Импульсные конденсаторы PEC для контроля трещин в толстостенных реакторах

Импульсные конденсаторы PEC для контроля трещин в толстостенных реакторах

Резюме

В реакторах сверхвысокого давления используются кованые стальные стенки толщиной от 100 до 300 мм, и важные трещины растут на внутренней поверхности. Ультразвуковой контроль требует шлифовки и все равно теряет эхо на такой глубине. Импульсный вихревой ток работает через оболочку бесконтактно, однако его радиус действия следует за накопительным конденсатором. В этой статье рассматриваются физика диффузии, предел пульсаций, скрывающий сигналы трещин на уровне мкВ, и значения емкости конденсаторов, обеспечивающие оба параметра.

1. Введение

Реакторы сверхвысокого давления — это кованые стальные сосуды заводов по производству полиэтилена и ПЭНП. Толщина стенок варьируется от 100 до 300 мм. Окружные трещины начинаются на внутренней поверхности и растут под воздействием циклического давления и температуры. Они распространяются внутрь, поэтому внешняя поверхность остается чистой до тех пор, пока оставшаяся стенка не истончится.

Ультразвуковой контроль с трудом справляется с трассой длиной 200 мм. Для его проведения требуется шлифовка внешней поверхности до зеркального блеска, а затухание по-прежнему снижает эффективность отраженного эха. Рентгенография влечет за собой необходимость остановки производства, обеспечения радиационной безопасности и логистики источника излучения. Магнитопорошковый контроль обнаруживает только дефекты, достигающие поверхности. Каждый метод сталкивается с определенными ограничениями на этом участке.

Импульсный вихретоковый метод (ИКМ) позволяет обойти эти ограничения. Зонд бесконтактный, работает через изоляцию и оболочку и не требует подготовки поверхности. Дальность действия системы ИКМ зависит от источника возбуждения: компонент с частотой 12 мГц должен выдерживать перемещение на расстояние до 150 мм в углеродистой стали, а накопительный конденсатор определяет энергию импульса.

В данной статье рассматриваются физика диффузии в толстостенных идеально проводящих электролитических материалах, пределы слабых сигналов подповерхностных трещин, требования к непрерывной работе при ежедневной инспекционной кампании, а также параметры конденсаторов, удовлетворяющие всем трем условиям.

2. Основной механизм

2.1 Глубина проникновения и спектр импульса

Стандартная глубина проникновения вихревых токов в проводник составляет:

δ = √(2 / (μ · σ · ω)) = √(1 / (π · f · μ · σ))

где δ — глубина проникновения в метрах, μ — магнитная проницаемость, σ — проводимость в С/м, ω — угловая частота в рад/с, а f — частота в Гц.

Для углеродистой стали с относительной магнитной проницаемостью 150 и проводимостью 6 × 10⁶ С/м глубина залегания при заданной частоте определяется следующим образом:

f = 1 / (π · δ² · μ · σ)

где f — частота в Гц, δ — глубина залегания цели в метрах, μ — магнитная проницаемость, а σ — проводимость в С/м.

Для проникновения в сталь на глубину 150 мм требуется частота около 12 мГц. Импульс должен передавать реальную энергию с частотой ниже 0.05 Гц. Ширина импульса, пиковый ток и частота повторения взаимосвязаны, поэтому блок должен поддерживать возбуждение во всем низкочастотном диапазоне.

2.2 Время диффузии и окно выборки

Сама стенка задерживает сигнал. Время диффузии через стенку толщиной d составляет:

t ≈ μ · σ · d² / 2

где t — время диффузии в с, μ — магнитная проницаемость, σ — проводимость в С/м, а d — толщина стенки в м.

Для ферритной стенки толщиной 150 мм это время составляет несколько секунд. Приемная катушка регистрирует затухание по всей площади окна. Блок катушек, расположенный внутри окна, выводит информацию о глубоких слоях стенки за пределы записанной трассы.

2.3 Волны от банковских паразитов

Сигнал трещины поступает в диапазоне мкВ после распространения через слой стали толщиной от 100 до 300 мм, а предел определяется шумом источника импульсов. Пульсация соответствует модели паразитного падения:

ΔV_ripple = I_peak · t_pulse / C + I_peak · ESR

где ΔV_ripple — пульсация напряжения в В, I_peak — пиковый ток разряда в А, t_pulse — ширина импульса в мкс, C — емкость батареи в мкФ, а ESR — эквивалентное последовательное сопротивление батареи в Ом.

