Совместное проектирование изоляционного масла для высоковольтных секций плазменного зажигания

Совместное проектирование изоляционного масла для высоковольтных секций плазменного зажигания

Резюме

Масло обеспечивает изоляцию, охлаждение и защиту высоковольтного участка системы зажигания, а также подвергается старению. В этой статье приводятся статистические данные о разрушении масла, уравнения окисления и влажности, влияющие на этот процесс, расчет повышения температуры для насосных и стационарных резервуаров, а также правила проектирования, позволяющие снизить риск отказа участка ниже одного процента в течение двадцатилетнего срока службы.

1. Введение

При высокопроизводительной плазменной резке высоковольтный участок, отвечающий за зажигание, может быть погружен в изоляционное масло: трансформатор, конденсатор контура и соответствующая изоляция. Жидкость заполняет все пустоты, повторяет все контуры, отводит тепло конвекцией и предотвращает попадание влаги и пыли на твердые поверхности.

Масло не является пассивным элементом конструкции. Оно окисляется при повышении температуры, впитывает воду из любых протечек в уплотнениях и разлагается при частичном разряде на газ и частицы углерода. Каждое из этих изменений снижает напряжение, которое может выдерживать жидкость.

Операторы маслонаполненных трансформаторов знают стандартную процедуру: отбор проб, анализ растворенных газов, фильтрация. Операторы маслонаполненных секций зажигания часто этого не знают, поскольку эта секция рассматривается как герметичный черный ящик, не имеющий интервала технического обслуживания.

В этой статье изложены принципы физики жидкостей, химия старения, тепловая нагрузка погруженной секции, четыре проблемных момента и правила совместного проектирования, обеспечивающие функционирование жидкости и твердого оборудования как единой системы.

2. Основной механизм

Электрическая прочность масла определяется его пробивными характеристиками, которые зависят от объема: больший объем, подверженный нагрузке, имеет меньшую прочность на пробой. Вероятность отказа при напряжении зажигания подчиняется распределению Вейбулла:

P_brk(V) = 1 − exp(−(V/V_63)^β_oil)

где P_brk(V) — вероятность пробоя при напряжении V, V_63 — напряжение, при котором 63% образцов выходят из строя (кВ), а β_oil — параметр формы масла. Хорошо обработанное масло имеет крутой наклон кривой около 12, поэтому переход от безопасного состояния к небезопасному узкий.

При V_63 = 90 кВ и β_oil = 12 напряжение зажигания 60 кВ дает вероятность пробоя 0.8%. При 80 кВ содержание масла в том же слое достигает 22%, а при 85 кВ — 39%. Перенапряжение в десять процентов превращает этот участок из надежного варианта в вариант, где все зависит от случайности.

2.1 Окислительное старение

При рабочей температуре масло окисляется, и вместе с этим возрастает его коэффициент рассеивания:

tanδ_oil(t) = tanδ_0 · exp(k_ox · t)

где tanδ_oil(t) — коэффициент диссипации через время t, tanδ_0 — начальное значение, k_ox — коэффициент окисления в час, а t — время эксплуатации в часах. Масло с содержанием 0.1% и k_ox = 1.2×10⁻⁵ в час достигает содержания 0.29% через десять лет, и потери, которые рассеивает сама жидкость, возрастают вместе с ним:

P_oil = 2πf · C · V² · tanδ_oil

где P_oil — диэлектрические потери в Вт, f — частота в Гц, C — емкость между напряженными электродами в нФ, V — напряжение в кВ, а tanδ_oil — коэффициент диссипации. В масляном узле с емкостью 30 пФ при напряжении 20 кВ и частоте 10 кГц рассеивается 0.75 Вт, когда масло новое, и 2.3 Вт через десять лет, поскольку потери следуют той же экспоненциальной кривой, что и коэффициент диссипации.

