Широкотемпературные конденсаторы для импульсных блоков PEC в арктическом трубопроводе

Широкотемпературные конденсаторы для импульсных блоков PEC в арктическом трубопроводе

Резюме

Исследования коррозии методом фотоэлектрохимического анализа (PEC) сибирских газопроводов проводятся при температурах от −40 °C до −50 °C. Электролитические компоненты увеличивают свое эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) в 3–5 раз и теряют более половины своей емкости, а пленочные компоненты теряют от 20% до 30% и половину разрядного тока. Керамическая батарея класса I сохраняет свои характеристики и ESR, поэтому глубина проникновения сохраняется в течение всего сезона. В данной статье рассматриваются физика низких температур, отказы холодных батарей в полевых условиях, а также этапы проектирования и испытаний, обеспечивающие стабильность импульса при −50 °C.

1. Введение

Метод обнаружения коррозии с помощью фотоэлектрохимического преобразователя (PEC) на сибирском газопроводе работает при температурах от −40 °C до −50 °C. Это один из самых жестких режимов работы в неразрушающем контроле. Прибор должен запуститься, зарядить большой блок и подать сотни импульсов, в то время как температура окружающей среды находится ниже диапазона, указанного в коммерческих технических характеристиках.

Исследования Томского политехнического университета и Московского энергетического института показывают, как ведут себя обычные компоненты. Электролитические и пленочные конденсаторы теряют более 50 % своей емкости при низких температурах, а некоторые из них вообще не выдают пригодный для использования импульс.

Высоковольтные керамические конденсаторы ведут себя иначе, поскольку диэлектрик представляет собой неорганическое твердое вещество без жидкости, которая могла бы загустеть, и без полимерной пленки, которая могла бы сжаться. Емкость изменяется менее чем на 5 % при −40 °C, а батарея сохраняет стабильную высокую выходную мощность при −50 °C.

В этой статье рассматриваются физические свойства каждого типа компонентов при низких температурах, отказы в полевых условиях, возникающие после срабатывания термостабилизатора, а также этапы проектирования и испытаний, обеспечивающие стабильность импульса в течение арктической зимы.

2. Основной механизм

2.1 Как холод изменяет каждую диэлектрическую систему

Жидкий электролит густеет при охлаждении, поэтому его ионная подвижность падает, а эквивалентное последовательное сопротивление (ЭСС) возрастает. Электролитическая деталь увеличивает свое ЭСС в 3–5 раз при температуре ниже −40 °C и теряет более 50 % своей емкости, что делает ее непригодной для использования в импульсном генераторе при этой температуре.

Полимерная пленка сжимается и затвердевает, поэтому емкость падает на 20–30 %, а эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) увеличивается. Разрядная способность пленочного аккумулятора при −40 °C составляет 50–60 % от показателя при комнатной температуре, что уменьшает глубину проникновения инструмента.

Керамический диэлектрик I класса представляет собой неорганическое твердое вещество. Его емкость изменяется менее чем на 5 % при −40 °C, а эквивалентное последовательное сопротивление увеличивается менее чем в три раза. При этом аккумуляторная батарея продолжает накапливать и отдавать энергию, необходимую для работы метода.

2.2 Ширина импульса изменяется в зависимости от сопротивления контура.

Длительность импульса зависит от напряжения в батарее и сопротивления контура, при этом сопротивление контура возрастает в холодную погоду.

τ = R · C

где τ — постоянная времени разряда в мкс, R — сопротивление контура в Ом, а C — емкость батареи в мкФ. Батарея емкостью 1000 мкФ при сопротивлении 1.5 Ом обеспечивает время разряда 1500 мкс при комнатной температуре. При −40 °C пленочная батарея увеличивает сопротивление R до 4 Ом, поэтому τ возрастает до 4000 мкс, а импульсный ток уменьшается вместе с ним.

Пиковый ток следует за напряжением заряда и импедансом контура.

Z = √(L / C)     I_peak ≈ V / (Z + ESR)

где Z — импеданс контура в Ом, L — индуктивность контура в мкГн, C — емкость в мкФ, I_peak — пиковый ток в А, V — напряжение заряда в В, а ESR — эквивалентное последовательное сопротивление в Ом. Значение ESR 10 мОм является небольшим при 25 °C. При −40 °C пленочный блок с сопротивлением 50 мОм уменьшает пиковое значение на несколько процентов, и потери растут гораздо быстрее, чем падает ток.