Разряд током 500 А от батареи емкостью 50 мкФ, заряженной до 2 кВ, дает падение эквивалентного последовательного сопротивления (ESR) в 15 В при сопротивлении 30 мОм. Суммарный вклад ESL составляет около 30 В при индуктивности 30 нГн и скорости тока 10⁹ А/с. Емкостной линейно нарастающий сигнал известен и вычитается. Разброс ESR и ESL между отдельными элементами неизвестен и попадает в качестве базовой ошибки в сигнале микровольтного уровня.

2.4 Срок службы импульса при непрерывной работе

Инспекция реактора — это работа на предприятии, а не лабораторное занятие. Бригада проводит сотни импульсных испытаний в день, и более 10⁴ испытаний на каждый реакторный модуль. В масштабах всего парка реакторов, проверяемого ежегодно, потребность в энергии за весь срок службы превышает 10⁵ испытаний в течение нескольких лет. Срок службы импульса, дрейф емкости и термическая стабильность определяют, завершит ли батарея кампанию.

Банк, не имеющий квалификации по импульсному ресурсу, теряет емкость и увеличивает эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) задолго до банкротства. Первым симптомом является менее глубокое проникновение в последний день действия испытательного срока, что не оставляет места для замены каких-либо активов.

Рис. 1 — Для достижения полной глубины проникновения в углеродистую сталь на 150 мм требуется возбуждение с частотой около 12.5 мГц, поэтому установка должна выдерживать длительный импульс высокой энергии.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Пленки слишком тяжелы для реакторной платформы.

При одинаковой запасенной энергии пленочные импульсные конденсаторы занимают более чем на 50% больший объем, чем керамические. Для прибора со стенами толщиной от 100 до 300 мм уже требуется большой аккумуляторный блок. Бригады переносят источник, зонд и кабели на строительные леса, и каждый килограмм аккумуляторного блока оплачивается дважды: один раз при переноске, один раз при работе рядом с ним.

Проблема 2: Непрерывная работа приводит к перегреву аккумулятора.

При сотнях импульсов в час самонагрев конденсатора следует закону I_rms² · ESR, и температура сердечника повышается. Пленочный конденсатор с высоким ESR нагревается сильнее по мере увеличения частоты импульсов, его емкость изменяется, энергия импульса падает, а глубина проникновения уменьшается к середине дня, хотя прибор по-прежнему показывает исправное состояние. Керамический конденсатор с низким ESR удерживает повышение температуры ниже 15 °C и поддерживает стабильную энергию импульса от первого до последнего импульса.

Проблема №3: ​​КПД ниже 90% приводит к разрядке источника питания.

Эффективность разряда η = 1 − E_loss / E_stored, при этом потери в основном обусловлены эквивалентным последовательным сопротивлением (ESR). При ESR пленки от 100 мОм до 300 мОм эффективность падает ниже 85%, и десятая часть каждого заряда уходит в виде тепла. Для достижения 90% необходимо, чтобы ESR батареи было ниже 30 мОм, что также обеспечивает достаточное охлаждение модуля в течение всей смены.

Проблема 4: пульсации источника имитируют неглубокий сигнал потери сигнала от стенки канала.

Источник с высокой пульсацией вносит собственный шум в принимающий канал. Пульсация в несколько процентов от возбуждения добавляет смещение базовой линии, которое процессор не может отделить от реального ответа, и в результате получается ложный сигнал. Затем бригада снимает изоляцию и шлифует поверхность, чтобы ничего не подтвердить. Низкое эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) и низкое эквивалентное внутриполосное сопротивление (ESL) удерживают пульсацию источника ниже уровня сигнала.

Проблема № 5: Задержка обработки банковских кредитов проявляется уже в первый день после открытия счета.

Проверки реактора планируются с учетом временных окон останова, и времени на замену конденсатора внутри одного из них нет. Если из-за износа блока конденсаторов происходит дрейф емкости и повышение эквивалентного последовательного сопротивления (ESR), экипаж сталкивается с этим как с ухудшением характеристик уже в первый день окна останова, которое нельзя продлить. Блоки конденсаторов, прошедшие проверку на импульсную устойчивость, с счетчиком импульсов и системой оповещения о необходимости замены, исключают эту неожиданность.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Выберите керамику N4700 для блока хранения данных.

Для батареи выберите диэлектрик класса I с эквивалентным последовательным сопротивлением (ESR) ниже 30 мОм, эквивалентной последовательной индуктивностью (ESL) ниже 30 нГн и высокой плотностью импульсного тока для разрядного класса от 50 А до 500 А. Проверьте ESR при фактической частоте и токе разряда, поскольку значение 1 кГц, указанное в техническом описании, мало что говорит об импульсе длительностью 0.2 мс. Используйте блоки с эпоксидной заливкой, чтобы батарея выдерживала воздействие влажности и вибрации на реакторной платформе.

