Пороги пробоя под воздействием металлической пыли в цехах резки

Пороги пробоя под воздействием металлической пыли в цехах резки

Резюме

Плазменная резка заполняет станок проводящей металлической пылью, а слой пыли на изоляторе замыкает высоковольтные узлы, разрушает сопротивление утечки и запускает образование поверхностных треков. В этой статье количественно оценивается ток утечки через слой пыли, зависимость напряжения пробоя от утечки в виде квадратного корня и экспоненциальная зависимость от влажности, а затем приводятся правила герметизации, циркуляции воздуха и технического обслуживания, которые позволяют поддерживать работоспособность модулей зажигания в условиях загрязненного воздуха.

1. Введение

Плазменная резка распыляет металл. Расплавленные капли, паровой конденсат и мелкие частицы покидают зону резки вместе с выхлопными газами, и часть этой пыли оседает на всех поверхностях внутри станка. Для подсистемы зажигания пыль не является проблемой: богатый металлом слой на изоляторе соединяет высоковольтные узлы и превращает путь утечки в резистор.

Сбои происходят по сезонному принципу. Пыль накапливается в течение нескольких недель без происшествий, затем первое влажное утро повышает проводимость слоя, и первый пробой обугливает поверхность. Углеродные следы, оставленные этим событием, снижают пороговое значение, поэтому для следующего пробоя требуется еще более низкое напряжение.

Диагностика затруднена, поскольку повреждение скрывается от обычных проверок. Устройство с микротрещиной проходит высоковольтную проверку, которая подвергает воздействию всю поверхность, и выходит из строя в процессе эксплуатации, когда трение замыкает два узла на расстоянии 20 мм друг от друга. Инженер заменяет сгоревшую деталь, пыль возвращается, и неисправность повторяется через месяц.

Приведенные ниже данные получены с помощью модуля зажигания с длиной пути утечки 30 мм, шириной полосы загрязнения 20 мм и рабочим напряжением 10 кВ в цехе, где слой пыли достигает 1×10⁻⁸ С на квадратный метр в сухой день.

2. Основной механизм

2.1 Ток утечки через слой пыли

Пылевой слой ведет себя как поверхностная проводимость, параллельная пути утечки. Переносимый им ток утечки следует за проводимостью слоя, напряжением и геометрией:

i_leak = σ_s · V · w / d

где i_leak = ток утечки, σ_s = поверхностная проводимость слоя в С на квадратный дюйм, V = напряжение на пути, w = ширина полосы загрязнения, и d = расстояние утечки. На пути длиной 30 мм с полосой шириной 20 мм при напряжении 10 кВ слой с проводимостью 1×10⁻⁸ С на квадратный дюйм пропускает 67 мкА; слой с проводимостью 7.4×10⁻⁶ С на квадратный дюйм пропускает 6.7 мА.

2.2 Мощность сухого канала и последовательность слежения

Ток утечки рассеивает мощность в слое, и поверхность нагревается до образования сухой полосы:

P_s = V · i_leak

где P_s = поверхностное рассеяние, V = напряжение на пути разряда, а i_leak = ток утечки. При 10 кВ и 6.7 мА слой рассеивает 67 Вт, что приводит к высыханию полосы в течение секунды. Затем сухая полоса удерживает полное напряжение на коротком зазоре, микроразряды проходят по поверхности, и каждый разряд обугливает путь разряда. Для следующего пробоя требуется меньшее расстояние.

2.3 Пробивное напряжение при утечке и загрязнении

Напряжение пробоя загрязненной поверхности подчиняется эмпирической зависимости от расстояния утечки и проводимости слоя:

V_fo ≈ K · d^0.5 / σ_s^0.2

где V_fo = напряжение пробоя, K = эмпирическая константа формы изолятора, d = расстояние утечки, и σ_s = поверхностная проводимость. Квадратный корень — самая дорогая часть: удвоение расстояния утечки обеспечивает увеличение устойчивости на 41%, а для восстановления устойчивости в два раза только за счет расстояния требуется в четыре раза большее расстояние утечки. На пути длиной 30 мм это увеличение в четыре раза означает 120 мм, что не по карману ни одного отсека горелки.

