CC BY
93
94
Изменение электрофизических характеристик высоковольтных импульсных конденсаторов при различных модификациях обкладок
В. И. Гунько, А. Я. Дмитришин, Л. И. Онищенко, С. О. Топоров
Институт импульсных процессов и технологий НАН Украины, пр. Октябрьский, 43-А, г. Николаев, 54018, Украина, [email protected]
Рассмотрены результаты теоретических расчетов и экспериментальных исследований изменения электрофизических характеристик (емкости, тангенса угла потерь, электрического сопротивления изоляции, кратковременной и длительной электрической прочности) высоковольтных импульсных конденсаторов с пленочным диэлектриком при различных вариантах конструкции обкладок.
УДК 621.319.4
ВВЕДЕНИЕ
Проведенные ранее исследования показали, что применение в конструкции высоковольтных импульсных конденсаторов (ВИК) пленочного диэлектрика, пропитанного неполярной маловязкой жидкостью, позволяет повысить по сравнению с бумажно-плёночным диэлектриком от 1,3 до 2 раз удельную запасаемую энергию конденсатора при одинаковом ресурсе [1]. Повышение удельной запасаемой энергии ВИК достигалось за счет увеличения рабочей напряженности электрического поля в диэлектрике конденсатора, так как пленочный диэлектрик обладает наиболее высокой электрической прочностью по сравнению с традиционно применяющимися в конденсаторостроении ВИК бумажным или комбинированным бумажно-пленочным диэлектриком. Вместе с тем, как показывает опыт работ, повышение удельной запасаемой энергии конденсаторов возможно и за счет уменьшения их массогабаритных показателей.
ПОСТАНОВКА ПРОБЛЕМЫ
Одним из путей снижения массогабаритных показателей высоковольтных импульсных конденсаторов является использование в конструкции секции конденсатора металлизированных обкладок, представляющих собой напыленные на диэлектрик тонкие металлические слои алюминия или цинка, которые примерно от 400 до 600 раз тоньше применяемых в конструкции ВИК фольговых обкладок [2-4]. Как показал проведенный анализ научно-технической информации, наличие металлизированных обкладок в передовых конструкциях современных ВИК с пленочным диэлектриком позволяет поднять уровень рабочей напряжённости электрического поля в диэлектрике до 350 кВ/мм и достичь удельной запасаемой энергии конденсатора 0,9 Дж/г при ресурсе конденсатора 104 зарядов-
разрядов или 1,6 Дж/г при ресурсе 103 зарядов-разрядов [5-7].
Кроме того, такой тип обкладок позволяет обеспечить возможность самовосстановления электрической прочности конденсатора, так как при локальном пробое диэлектрика в местах пониженного значения электрической прочности возникает большая величина плотности тока пробоя и выделяется энергия, достаточная для локального выгорания тонкой металлизированной обкладки вокруг канала пробоя. Образуемая таким образом зона деметаллизации изолирует место пробоя от остальной части обкладки, и конденсатор восстанавливает свою электрическую прочность.
Цель данной работы - оценить влияние введения в конструкцию секции металлизированных обкладок на электрофизические характеристики (емкость, тангенс угла потерь, электрическое сопротивление изоляции, кратковременную и длительную электрическую прочность) ВИК с пленочным диэлектриком.
АНАЛИЗ РАСЧЕТНЫХ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ВИК
Сравнительный анализ пленочных диэлектрических систем секций конденсаторов с обкладками из металлической фольги (рис. 1) и с металлизированными обкладками (рис. 2) показывает, что в пленочной диэлектрической системе секции с металлизированными обкладками на одну прослойку жидкого диэлектрика между плёнками и обкладками меньше, чем в диэлектрике с фольговыми обкладками. Проанализируем, к чему это приводит.