2.2 Проникновение влаги

Вода растворяется в масле, и уровень её насыщенности повышается с повышением температуры, поэтому в тёплом резервуаре содержится больше воды, которая возвращается при охлаждении. Растворённая вода резко снижает прочность на пробой:

V_63(w) ≈ V_63(0) · (1 − k_w · w)

где V_63(w) — характеристическое напряжение пробоя при содержании воды w, V_63(0) — значение в сухом состоянии в кВ, k_w — чувствительность к влаге на ppm, а w — содержание воды в ppm. При k_w = 0.02 содержание воды 15 ppm переводит напряжение пробоя масла при 90 кВ в 63 кВ. Напряжение воспламенения при 60 кВ теперь находится внутри распределения, а не под ним: вероятность пробоя возрастает с 0.8% до 43%.

2.3 Частичный сброс и газообразование

Усиление магнитного поля на краях погруженных твердых частиц инициирует частичный разряд в жидкости. Разряд разлагает нефть на водород и легкие углеводороды, которые можно обнаружить с помощью анализа растворенных газов, и оставляет обугленные частицы, которые еще больше снижают прочность на пробой. Затем газ и частицы вызывают дальнейший разряд, так что механизм самоподдерживается.

2.4 Тепловая нагрузка погруженной секции

Масло переносит каждый ватт, рассеиваемый внутри резервуара. В насосном контуре подъем давления происходит вслед за массовым расходом:

ΔT_oil = P_loss / (m_dot · c_p)

где ΔT_oil — повышение температуры масла в Кельвинах, P_loss — общие потери в Вт, m_dot — массовый расход в кг/с, а c_p — удельная теплоемкость масла в Дж/(кг·К). В секции 85 Вт при расходе 0.02 кг/с и c_p = 1,900 Дж/(кг·К) температура повышается на 2.2 К.

В статическом резервуаре тот же участок проводит тепло через стенки, при этом теплопроводность составляет около 2.4 Вт/К, поэтому повышение температуры достигает 35 К. Именно эта разница предотвращает попадание горячей точки в зону ускоренного старения.

Импульс, который должен удерживаться в секции, легко сформулировать, но легко неправильно истолковать. Запасённая энергия составляет:

E = ½ · C · V²

где E — запасённая энергия, C — ёмкость в нФ, а V — напряжение в кВ. Нанофарады и киловольты дают миллиджоули, поэтому 47 нФ при 20 кВ запасают 9,400 мДж, что составляет 9.4 Дж. Потери на проводимость в том же контуре следующие:

P = I² · R

где P — потери, I — ток в А, а R — сопротивление в мОм. Амперы и миллиомы дают милливатт, поэтому 0.8 А через обмотку сопротивлением 150 мОм рассеивает 96 мВт. Собственная резонансная частота погруженного контура равна:

f_r [MHz] = 5033 / √(L[nH] · C[pF])

где f_r — резонансная частота в МГц, L — индуктивность контура в нГн, а C — емкость в пФ. Трансформатор с индуктивностью утечки 4,000 нГн и емкостью 2,000 пФ резонирует на частоте 1.78 МГц, и потери в масле возрастают на этой частоте.

Рис. 1 — Окисление и 15 ppm воды повышают характеристическое напряжение пробоя масла с 90 кВ до 63 кВ, увеличивая риск отказа при 60 кВ с 0.8% до 43%.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Запечатанный участок, который никто не обслуживает.

Резервуар с маслом для зажигания поставляется в герметичном виде и считается не требующим технического обслуживания. Жидкость окисляется, накапливается влага, и первым симптомом является внутренний пробой, который разрушает трансформатор и конденсатор одновременно, без каких-либо предупреждений на более ранних этапах.

Болевая точка 2: очаги, ускоряющие локальное старение.

Процесс старения протекает быстрее всего там, где температура самая высокая: в сердечнике трансформатора и корпусе конденсатора. В этом случае прочность на пробой у изношенной жидкости снижается именно там, где электрическое поле достигает своего пика, поэтому частичный разряд начинается в самой горячей точке.

Проблема 3: Несовместимость жидкостей и твердых тел

Масло разрушает герметики, лаки и прокладки, которые изначально не были сертифицированы для погружения в жидкость. В результате этого разрушения в жидкость высвобождаются частицы и растворенные соединения, которые снижают прочность масла, окружающего эти детали.

Проблема №4: Отсутствие диагностики уровня жидкости в плане поддерживающей терапии.