Стратегия 2: Согласовать энергию блока и ширину импульса с напряжением на стенке.

Для ферритной стенки толщиной 100 мм и слоистой стенки толщиной 300 мм требуются разные спектры импульсов. Запасаемую энергию следует определять исходя из толщины и проводимости стенки, а энергию на импульс следует увеличивать, поскольку информация о глубоких слоях стенки содержится в низкочастотном диапазоне, и частота повторения его не учитывает. Широту импульса можно регулировать на уровне модуля, чтобы один прибор охватывал весь парк устройств.

Стратегия 3: Преодоление теплового пути с помощью принудительной вентиляции.

Направьте поток воздуха под прямым давлением на блок и драйвер зонда; снижение температуры ядра на 10 °C продлит срок службы импульса. Припаяйте блок к шасси через низкоомный термоинтерфейс, чтобы корпус действовал как радиатор. Измерьте температуру блока при максимальной частоте повторения и самой высокой температуре окружающей среды и убедитесь, что повышение температуры не превышает 15 °C.

Стратегия 4: Счетчик подбора бросков и оповещения о замене.

Подсчитывайте разряды в оборудовании и запускайте оповещение о необходимости замены при достижении 70-80% от допустимого срока службы импульса. Регистрируйте температуру батареи и динамику ESR по результатам измерения времени зарядки, чтобы признаки старения становились видимыми за несколько месяцев до того, как изменится глубина проникновения. Заменяйте батарею в промежутках между плановыми заменами, в соответствии с графиком технического обслуживания.

Стратегия 5: Поддерживайте низкую индуктивность разрядной петли.

Подключите аккумуляторную батарею через ламинированную шину, расположив обратный путь непосредственно под плоскостью высокого напряжения, и удерживайте индуктивность контура ниже 30 нГн. Используйте переключение с низкими потерями и топологию без демпфирующих элементов, чтобы эквивалентное последовательное сопротивление батареи (ESR) оставалось доминирующим фактором потерь. Повторно проверьте пульсации и КПД в конце срока службы, при этом ESR должно быть в 1.5 раза больше начального значения.

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 толстостенных батарей PEC.

Блок поддерживает стабильную глубину проникновения, когда его потери остаются низкими, а емкость — неизменной. Компания HVC производит компоненты класса I N4700 для обоих типов блоков на собственном заводе площадью 6,000 м² в Дунгуане, в диапазоне напряжений от 1 кВ до 150 кВ. Каждый блок проходит проверку на частичный разряд перед отгрузкой.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• ЭПР ниже 30 мОм на частоте разряда. Низкие потери удерживают пульсации возбуждения ниже уровня сигнала в мкВ, от которого зависит обнаружение подповерхностных трещин, и поддерживают эффективность разряда выше 90%.
• ESL ниже 30 нГн и индуктивность петли ниже 8 нГн. Конденсаторы дверной ручки HVCT8G подавить краевой пик, который в противном случае располагался бы поверх реакции трещины.
• Длительность импульсного режима превышает 10⁶ выстрелов, при этом дрейф емкости находится в пределах ±2%. Корпус выдерживает несколько сезонов проверок и сотни тысяч выстрелов без замены в середине кампании.
• Объём пленки более чем на 50% меньше, чем при использовании аналогичного объёма при одинаковой энергии, что снижает вес, который бригада поднимает по строительным лесам.
• Частичные разряды ниже 5 пКл при напряжении, в 1.1 раза превышающем номинальное, с эпоксидной инкапсуляцией, обеспечивающей низкий уровень пульсаций во влажном и пыльном воздухе на производстве.
• Скоординированные части для одного и того же цикла: Керамические дисковые конденсаторы N4700 для хранилища данных, резисторы выборки HVRGXP для измерения тока, HVR-BSP резисторы плоского типа для пути зарядки, и быстровосстанавливающиеся высоковольтные диоды для выпрямительного каскада. Компоненты HVC также соответствуют электрическим параметрам. Vishay Диапазоны импульсов HVCC и KEMET с радиальным отводом.

Доставка и поддержка

Стандартные компоненты поставляются в течение 4–8 недель, а импульсные блоки, изготовленные на заказ, — в течение 6–10 недель, в то время как для импортных аналогов этот срок составляет 20–30 недель. Инженеры-разработчики HVC оказывают поддержку в расчете энергии блока, согласовании ширины импульса, тепловом проектировании и планировании работы счетчика ресурса.