С учетом прослоек пропитывающей жидкости между слоями пленки фактическая толщина диэлектрика d при применении фольговых обкладок определяется по формуле [8]:
© Гунько В.И., Дмитришин А.Я., Онищенко Л.И., Топоров С.О., Электронная обработка материалов, 2013, 49(2), 94-101.
95
d = Кн, (1)
Кз
где dH - номинальная толщина диэлектрика, мкм; Кз - коэффициент запрессовки диэлектрика.
Суммарная толщина прослоек жидкости в диэлектрике
dж d dн.
Толщина одной прослойки жидкости
d =d^ ^ж1 n ,
(2)
(3)
где n - число прослоек жидкости в диэлектрике.
Таким образом, фактическая толщина диэлектрика с металлизированными обкладками df будет уменьшена:
d ' = d - d.tж1. (4)
Уменьшение фактической толщины диэлектрика при неизменных номинальной толщине диэлектрика и толщине слоя жидкого диэлектрика приводит к увеличению коэффициента запрессовки К з при металлизированных обкладках:
dн
d - dж
(5)
2
Рис. 1. Пленочная диэлектрическая система секции конденсатора с обкладками из металлической фольги. 1 - полимерная пленка; 2 - фольговая обкладка; 3 - слой жидкого диэлектрика.
Рис. 2. Пленочная диэлектрическая система секции конденсатора с металлизированными обкладками. 1 - полимерная пленка; 2 - полимерная пленка со слоем металлизации; 3, 4 - слой жидкого диэлектрика.
В настоящее время в ИИПТ НАН Украины при создании высоковольтных импульсных конденсаторов на основе плёночных диэлектрических систем для обеспечения качественной пропитки выбран коэффициент запрессовки, равный 0,83. На основе указанных формул для применяемых в конструкциях создаваемых конденсаторов плёночных структур получено, что коэффициент запрессовки в случае металлизированных обкладок будет равен 0,87. По формулам, приведенным в [8], можно вычислить значения эквивалентной относительной диэлектрической проницаемости 8экв и эквивалентного тангенса угла потерь tgS^ диэлектрических систем с фольговыми и металлизированными обкладками с коэффициентами запрессовки 0,83 и 0,87 соответственно.
Значения эквивалентной относительной диэлектрической проницаемости и тангенса угла потерь определялись по формулам:
р = — °экв J
(Лл
d
d,.
н1 + кл н 2 + dж
(6)
где d^, d^ - суммарная толщина первой и второй полимерных пленок соответственно, мкм; s1, s2 -относительная диэлектрическая проницаемость первой и второй полимерных пленок соответственно; 8ж - относительная диэлектрическая
проницаемость пропитывающего диэлектрика;
tg 6экв = ‘tg 61 + (7)
+ (1 - Х) ' £экв . tg 62 + (1 - К ) • £экв . tg 6ж, р 2 рж
где tgS1, tgS2 - тангенс угла потерь первой и второй полимерных пленок соответственно; tgSж -тангенс угла потерь пропитывающего диэлектрика; х - относительное содержание одного типа пленки в твердом диэлектрике,
x = (8)
Формулы (6) и (7) приведены для диэлектрика с фольговыми обкладками, для диэлектрика с металлизированными обкладками в формуле (6) d заменяется на d ' dж - на d 'ж = dж - dж1, а в формуле (7) Кз - на К з соответственно.
Результаты расчета по оценке влияния введенных металлизированных обкладок на электрофизические параметры диэлектрических систем ВИК, создаваемых ИИПТ, приведены в табл. 1.