2.4 Взаимодействие с влажностью

Проводимость слоя экспоненциально возрастает с увеличением количества поглощенной влаги, поэтому отказ проявляется влажным утром:

σ_s(RH) = σ_0 · exp(α · (RH − RH_0))

где σ_s(RH) = поверхностная проводимость при заданной относительной влажности, σ_0 = проводимость при эталонной влажности RH_0, α = коэффициент влажности пыли, и RH = относительная влажность. Для металлической пыли в цехе резки α = 14.7 на единицу RH, поэтому проводимость возрастает в 740 раз в диапазоне от 40% до 85% RH. Напряжение пробоя следующее:

V_fo(RH) = K · d^0.5 / (σ_0 · exp(α · (RH − RH_0)))^0.2

где V_fo(RH) = напряжение пробоя при данной влажности. Путь, на котором напряжение пробоя составляет 30 кВ при 40% относительной влажности, снижается до 8.0 кВ при 85% относительной влажности, что ниже рабочего напряжения узла зажигания в 10 кВ.

Рис. 1 — Слой пыли снижает напряжение пробоя на участке длиной 30 мм с 30 кВ до 8 кВ, в то время как герметичный корпус выдерживает 29 кВ.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Размер фильтра рассчитан на обеспечение чистоты воздуха.

Корпуса, выбранные в соответствии с таблицей степени загрязнения 2, соответствуют степени загрязнения 4 в процессе эксплуатации, поскольку в воздухе цеха присутствуют проводящие частицы. В этом случае внутренняя поверхность корпуса имеет меньшую утечку тока, чем предполагается в конструкции, и пробой сначала возникает на выводах трансформатора и конденсатора, где поле наиболее высокое.

Проблема 2: Поток охлаждающего воздуха, который оседает пыль на самых горячих узлах.

Принудительное воздушное охлаждение направляет поток воздуха из цеха на трансформатор зажигания, разделительный конденсатор и делитель напряжения. Эти компоненты также сильно нагреваются, поэтому воздушный поток осаждает загрязнения именно там, где напряжение наиболее высокое. Тепло, поддерживающее работоспособность компонентов, образует слой, который приводит к их выходу из строя.

Проблема 3: Отслеживание, скрывающееся между тестами.

Первый пробой оставляет тонкую углеродную дорожку сопротивлением в несколько мегаом. Деталь всё ещё проходит высоковольтное испытание при напряжении, в 1.5 раза превышающем номинальное, поскольку тестер прикладывает напряжение по всей поверхности 30 мм, а дорожка покрывает лишь её часть. В процессе эксплуатации эта же дорожка переносит утечку через узкий зазор, который она перекрывает, и деталь периодически выходит из строя.

Проблема 4: Загрязнение, которое становится необратимым.

Шероховатая или пористая поверхность задерживает пыль в углублениях, недоступных для очистки. Этот слой сохраняется после каждого цикла технического обслуживания, и заменяемая деталь подвергается воздействию тех же условий, поэтому поломка повторяется с той же периодичностью.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Распределение размеров для степени загрязнения 4

Возьмите таблицы утечки тока для проводящих загрязнений и добавьте сверху 25% запаса, затем добавьте ребра, выемки и пазы к бобине трансформатора, держателям конденсаторов и градуировочные резисторыРебро увеличивает длину пути по поверхности, не увеличивая при этом огибающую, и нарушает прямую линию, которую в противном случае перекрыл бы слой пыли.

Стратегия 2: Отвести охлаждающий воздух от высоковольтных узлов.

Фильтруйте поступающий воздух с помощью моющихся фильтрующих материалов и направляйте его таким образом, чтобы трансформатор зажигания, бак и разделительный конденсатор располагались вне зоны прямого осаждения пыли. Камера с избыточным давлением, фильтрующим воздухом на входе и нефильтрующим воздухом на выходе, поддерживает внутреннюю пылевую нагрузку ниже внешней.

Стратегия 3: Герметизация корпусов конденсатора и резистора.

Укажите герметичные, гладкие, невпитывающие элементы. Плотный N4700 Керамические элементы класса I с герметичными контактами обеспечивают легко очищаемую поверхность и отсутствие щелей, в которых могла бы скапливаться пыль и влага, поэтому протертая деталь возвращается к своим номинальным характеристикам. Сравните это с... пленочный конденсатор в открытом футляре, где пыль достигает краев пленки.

Стратегия 4: Установите интервал технического обслуживания системы защиты от пыли.