Укажите толщину стенки, материал стенки, пиковый ток и количество выстрелов в день. HVC в течение пяти рабочих дней предоставит вам лист подбора конденсаторов с номерами деталей, данными ESR на частоте разряда и комплектом для оценки с двумя образцами. В тех случаях, когда конструкция по-прежнему предусматривает использование пленочных конденсаторов, остаются доступными альтернативные варианты. пленочный конденсатор банка.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: На какую глубину может проникнуть импульс фотоэлектрохимического эффекта в стальную стену толщиной 150 мм?

Примерно 150 мм, если возбуждение несет достаточно энергии вблизи 12 мГц. Стандартная глубина δ = √(2 / (μ · σ · ω)) определяет это число: при относительной магнитной проницаемости 150 и проводимости 6 × 10⁶ С/м требуемая частота падает примерно до 12 мГц. Это длинный импульс с высокой энергией, а не короткий фронт.

В2: Почему сигнал трещины находится в диапазоне мкВ?

Поскольку магнитный поток должен дважды пройти через слой стали толщиной от 100 до 300 мм — на входе и на выходе — подповерхностная трещина нарушает лишь небольшую часть этого пути, полезный сигнал оказывается слабым, поэтому уровень шума источника импульсов определяет предел обнаружения; более чувствительная катушка сама по себе ничего не меняет.

В3: Какой предел колебаний должен соблюдать банк?

Достаточно низкое значение, чтобы ΔV_ripple = I_peak · t_pulse / C + I_peak · ESR оставалось ниже уровня сигнала. При 500 А и 30 мОм величина ESR составляет 15 В, а величина ESL на краю сигнала при 30 нГн и 10⁹ А/с добавляет около 30 В. Емкостной нарастающий сигнал вычитается процессором; разброс ESR и ESL — нет.

Вопрос 4: Сколько выстрелов должен выдержать банк?

Более 10⁶ импульсов. При 300 импульсах в день в течение шести недель один реактор накапливает более 10⁴ импульсов, а парк реакторов, проверяемый ежегодно, за несколько лет превышает 10⁵ импульсов. Импульсно-совместимая группа реакторов завершает кампанию; несовместимая группа демонстрирует дрейф в емкости и рост эквивалентного последовательного сопротивления (ЭСС).

В5: Может ли батарея пленочных конденсаторов выполнить ту же работу?

Она способна обеспечить необходимую энергию, но не соответствует как минимум одному другому требованию. Пленочные блоки занимают более чем на 50% больше объема при той же энергии, а их эквивалентное последовательное сопротивление от 100 мОм до 300 мОм снижает эффективность ниже 85% и приводит к нагреву модуля. На реакторной платформе важны как вес, так и функциональность.

В6: Как выявить просроченную банковскую задолженность до того, как откроется окно возможностей?

Подсчитывайте выстрелы в оборудовании, регистрируйте тенденцию изменения ESR на основе измерения времени зарядки и запускайте оповещение о необходимости замены при достижении 70-80% от расчетного срока службы. Старение становится заметным за несколько месяцев до того, как изменится глубина проникновения, поэтому замена происходит в рамках графика технического обслуживания, а не в период простоя оборудования.

7. Рекомендации

1. IEC 61010-1:2010+AMD1:2016, Требования безопасности к электрооборудованию для измерений, управления и лабораторных работ — Часть 1: Общие требованияЖенева: МЭК, 2016.
2. МЭК 61071:2017, Конденсаторы для силовой электроникиЖенева: МЭК, 2017.
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. Х. Накао, Ю. Ёнезава, Т. Сугавара, Ю. Накашима и Ф. Курокава, Метод онлайн-оценки деградации электролитических конденсаторов для прогнозирования отказов импульсных источников питания с цифровым управлениемIEEE Transactions on Power Electronics, том 33, № 3, стр. 2552-2558, 2018. https://doi.org/10.1109/tpel.2017.2691048
8. Вопросы применения многослойных керамических конденсаторов BME высокого напряжения.KEMET Electronics (Материалы конференции CARTS International 2012), https://www.mouser.jp/pdfdocs/2012CARTS-ApplicationConsiderationsHighVoltBME-X7RCeramicCapacitors.pdf .
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. Использование низких напряжений для проверки высоковольтных конденсаторов (ток утечки).Форум сообщества EEVblog по электронике, https://www.eevblog.com/forum/testgear/using-low-voltage-levels-to-test-hv-capacitors-leakage-current/ .
11. Д.Н. Донахью, М. Пехт, И.К. Ллойд и С. Ганесан, Деградация многослойных керамических конденсаторов под воздействием влагиНадежность микроэлектроники, том 46, № 2-4, стр. 400-408, 2006. https://doi.org/10.1016/j.microrel.2005.05.008
12. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com