При анализе данных, приведенных в таблице, видно, что при введении металлизированных об-
96
Таблица 1. Результаты расчета по оценке влияния введенных металлизированных обкладок на электрофизические параметры плёночных диэлектрических систем
Тип диэлектрика мкм Пропитка Фольговые обкладки (К = 0,83) Металлизированные обкладки К = 0,87) Др экв % Д!-ё8экв, %
рэкв tgS р экв tg 8
П112П26П112 30 Т-1500 2,320 9,369-10-4 2,327 9,28-10-4 +0,3 -0,95
П112П210П112 34 2,382 1,291-10-3 2,391 1,284-10-3 +0,38 -0,54
П112П215П112 39 2,444 1,652-10-3 2,457 1,649-10-3 +0,53 -0,5
П112П26П112 30 ПМС-20 2,386 9,567-10-4 2,377 9,43-10-4 -0,38 -1,43
П112П210П112 34 2,451 1,322-10-3 2,444 1,308-10-3 -0,29 -1,06
П112П112П112 36 2,259 2,41-10-4 2,245 2,3 -10-4 -0,6 -4,5
П112П215П112 39 2,517 1,695-10-3 2,513 1,681 -10-3 -0,16 -0,83
Примечание. Пь П2 - плёнка полипропиленовая, полиэтилентерефталатная соответственно; цифра, стоящая после обозначения плёнки, - толщина одного листа плёнки в мкм; Т-1500 - трансформаторное масло; ПМС-20 - полиметилсилоксановая жидкость; Дрэкв - относительное изменение эквивалентной относительной диэлектрической проницаемости; Дtg5экв - относительное изменение эквивалентного тангенса угла потерь.
кладок параметры и характеристики диэлектрических систем изменяются незначительно.
При определении достижимого уровня повышения энергоемкости ВИК на основе пленочных диэлектрических систем за счет введения в конструкцию секции металлизированных обкладок в качестве функции отклика бралась емкость секции - какой станет емкость конденсатора, если в его секцию, при неизменной толщине последней, вместо двух фольговых обкладок толщиной 9 мкм каждая ввести две металлизированные обкладки с толщиной слоя металлизации по 0,014 мкм. Толщина слоя металлизации выбрана по рекомендациям работ [4, 5].
Снижение толщины обкладки секции с 9 до 0,014 мкм, то есть уменьшение толщины почти в 640 раз, приводит к значительному увеличению её активного сопротивления, а соответственно и самого конденсатора в целом, что накладывает определённые ограничения на режим его работы.
В результате проведенных авторами исследований установлено, что для ВИК, эксплуатирующихся в нормальных климатических условиях, с рабочим напряжением до 10 кВ, в конструкции которых задействовано большое количество параллельно соединенных секций, при частоте следования зарядов-разрядов до 0,1 Гц возрастание активного сопротивления не приводит к значительному перегреву конденсатора.
Для конденсаторов с номинальным напряжением выше 10 кВ, когда необходимо применять в его конструкции большое число последовательных соединений групп параллельно соединенных секций, обеспечение теплового баланса конден-
сатора достигается только при работе с низкой
частотой следования зарядов-разрядов.
При создании конденсаторов с частотой следования зарядов-разрядов свыше 0,1 Гц целесообразно применять диэлектрические системы одновременно с фольговыми и металлизированными обкладками (рис. 3).
4
Рис. 3. Пример расположения фольговых и металлизированной обкладок в секциях конденсатора. 1 - полимерная пленка; 2 - фольговая обкладка; 3 - полимерная плёнка со слоем металлизации 4.
При таком конструктивном решении металлизированная обкладка играет роль так называемой «плавающей» обкладки, позволяющей выравнивать электрическое поле на ее краю. В зависимости от количества «плавающих» обкладок, например одна или две, конденсаторная секция преобразуется в два или три последовательно соединенных емкостных элемента, и разрядный ток протекает только по фольговым обкладкам.