2.3 Потери на импульс при низкой температуре

Потеря проводимости за один импульс происходит вслед за током разряда и эквивалентным последовательным сопротивлением (ESR).

P_loss = I_rms² · ESR

где P_loss — потери в Вт, I_rms — среднеквадратичный ток разряда в А, а ESR — эквивалентное последовательное сопротивление в Ом. При среднеквадратичном токе 400 А деталь с сопротивлением 10 мОм сжигает 5.3 Дж за импульс. Пленочная деталь с сопротивлением 50 мОм сжигает 26 Дж при заряде 45 Дж, что составляет более половины накопленной энергии, преобразованной в тепло внутри батареи.

2.4 Падение емкости и заряд, необходимый для импульса

Длинный импульс вытягивает заряд из батареи, и напряжение падает во время его выполнения. Это падение напряжения устанавливает нижний предел емкости.

ΔV = I · Δt / C

где ΔV — падение напряжения в В, I — средний разрядный ток в А, Δt — длительность импульса в мс, а C — емкость батареи в мФ. Импульс 400 А длительностью 1 мс на батарее емкостью 6.7 мФ вызывает падение напряжения на 60 В. Тот же импульс на батарее емкостью 1000 мкФ вызывает падение напряжения на 400 В, поэтому батарея разрядится до окончания импульса.

Накопленная энергия должна покрыть один импульс с запасом.

E = ½ · C · V²

где E — запасённая энергия в Дж, C — ёмкость в мФ, а V — напряжение заряда в В. Батарея ёмкостью 6.7 мФ при напряжении 300 В вмещает 300 Дж, что покрывает импульс в 45 Дж с учётом падения напряжения и цикла перезарядки.

2.5 Нагреватели и импульсный самонагрев

Встроенный микронагреватель поддерживает температуру батареи выше −20 °C, что стабилизирует как емкость, так и эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) во время холодного запуска. Импульсный нагрев также влияет на этот показатель: батарея, потребляющая 5 Дж за импульс при частоте 10 Гц, выделяет 50 Вт в собственный объем, а модуль, прикрепленный к теплоотводу, отводит это тепло в корпус. Выпрямитель заряда находится в той же холодной зоне, поэтому необходимо установить... быстровосстанавливающийся диод Рассчитан на обратноходовой преобразователь катушки и для температуры −55 °C.

Нагреватель также должен удерживать емкость батареи в узком диапазоне. Батарея, температура которой колеблется от −20 °C до +60 °C между ночным перерывом и рабочим днем, изменяет свою емкость на 0.3 % и эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) в большей степени, поэтому калибровка должна охватывать весь диапазон температур.

Рис. 1 — Пленочный или электролитический аккумулятор теряет половину разрядного тока при −40 °C, в то время как компонент N4700 сохраняет 95% своей емкости и остается пригодным для использования при −50 °C.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Инструмент не заводится на холоде.

Электролитическая батарея при температуре ниже −40 °C не может обеспечить необходимый для импульса зарядный ток. Прибор включается, цикл заряда останавливается, и оператор видит неполную последовательность импульсов. Эта неисправность не устраняется в полевых условиях, и прибор приходится заменять на другой тип.

Проблемный момент 2: разрядный ток падает вдвое.

Пленочный электрод при температуре −40 °C обеспечивает разрядный ток в 50–60 % от номинального. Инструмент, который в лабораторных условиях достиг глубины проникновения 20 мм в стали, на объекте достигает менее 12 мм. Снижение глубины проникновения происходит как раз в тот момент, когда планируется контроль коррозии внутренних стенок, поэтому реальные дефекты отображаются как ложноотрицательные результаты.

Проблема 3: Замена поездки обходится в несколько недель.

Арктические объекты расположены в сотнях километров от базы. Необходимость замены деталей в каждом сезоне превращается в проблему транспортировки, увеличивает затраты на персонал и приводит к упущенной возможности проведения исследований. Длительность импульсной работы более 10⁶ импульсов исключает необходимость замены деталей в течение всего срока службы инструмента.

Проблемный момент 4: Базовый уровень меняется в зависимости от сезона.

Метод отслеживания коррозии сравнивает результаты измерений с результатами измерений той же линии, проведенных годом ранее. Если в июле линия выдает 950 А, а в январе — 400 А, то изменение амплитуды, вызванное дефектом, скрывается под изменением амплитуды, вызванным погодными условиями. Стабильная линия обеспечивает сопоставимость результатов двух измерений, что подтверждается регистрируемым импульсным током.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Выберите керамическую облицовку класса I и укажите характеристики холодных материалов.

