10 кВ на каждую деталь и позволяют уменьшить зазор между клеммами и маслом.

Для делителя, устанавливающего уровень обратной связи в кВ, резистор выборки HVRGHP Сохраняет свое соотношение при изменении температуры и при длительном воздействии масла.

Для балансировки и демпфирования внутри резервуара, HVR-BSP Толстопленочные резисторы выдерживают ту же температуру погружения без изменения номинала.

Для выпрямителя и цепи свободного хода компания HVC поставляет компоненты. выпрямительные диоды проверены на соответствие тому же пределу частичного сброса.

Доставка и поддержка

Стандартные детали отгружаются в течение 4–8 недель, тогда как для указанных выше брендов этот срок составляет 20–30 недель. Инженерный отдел HVC оказывает поддержку в проверке совместимости с маслом, проверке процессов заливки и герметизации, разработке планов скрининга частичных разрядов и проектировании ускоренных испытаний на долговечность.

Укажите рабочее напряжение, емкость, тип и температуру масла, давление в баке и требуемый срок службы. Компания HVC в течение пяти рабочих дней предоставит вам лист согласования конденсаторов с данными об абсорбционных характеристиках после 1000 часов работы, протоколы испытаний на частичные разряды и комплект для оценки двух образцов.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Почему дисковые конденсаторы в масляном баке выходят из строя через пять лет?

Поскольку разрушение начинается на поверхности корпуса. Масло впитывается в эпоксидную смолу, вызывая ее набухание и размягчение, а температура стеклования (Tg) падает на 10–25 °C. Затем граница раздела разделяется при термических циклах, образуя воздушный зазор, где концентрируется поле, и частичный разряд разрушает изоляцию.

Вопрос 2: Какова стоимость повышения прочности на пробой при повышении маслопоглощения?

Примерно 3–6% напряжения пробоя постоянного тока на каждый 1% поглощения масла. Стандартная эпоксидная смола достигает 2–5% поглощения после 1000 часов при 120 °C. Механизм заключается в разделении поля: E_void / E_epoxy = ε_epoxy / ε_void, поэтому при ε_epoxy = 4.0 и ε_void = 2.2 пора подвергается воздействию поля в 1.82 раза большего, чем окружающее поле.

В3: Зачем вообще масло попадает в эпоксидную смолу?

Поскольку при высокой температуре мелкие молекулы диффундируют в полимерную сетку, ароматические углеводороды, сульфиды и антиоксидантные добавки перемещаются в свободный объем эпоксидной смолы, что приводит к набуханию покрытия и снижению температуры стеклования (Tg). Эпоксидная смола с высокой плотностью сшивки и неорганическим нанонаполнителем оставляет меньший свободный объем, поэтому водопоглощение остается ниже 0.3%.

В4: Какому предельному значению частичных разрядов должен соответствовать конденсатор контура трансформатора тока?

Показатель ниже 5 пКл при напряжении, в 0.8 раза превышающем номинальное, измерен в масляной ванне при рабочей температуре. Емкость, выдерживаемое напряжение и сопротивление изоляции могут передаваться компоненту, который уже разряжается внутри поры, поэтому тест на частичные разряды определяет результат. Измеряйте в масле, поскольку показания на воздухе не соответствуют условиям эксплуатации.

В5: Как часто следует проверять качество масла в резервуаре?

Регулярно, после каждого ремонта, проверяйте диэлектрическую прочность: она должна быть выше 30 кВ на 2.5 мм, содержание воды — ниже 20 ppm, а кислотное число — ниже 0.05 мгКОН/г. Поддерживайте температуру в резервуаре на уровне 70 °C или ниже, поскольку снижение температуры примерно вдвое уменьшает скорость окисления и накопление кислоты на каждые 10 °C.

В6: Как доказать пятилетний срок службы в лабораторных условиях?

Используйте метод Аррениуса. L_actual = L_accel · exp[(Ea / k) · (1 / T_actual − 1 / T_accel)], где Ea близка к 0.6–0.9 эВ для системы эпоксидное масло. После 1000 часов выдержки при 125 °C материал сохраняет свои свойства в течение 5–8 лет при 70 °C, а сохранение прочности на пробой соответствует значению, которое вы указываете.

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. 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
9. 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 .
10. 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.
11. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com