Результаты расчетов по определению запасаемой энергии высоковольтных импульсных
97
Таблица 2. Результаты расчета по определению запасаемой энергии ВИК, в конструкциях секций которых применены металлизированные обкладки, в сравнении с фольговыми
мкм Тип диэлектрика Пропитка Un, кВ Тип обкладки
фольговые металлизированные фольговые и «плавающие»
С мкФ WK, Дж С мкФ Wc, Дж AW, % С мкФ W„ Дж AW, %
30 П12П26П! 12 Т-1500 6 200,0 3600 280,0 5040,0 40,0 240,0 4320,0 20,0
34 П112П210П112 25 5,0 1562 7,2 2263,0 44,8 6,1 1906,2 22,0
34 П112П210П112 ПМС-20 30 1,2 540 1,6 733,5 35,8 1,4 630,0 16,7
39 ПД2ПД5ПД2 Т-1500 50 1,0 1250 1,4 1736,5 38,9 1,22 1525,0 22,0
36 ПД2ПД2ПД2 ПМС-20 50 0,5 625 0,7 850,0 36,0 0,59 737,5 18,0
36 ПД2ПД2ПД2 100 0,1 500 0,14 745,0 40,0 0,12 600,0 20,0
Примечание. AW- относительное изменение запасаемой энергии конденсатора.
шшшшшшт
У///////////////Ш
2
1
4
(а)
(б)
Y/////////////////&//A
(в) (г)
Рис. 4. Варианты расположения обкладок и слоев пленочного диэлектрика в макетах секций. 1 2 - фольговая обкладка; 3 - полипропиленовая пленка со слоем металлизации 4.
полимерная пленка;
4
2
1
конденсаторов, в конструкциях секций которых применены только металлизированные или одновременно фольговые и металлизированные обкладки, в сравнении с фольговыми, приведены в табл. 2.
При анализе данных таблицы видно, что применение в конструкции конденсаторов секций металлизированных обкладок приводит к повышению запасаемой энергии конденсатора в
среднем на 40%, а с фольговой и «плавающей» металлизированной обкладками - в среднем на 20% по сравнению с конденсаторами на основе фольговых обкладок.
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
Для проверки полученных теоретических результатов проводились экспериментальные исс-
98
Таблица 3. Данные по измерению емкости, тангенса угла потерь и электрического сопротивления изоляции макетов секций с различными вариантами расположения обкладок
Вариант Тип обкладок Cc, мкФ С '•“'ср? мкФ -^из, МОм tg 8 tg 8ср
1 Металлизированные (рис. 4а) 1,836 1,809 25000 0,0025 0,00256
1,810 0,0026
1,800 0,0027
1,767 0,0025
1,830 0,0025
2 Фольговые (рис. 4б) 1,292 1,290 12500 0,0027 0,00264
1,271 0,0026
1,319 0,0026
1,327 0,0027
1,241 0,0026
3 Металлизированные с «плавающей» металлизированной (рис. 4в) 0,448 0,479 25000 0,0026 0,00258
0,531 0,0025
0,461 0,0026
0,504 0,0025
0,452 0,0027
4 Фольговые с «плавающей» металлизированной (рис. 4г) 0,391 0,395 12500 0,0026 0,00268
0,385 0,0028
0,411 0,0026
0,383 0,0026
0,404 0,0028
Таблица 4. Данные по определению кратковременной электрической прочности макетов секций с различными модификациями обкладок
Вариант Тип обкладок Номер секции мкм Uпр, кВ ипр. ср^ кВ Е -^пр. ср.} кВ/мм
1 Металлизированные (рис. 4а) 1 34 от 12,5 до 14,0 13,2 388,2
2 от 12,0 до 14,5
3 от 12,0 до 14,0
2 Фольговые (рис. 4б) 1 14,0 13,67 402,1
2 13,5
3 13,5
3 Металлизированные с «плавающей» металлизированной (рис. 4в) 1 от 20,0 до 24,0 21,75 319,8
2 от 20,0 до 22,0
3 от 20,0 до 24,0
4 Фольговые с «плавающей» металлизированной (рис. 4г) 1 22,5 22,67 333,4
Рис. 5. Характерные места пробоя секций с металлизированными обкладками.
99
♦ w -
(a)
(б)
Рис. 6. Характерные места пробоя секций с фольговыми обкладками: (а) - место пробоя по толщине диэлектрика; (б) - место пробоя на краю обкладки.