В спецификацию на закупку необходимо включить ограничения по низким температурам: емкость в пределах ±5 % в диапазоне от −40 °C до +85 °C, увеличение эквивалентного последовательного сопротивления менее чем в три раза и полный разряд при −50 °C. Диэлектрик класса I N4700 соответствует этим показателям. Отклоните предложение, в котором указаны только емкость и ЭПР 25 °C.

Стратегия 2: Рассчитывайте размер банка, исходя из падения заряда, а не только из времени зарядки.

Установите емкость, исходя из ΔV = I·Δt/C, при самой низкой рабочей температуре, поскольку холод повышает сопротивление контура и удлиняет импульс. Затем проверьте запасенную энергию E = ½·C·V² по отношению к этому импульсу. Блок, рассчитанный на 25 °C с импульсом длительностью 3.3 мс, при −40 °C выдает импульс длительностью 4 мс, и его емкость падает сильнее, чем позволяет конструкция.

Стратегия 3: Проверка качества готового модуля в холодильной камере.

Проведите испытание на холод в соответствии со стандартом IEC 60068-2-1 с выдержкой при −50 °C и полным разрядом при −40 °C, затем измерьте емкость, эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) и импульсный ток на каждом модуле. Приемочное испытание при комнатной температуре не позволяет предсказать коэффициент напряженности поля, поскольку сопротивление контура и ESR изменяются с температурой.

Стратегия 4: Поддерживайте температуру в банке выше −20 °C с помощью термостатического обогревателя.

Установите нагревательную пластину и термостат и запустите прибор из прогретого состояния. Поддерживайте мощность нагревателя ниже 10 % от мощности импульса, чтобы заряда батареи хватало на полную смену съемки. Добавьте второй датчик на корпус модуля, поскольку датчик нагревателя считывает показания с пластины, а не с диэлектрика. Сохраните габариты неизменными. Перекрестная ссылка по сравнению с номером детали Murata или Vishay, поэтому нагревательная пластина по-прежнему подходит к модулю.

Стратегия 5: Добавьте систему принудительной вентиляции или теплоотвода для охлаждения в конце лета.

Тот же инструмент работает при температуре +30 °C в июле. Прикрепите модули к распределительному щиту и поддерживайте температуру блока в пределах ±10 °C от температуры калибровки. HVR-BSP толстопленочный резистор В цепи делителя напряжения коэффициент усиления сохраняется в диапазоне температур от −55 °C до +125 °C, поэтому обратная связь по напряжению остается действительной в начале и конце года.

Стратегия 6: Зарегистрировать импульс и герметизировать модуль.

Определите место разряда с помощью... резистор выборки HVRGXP и регистрируйте ток вместе с температурой каждого снимка. Смещение в записи тока указывает на перегрев блока питания, слабую батарею или неисправность какой-либо детали. Защитите модуль от конденсации и защитите выпрямитель заряда с помощью быстродействующего диода, поскольку обледеневшая плата при −50 °C выходит из строя при первом же прогреве.

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. Высоковольтные конденсаторы для арктических батарей PEC.

Арктический PEC-аккумулятор должен сохранять свою емкость, эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) и импульсный ток при температуре −50 °C, а также выдерживать 10⁶ импульсов без сервисного обслуживания. Компания HVC производит керамические компоненты класса I и низкотемпературные модули для этих условий 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.

• Широкий температурный диапазон от −55 °C до +125 °C, с вариантом от −40 °C до +105 °C для узкого корпуса.
• Емкость сохраняет 95 % от значения при 25 °C при −40 °C, поэтому ширина импульса и глубина проникновения остаются в пределах расчетного диапазона.
• Рост ЭПР менее чем в три раза при −50 °C, по сравнению с 3-5-кратным ростом для пленочного элемента и более для электролитического.
• Потери составляют менее 0.1 %, поэтому значение 5 Дж на импульс сохраняется в холодных условиях, а нагреватель мощностью 10 Вт может поддерживать температуру батареи выше −20 °C.
• Длительность импульсного режима превышает 10⁶ выстрелов, что исключает необходимость повторной поездки на арктический объект с коротким рабочим сезоном.
• Детали, прошедшие испытания при низких температурах. Для каждой детали регистрируются емкость и эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) при температуре −40 °C. Дверная ручка HVCT8G Корпус автомобиля напрямую прикрепляет нагревательную подушку.