Даже если доступ к нефти возможен через порт, в графике может отсутствовать отбор проб и анализ газа. Деградация остается незаметной до момента отказа, а отказ приводит к разрушению всего участка.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Наладить управление потоком жидкости на начальном этапе.

Перед проектированием корпуса выберите между герметичной и воздухопроницаемой конструкцией. Для обеспечения возможности воспламенения необходимо герметизировать резервуар, заполнить его азотом и учесть компенсационный объем для термоциклирования. Герметизация предотвращает попадание 15 ppm воды в жидкость.

Стратегия 2: Укажите твердые вещества, совместимые с маслом.

Проверьте герметичность герметизирующего слоя, лака, прокладок и шлангов на соответствие выбранному маслу при рабочей температуре и проведите испытание на погружение до наступления расчетного замерзания. Материал, который набухает или выщелачивается, превращает жидкость в источник отказа вместо защитного действия.

Стратегия 3: Удалить точки усиления поля.

Закруглите края погруженных компонентов, установите защитные экраны для полевых условий на клеммах и следуйте таблицам зазоров для масла при определении расстояния между ними. HVC керамические дисковые конденсаторы Они имеют гладкую, стекловидную поверхность с закругленными концами, поэтому жидкость не видит краев, которые могли бы ионизироваться.

Стратегия 4: Контроль температуры масла

Размер радиатора или насоса следует выбирать таким образом, чтобы температура в самой горячей точке оставалась ниже 90 °C для минерального масла и выше для синтетического эфира. Секция мощностью 85 Вт повышает температуру на 2.2 К при расходе 0.02 кг/с и температуре 35 К в статическом резервуаре, поэтому выбор насоса определяет скорость старения всего объема жидкости.

Стратегия 5: Оснастить жидкость измерительными приборами.

Установите пробоотборный порт или датчик растворенных газов и влаги и внесите проверку уровня масла в план технического обслуживания. Отслеживайте динамику концентрации газа и воды относительно пороговых значений срабатывания сигнализации и рассматривайте повышение уровня водорода как первый признак того, что необходимо обратить внимание на состояние грунта на участке.

Стратегия 6: Выберите масло, соответствующее выполняемой задаче.

Синтетический сложный эфир обладает более высокой прочностью на разрушение, лучше переносит воздействие воды и стареет медленнее, чем минеральное масло, при этом его стоимость немного выше. Для зоны зажигания с резкими импульсами и горячими точками эта разница оправдана, при условии, что все твердые частицы в резервуаре прошли проверку на совместимость со сложным эфиром.

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	< 50 мОм	25 ° C
Индуктивность петли (хорда E40)	< 8 нГн	Расстояние между клеммами: 40 мм
сопротивление изоляции	> 10 ГОм при 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	> 50 кВ/мкс	при номинальном напряжении

5. Конденсаторы HVC для этого узла

Погруженный в жидкость конденсатор должен выдерживать воздействие жидкости, в которой он находится. Компоненты HVC разработаны именно для таких условий:

• Плотные герметичные корпуса и их капсулирование соответствуют требованиям для использования с трансформаторными маслами, не вызывают коррозии и не приводят к выделению частиц.
• Стеклокерамическая поверхность и закругленные концы минимизируют усиление поля, которое вызывает частичный разряд в масле.
• Частичный разряд остается ниже 5 пКл при номинальном напряжении, поэтому в конденсаторе не происходит разложения масла.
• Значение tanδ, равное или меньшее 0.1%, позволяет поддерживать низкую долю тепловой нагрузки на конденсатор в контуре охлаждения.
• Дрейф параметров в пределах ±30 ppm/°C обеспечивает стабильность электрических параметров в теплом, заполненном маслом корпусе.
• 40 кВ дверная ручка конденсаторы и пленочный конденсатор Диапазон испытаний проводился в высоковольтных системах, где вопросы гидродинамики и совместимости компонентов являются обычным делом.

Доставка и поддержка покрывает Перекрестная ссылка Необходимо предоставить информацию о совместимости с используемыми в вашем резервуаре конденсаторами, данные о совместимости герметизации с условиями погружения, образцы для испытания на старение в жидкости, а также рекомендации по выравниванию и засыпке внутри резервуара. Укажите тип масла, номинальное напряжение участка, температуру в самой горячей точке и... градуировочные резисторы установлены на концах.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Какое количество воды может выдержать масло?