Таблица 5. Данные ресурсных испытаний макетов секций с разными модификациями обкладок
Вариант Тип обкладок Номер секции мкм Ер, кВ/мм Наработка, зарядов- разрядов
1 Металлизированные (рис. 4а) i 34 176,5 0,9-103
2 1-103
3 1-103
4 1,1-103
5 1,2-103
2 Фольговые (рис. 4б) 1 1,08-105
2 1,08-105
3 3,24-105
4 4,73-105
5 5,04-105
3 Металлизированные с «плавающей» металлизированной (рис. 4в) 1 147,1 0,8-103
2 0,9-103
3 0,9-103
4 1-103
5 1,1-103
4 Фольговые с «плавающей» металлизированной (рис. 4г) 1 5,58-105
2 6,28-105
3 7,2-105
4 8,43 -105
5 9,36-105
Рис. 7. Деметаллизация в месте контакта металлизированной обкладки со слоем шоопировки.
100
Рис. 8. Электрический пробой диэлектрика на краю обкладок секций.
ледования макетов секций с разными модификациями обкладок. При этом были выбраны четыре варианта расположения обкладок и слоев пленочного диэлектрика (рис. 4), то есть для одной и той же диэлектрической системы брались как металлизированные (рис. 4а и в), так и фольговые обкладки (рис. 4б и г). Эти варианты исполнения обкладок секций конденсатора исследовались на макетах цилиндрических секций, которые наматывались одинаковым диаметром.
Данные по измерению емкости, тангенса угла потерь и электрического сопротивления изоляции макетов секций с различными вариантами расположения обкладок приведены в табл. 3.
Из таблицы видно, что у макетов секций, в конструкциях которых применены только металлизированные обкладки (вариант 1), по сравнению с макетами секций с фольговыми обкладками (вариант 2) емкость выше на 40,2 %, а тангенс угла потерь ниже на 3,1%. В случае основной и «плавающей» металлизированных обкладок (вариант 3) по сравнению с применением основной фольговой и «плавающей» металлизированной обкладок (вариант 4) емкость макетов секций выше на 21,3%, а тангенс угла потерь ниже на 3,8%. Электрическое сопротивление изоляции макетов секций с основными металлизированными обкладками выше в два раза, чем у макетов секций с основными фольговыми обкладками. Полученные величины вполне согласуются с данными проведенных теоретических расчётов.
При исследованиях по определению кратковременной электрической прочности макетов секций с металлизированными обкладками (варианты 1 и 3) был зафиксирован эффект самовосстановления электрической прочности диэлектрика макетов секций. Эти макеты секций доводились до электрического пробоя 20 раз, после чего испытания прекращались, так как секции по-прежнему обеспечивали высокую электрическую прочность.
Причем пробои начинались с меньших величин электрической прочности, приведенных в табл. 4, и к концу проведения испытаний секции пробивались при более высоких значениях элек-
трического напряжения. Данный факт позволяет сделать вывод, что вначале отбраковывались слабые места пленочного диэлектрика.
Кратковременная электрическая прочность макетов секций с фольговыми обкладками несколько выше электрической прочности макетов секций с металлизированными обкладками, так как при нанесении слоя металлизации на полимерную пленку снижается электрическая прочность самой пленки.
Дефектация макетов секций с металлизированными обкладками показала множественные места пробоев диэлектрика с деметаллизацией слоя обкладки вокруг места пробоя. При дефектации макетов секций выявлены места пробоя диэлектрика как на краю обкладки, так и по толщине диэлектрика на середине ширины обкладки, и не один из этих пробоев не был преобладающим.
Характерные места пробоя секций с металлизированными обкладками, где видна деметаллизация слоя обкладки вокруг места пробоя, приведены на рис. 5. Наиболее характерные места пробоев секций с фольговыми обкладками приведены на рис. 6.