Интервал проверки следует соотносить с уровнем запыленности в цехе, а не с календарем. Измерьте сопротивление изоляции высоковольтного тракта с помощью мегомметра при напряжении зажигания и очистите или замените любую деталь, сопротивление которой ниже 1 ГОм. Запишите значение для каждой единицы, чтобы следующий интервал соответствовал измеренной тенденции.

Стратегия 5: Снижение уровня предварительной зарядки за счет влажности.

Датчик внутренней влажности отключает предварительную подзарядку для зажигания или продлевает последовательность подготовки к возгоранию, как только относительная влажность превышает 70%. Этот шаг компенсирует потери, вызванные коэффициентом влажности, и тот же датчик заблаговременно предупреждает о наличии влаги в цехе.

Стратегия 6: Докажите это в пылевой камере.

Испытайте модуль зажигания в пылевой камере с рециркулирующей стандартной тестовой пылью в течение 1,000 часов, одновременно подавая сигнал зажигания в рабочем цикле. Необходимо обеспечить нулевое количество пробоев и конечное сопротивление изоляции выше порогового значения срабатывания сигнализации. Конструкция, прошедшая это испытание, поставляется с уже продемонстрированным запасом по загрязнению.

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
сопротивление изоляции	сопротивление выше 10 ГОм при напряжении 500 В постоянного тока	25 ° C, 60% относительной влажности
Сопротивление изоляции после испытания на пыль	выше 1 ГОм	1,000 ч, рециркуляция тестовой пыли
Отделка кузова	герметичный, гладкий, не впитывающий	визуальный и ИК-осмотр после очистки
Просачивание при номинальном напряжении 10 кВ	30 мм, добавлены ребра.	Степень загрязнения 4, плюс 25%
Частичная разрядка	ниже 5 пС	при номинальном напряжении
Температурный коэффициент	±30 частей на миллион/°C	от −40 °C до +125 °C

5. Высоковольтные конденсаторы для запыленных установок

Герметичный корпус удаляет поверхность, где начинается дорожки. Компания HVC производит керамические конденсаторы класса I с плотными, стекловидными корпусами и герметичными выводами для напряжений от 1 кВ до 100 кВ на собственном заводе площадью 6,000 м² в Дунгуане.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• Герметичные, гладкие корпуса. Плотный диэлектрик N4700 и герметичные выводы обеспечивают легко очищаемую поверхность, которая не задерживает проводящую пыль, поэтому техническое обслуживание восстанавливает работоспособность детали, а не заменяет ее.
• Запас по утечке при номинальном напряжении. Детали, рассчитанные на 10 кВ, имеют поверхностный проводящий путь диаметром 30 мм с ребрами, что обеспечивает защиту от загрязнения до 4 степени с учетом 25% запаса.
• Частичный разряд ниже 5 пКл. Отсутствие внутреннего разряда при расчетном напряжении означает отсутствие микродуг, которые могли бы инициировать образование поверхностной дорожки.
• Параметры, игнорирующие внешнее загрязнение. Температурный коэффициент ±30 ppm/°C и коэффициент диссипации ниже 0.1% обеспечивают постоянные электрические характеристики, в то время как пыль и влага накапливаются снаружи.
• Герметичные выводы. Винтовые и радиальные выводы припаяны к корпусу, что устраняет щель, где скапливается пыль и влага и начинается пробой.
• Проверено в условиях сильного загрязнения окружающей среды. Серия 40 кВ / 441. дверная ручка конденсаторы В рамках программ технического обслуживания на предприятиях, где контроль за выбросами частиц и целостность изоляции определяют работоспособность линии, были заменены импортные детали первого класса. Опубликовано: Перекрестная ссылка В таблице сопоставляются импортированные номера с эквивалентами HVC.

Доставка и поддержка

Стандартные детали отгружаются в течение 4–8 недель, а герметичные комплекты — в течение 6–10 недель. Инженеры-технологи HVC оказывают поддержку в проектировании путей утечки, конструкции ребер и решеток, организации воздушного потока и квалификации пылекамеры. Необходимо указать рабочее напряжение, путь утечки, монтажный чертеж и пылевую нагрузку на заводе. HVC предоставит вам лист выбора с данными о частичных разрядах и отчетами о ресурсе в пыли в течение 1,000 часов в течение пяти рабочих дней.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Какой реальный ток пропускает слой пыли?