Доставка и поддержка

Стандартные компоненты поставляются в течение 4–8 недель, а низкотемпературные модули — в течение 6–10 недель. Каждый модуль поставляется с отчетом о работе в холодной камере при температуре −40 °C, включающим данные о емкости, эквивалентном последовательном сопротивлении (ESR) и токе разряда, а также с записью ресурса импульса более 10⁶ импульсов.

Передайте диапазон температур на участке, толщину стенок, сопротивление контура и продолжительность обследования. HVC вернет план работы с учетом просадки напряжения, накопленной энергии и мощности нагревателя. пленочный конденсатор сравнение при той же температуре, а также перекрестная проверка с деталями Murata и Vishay для получения информации о втором источнике.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Можно ли использовать электролитические конденсаторы в инструменте Arctic PEC?

Нет. При температуре ниже −40 °C электролит загустевает, эквивалентное последовательное сопротивление увеличивается в 3–5 раз, а емкость падает более чем на 50 %, поэтому деталь не может обеспечить зарядный ток, необходимый для импульсного блока. Керамическая деталь класса I сохраняет свои характеристики при −50 °C, и это единственный тип, который выдерживает импульс.

В2: Какую часть выходной мощности теряет пленочный блок при температуре −40 °C?

Ток разряда падает до 50–60 % от тока разряда при комнатной температуре, а емкость снижается на 20–30 %. Сопротивление контура также возрастает, поэтому импульс расширяется, а пиковый ток падает. Инструмент, проникающий на 20 мм в лабораторных условиях, затем достигает глубины менее 12 мм на месте.

В3: Какая емкость позволяет удерживать просадку в допустимых пределах?

Размер импульса определяется формулой ΔV = I·Δt/C при самой низкой рабочей температуре. Импульс 400 А длительностью 1 мс, подаваемый на конденсаторную батарею емкостью 6.7 мФ, вызывает падение напряжения на 60 В. Батарея емкостью 1000 мкФ вызывает падение напряжения на 400 В на том же импульсе и разряжается до окончания импульса, поэтому импульс никогда не достигает полной ширины.

Вопрос 4: Решают ли встроенные обогреватели проблему холода?

Они помогают, но не заменяют подходящий диэлектрик. Нагреватель поддерживает температуру батареи выше −20 °C, при которой любой тип компонентов ведет себя лучше. Поддерживайте мощность нагревателя ниже 10 % от импульсной мощности, чтобы батарея все еще могла компенсировать сдвиг, и измеряйте температуру диэлектрика в корпусе модуля.

В5: Как доказать, что инструмент продолжает работать при температуре −50 °C?

Проведите испытание в холодной камере в соответствии со стандартом IEC 60068-2-1 с выдержкой и полным разрядом при температуре −40 °C и запишите импульсный ток на каждом модуле. Затем зарегистрируйте температуру блока и импульсный ток в полевых условиях. Приемочные испытания при комнатной температуре не позволяют предсказать значение коэффициента холода.

В6: Почему одна и та же строка читается по-разному зимой?

Поскольку блок выдает меньший ток при более низкой температуре. Если импульсный ток падает с 950 А до 400 А, то и частота обнаружения дефектов снижается, и сравнение с прошлогодним исследованием становится недействительным. Запишите импульсный ток вместе с графиком и проведите повторную оценку базового уровня после любого изменения детали или температуры.

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 60384-8:2015, Неподвижные конденсаторы для использования в электронном оборудовании — Часть 8: Неподвижные конденсаторы с керамическим диэлектриком, класс 1Женева: МЭК, 2015.
4. МЭК 60270:2015, 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. C. Lv, J. Liu, Y. Zhang, W. Lei и R. Cao, Усовершенствованный метод прогнозирования срока службы металлизированных пленочных конденсаторов с учетом гармоник и процесса деградации.Microelectronics Reliability, vol. 114, p. 113892, 2020. https://doi.org/10.1016/j.microrel.2020.113892
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. МЭК 60068-1:2013, Экологические испытания – Часть 1: Общие положения и рекомендации, Изд. 7.0. Женева: Международная электротехническая комиссия, 2013.
10. Зинке, О., и Зайтер, Х., Widerstände, Kondensatoren, Spulen und ihre Werkstoffe, 2. Ауфл. Берлин: Спрингер, 1982.
11. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com