Содержание воды не должно превышать 5 ppm. При 15 ppm напряжение, необходимое для срабатывания масла при 90 кВ, падает до 63 кВ, а при напряжении, вызывающем воспламенение при 60 кВ, вероятность пробоя увеличивается с 0.8% до 43%. Вода не должна попадать в резервуар, и ни один фильтр не сможет удалить её достаточно быстро после попадания внутрь.

Вопрос 2: Как быстро стареет масло?

Коэффициент диссипации экспоненциально возрастает со временем при заданной температуре. При пусконаладочных работах он составлял 0.1%, а при коэффициенте окисления 1.2×10⁻⁵ в час через десять лет он снизился до 0.29%, при этом собственные диэлектрические потери жидкости увеличились с 0.75 Вт до 2.3 Вт по той же кривой.

Вопрос 3: Герметичный или дышащий резервуар?

Герметичный корпус с азотной прослойкой и расширительным объемом. Вентиляционный бак обеспечивает обмен воздуха с помещением при каждом термическом цикле, и каждый такой обмен приводит к поступлению воды. Расширительный объем компенсирует собственное сжатие масла, не забирая воздух из помещения.

Вопрос 4: Почему в стационарном резервуаре температура значительно выше?

Поскольку тепло уходит через стенки. Теплопроводность, близкая к 2.4 Вт/К, преобразует потери в 85 Вт в повышение температуры на 35 К, в то время как насосная система со скоростью потока 0.02 кг/с удерживает те же потери на уровне 2.2 К. Таким образом, горячая точка определяет, на какой стороне порога старения находится масло.

В5: На что следует обращать внимание при отборе проб нефти?

Содержание воды, кислотность, коэффициент диссипации и растворенные газы. Повышение уровня водорода указывает на частичный разряд, влажность указывает на состояние уплотнений, а коэффициент диссипации отражает степень окисления. Сравните значения всех четырех показателей с их пороговыми значениями срабатывания сигнализации.

Вопрос 6: Стоят ли синтетические эфиры своих денег?

Да, при работе в условиях повышенной температуры в резервуаре это необходимо для предотвращения воспламенения. Эфиры удерживают больше воды до тех пор, пока не снизится их прочность на разложение, и стареют медленнее. Сначала необходимо проверить каждый твердый материал в резервуаре на соответствие составу эфира, поскольку при смене жидкости происходит контакт со всеми смачиваемыми материалами.

7. Рекомендации

1. МЭК 60384-1:2021, Фиксированные конденсаторы для использования в электронном оборудовании — Часть 1: Общие технические характеристики, 6-е изд. Женева: МЭК, 2021.
2. Куффель, Э., Заенгль, В.С., и Куффель, Дж. Высоковольтная техника: основы, 2-е изд. Оксфорд: Ньюнес, 2000.
3. Н. Мохан, Т.М. Унделанд и У.П. Роббинс, Силовая электроника: преобразователи, применение и дизайн, 3-е изд. Хобокен: Wiley, 2003.
4. Уведомление 2 MIL-HDBK-217F. Прогнозирование надежности электронного оборудованияВашингтон, округ Колумбия: Министерство обороны США, 1995.
5. МЭК 61071:2017, Конденсаторы для силовой электроники, Изд. 2.0. Женева: Международная электротехническая комиссия, 2017.
6. 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.
7. Л. Луазель и др., Влияние старения на деградацию масла и склонность к газообразованию при высокоэнергетических электрических разрядах в минеральном масле и синтетическом эфире.Высокое напряжение, том 5, № 6, стр. 731-738, 2020. https://doi.org/10.1049/hve.2019.0291
8. 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.
9. М. Помпили и Р. Бартникас, При измерении частичных разрядов в диэлектрических жидкостяхIEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, vol. 19, no. 5, pp. 1476-1481, 2012. https://doi.org/10.1109/tdei.2012.6311489.
10. Металлизированные пленочные импульсные конденсаторы MKP — основные характеристики продуктаKEMET Electronics, https://www.digikey.com/en/product-highlight/k/kemet/mkp-metallized-film-pulse-capacitors .
11. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com