На участке длиной 30 мм с полосой загрязнения шириной 20 мм при напряжении 10 кВ слой толщиной 1×10⁻⁸ С на квадратный дюйм пропускает 67 мкА, а влажный слой толщиной 7.4×10⁻⁶ С на квадратный дюйм пропускает 6.7 мА. Второе значение рассеивает 67 Вт на поверхности, чего достаточно для просушивания полосы и начала последовательности отслеживания.

В2: Решит ли проблему увеличение глубины проникновения?

Лишь частично. Напряжение пробоя зависит от квадратного корня из расстояния утечки, поэтому удвоение расстояния увеличивает устойчивость на 41%. Для восстановления в два раза требуется в четыре раза большее расстояние, что превращает путь в 30 мм в 120 мм. Герметизация поверхности и защита от пыли позволяют сэкономить значительно меньший объем материала.

В3: Почему неисправность проявляется в сырое время суток?

Проводимость слоя экспоненциально возрастает с увеличением поглощенной влаги, составляя примерно 14.7 на единицу относительной влажности для металлической пыли из цеха резки. При относительной влажности от 40% до 85% проводимость увеличивается в 740 раз, а напряжение пробоя на участке длиной 30 мм падает с 30 кВ до 8.0 кВ, что ниже рабочего напряжения 10 кВ.

Вопрос 4: Почему отслеживаемый конденсатор проходит высоковольтное испытание?

В ходе высоковольтного испытания вся поверхность подвергается воздействию напряжения, в 1.5 раза превышающего номинальное, и тонкая дорожка замыкает лишь её часть. Деталь проходит испытание, но в процессе эксплуатации дорожка замыкает два узла на расстоянии 20 мм друг от друга. Для обнаружения дорожки измерьте сопротивление изоляции на подозрительном участке или осмотрите поверхность под микроскопом.

В5: Как часто следует чистить отсек высокого напряжения?

Интервал следует устанавливать, исходя из измеренного сопротивления изоляции, а не по календарю. Записывайте значение на единицу при каждом техническом обслуживании и очищайте или заменяйте любую деталь, сопротивление которой опускается ниже 1 ГОм. В цехе с сильным запылением интервал устанавливается примерно на один месяц; в цехе с легким запылением он может составлять целый сезон.

Вопрос 6: Какие детали должны находиться в запыленном модуле зажигания?

Герметичные керамические конденсаторы класса I с длиной пути утечки 30 мм при напряжении 10 кВ, частичным разрядом менее 5 пКл и герметичными выводами. Для делителя используйте резистор выборки в герметичном плоском корпусе с низким температурным коэффициентом, поэтому соотношение сохраняется, пока на поверхности скапливается пыль.

7. Рекомендации

1. Э. Куффель, В.С. Заенгль, Дж. Куффель, Основы высоковольтной техники, 2-е изд., Ньюнес, 2000.
2. Мохан, Н., Унделанд, Т.М., и Роббинс, В.П. Силовая электроника: преобразователи, применение и дизайн, 3-е изд. Хобокен, Нью-Джерси: John Wiley & Sons, 2003.
3. Уведомление 2 MIL-HDBK-217F. Прогнозирование надежности электронного оборудования, 1995.
4. МЭК 60384-1:2021, Фиксированные конденсаторы для использования в электронном оборудовании — Часть 1: Общие технические характеристики, 6-е изд. Женева: МЭК, 2021.
5. МЭК 60664-1:2020, Координация изоляции оборудования в низковольтных системах электроснабжения — Часть 1: Принципы, требования и испытания., 3-е изд. Женева: МЭК, 2020.
6. МЭК 60270:2025, Методы высоковольтных испытаний - Измерение частичных разрядов на основе заряда., 4-е изд. Женева: МЭК, 2025.
7. Д.Н. Донахью, М. Пехт, И.К. Ллойд и С. Ганесан, Деградация многослойных керамических конденсаторов под воздействием влаги, Надежность микроэлектроники, том 46, № 2-4, стр. 400-408, 2006. https://doi.org/10.1016/j.microrel.2005.05.008.
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, vol. 3, no. 5, pp. 325-333, 2009. https://doi.org/10.1049/iet-smt.2008.0136.
9. США 8,570,711, Многослойный керамический электронный компонент (Подавление дугового разряда для многослойных керамических конденсаторов 1–5 кВ), Samsung Electro-Mechanics Co., Ltd., патент выдан в 2013 г., https://www.freepatentsonline.com/8570711.html.
10. ГБ/Т 7354-2018, 高电压试验技术 局部放电测量. Источник: 中国标准出版社, 2018.
11. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com