Данные экспериментальных исследований по определению длительной электрической прочности (ресурсных испытаний) макетов секций с разными модификациями обкладок приведены в табл. 5.
При анализе результатов ресурсных испытаний видно, что все макеты секций с металлизированными обкладками (вариант 1) вышли из строя, имея малую наработку - порядка 103 зарядов-разрядов. Проведенная дефектация показала, что причиной выхода макетов секций из строя явилась деметаллизация в месте контакта металлизированной обкладки со слоем шоопировки, причем электрическая прочность диэлектрика секций не была нарушена. Деметаллизация в месте контакта металлизированной обкладки со слоем шоопировки показана на рис. 7.
Макеты секций с фольговыми обкладками показали наработку от 1,08-105 до 5,04-105 зарядов-разрядов (вариант 2) и от 5,58-105 до
101
9,36-105 зарядов-разрядов (вариант 4). Проведенная дефектация макетов секций показала, что характерной причиной выхода секций из строя являлся электрический пробой диэлектрика на краю обкладки секции, то есть в местах наибольшей неоднородности электрического поля в секции.
Электрический пробой диэлектрика на краю обкладок секций показан на рис. 8.
ВЫВОДЫ
По результатам проведенных исследований можно сделать выводы, что применение металлизированных обкладок в ВИК приводит к:
- увеличению емкости секций в среднем на 20% при применении «плавающей» обкладки и в среднем на 40% - при применении только металлизированных обкладок, что соответственно увеличивает запасаемую энергию ВИК при неизменных габаритах;
- незначительному изменению тангенса угла потерь;
- увеличению электрического сопротивления изоляции.
Эффект самовосстановления электрической прочности рабочего диэлектрика секций с металлизированными обкладками повышает надёжность конденсатора в целом.
Применение наряду с фольговыми обкладками «плавающей» металлизированной приводит к повышению ресурса ВИК.
Для исключения деметаллизации металлизированной обкладки в месте контактного перехода обкладка-контактная поверхность площадь контактной поверхности должна быть максимально возможной - такой, чтобы при этом не ухудшались условия пропитки диэлектрика секции, а
край металлизированной обкладки в месте контакта должен быть выполнен с утолщением.
ЛИТЕРАТУРА
1. Гребенников И.Ю., Гунько В.И., Дмитришин А.Я., Михайлов И.Г., Онищенко Л.И., Фещук Т.А. Исследование зависимости ресурса высоковольтных импульсных конденсаторов с плёночным диэлектриком от режимов эксплуатации. Электротехника. 2006, 6, 36-41.
2. Ренне В.Т. Электрические конденсаторы. Л.: Энергия, 1969. 592 с.
3. Ренне В.Т. Плёночные конденсаторы с органическим синтетическим диэлектриком. Л.: Энергия, 1971. 240 с.
4. Кучинский Г.С., Назаров Н.И. Силовые электрические конденсаторы. М.: Энергоатомиздат, 1992. 320 с.
5. Северюхин Д.Я., Коняхин В.Е., Кирьянов В.В. Токонесущая способность металлизированной обкладки импульсных энергоёмких конденсаторов. Электротехника. 1991, 7, 7-10.
6. Емельянов О.А. Локальное разрушение тонких металлических плёнок при электродинамических нагрузках. Журнал технической физики. 2008, 78(7), 48-55.
7. General Atomics Energy Products. High voltage capacitors. http://www.saep.com/capacitors.html
8. Ренне В.Т., Багалей Ю.В., Фридберг И.Д. Расчёт и конструирование конденсаторов. К.: Техника. 1966. 328 с.
Поступила 09.04.12
Summary
The results of theoretical calculations and experimental researches of changing the electrophysical characteristics (capacity, loss tangent, resistance of insulation, short-time and long-time dielectric strength) in high-voltage pulse capacitors with a film dielectric applying different constructions of capacitor’s plates, are given.
