Исследования на макетах уменьшенного размера.
Разработка пленочных конденсаторов потребовала многочисленных исследований на отдельных элементах конструкции, чтобы установить требуемые характеристики и технологию производства; выбрать материалы; определить их свойства в зависимости от напряженности электрического поля, в том числе при условиях, которые могут непредвиденно возникнуть в процессе эксплуатации. .
Пленочные конденсаторы, помимо высокой надежности, должны иметь хорошие экономические показатели.
Исследования проводили на макетах или прототипах с пониженной единичной мощностью. Как уже указывалось, общее направление этих испытаний определялось испытаниями на усталость, разработанными EDF для конденсаторов с комбинированной изоляцией. Их принципы легли в основу проекта спецификаций МЭК для силовых конденсаторов среднего напряжения.
Исследования проводили на макетах с емкостью около 2 мкФ, состоящих из одной секции с уменьшенной длиной обкладки из фольги. Эти макеты делали из тех же материалов и на тех же машинах, что и реальные конденсаторы.
В табл. 1 приведены характеристики НЖД, используемых в пленочных конденсаторах.
Взаимодействие между полипропиленовой пленкой и НЖД в пленочных конденсаторах играет существенную роль. Полное понимание этих взаимодействий имеет первостепенную важность для установления параметров технологического процесса, обеспечивающих полностью завершенную пропитку конденсаторов.
При пропитке конденсаторов идут два элементарных процесса: это проникновение НЖД между слоями пленки и алюминиевой фольги и набухание пленки вследствие абсорбции НЖД. Чтобы обеспечить хорошее проникновение жидкости и полную пропитку конденсатора, необходимо учитывать следующие факторы:
суммарный коэффициент заполнения (т.е. коэффициент заполнения для пленки плюс кривизна секции) должен быть достаточно высоким;
НЖД должен быть низковязким, насколько это возможно; температура пропитки должна быть настолько низкой, чтобы процесс набухания пленки шел значительно медленнее, чем проникновение НЖД в объем пакета.
Данные по изменению размеров секций вследствие набухания пленки при пропитке показывают, что взаимодействие пленки и НЖД зависит прежде всего от пленки. В зависимости от типа пленки набухание ее может быть значительным даже при комнатной температуре; иногда набухание происходит только при повышенной температуре (70-80°С) (рис. 3).
Установлено, что при пропитке пленочных конденсаторов возрастает внутреннее давление в пакете, Которое в зависимости от типа пленки может снижаться или, наоборот, возрастать (рис. 3 и 4) с изменением температуры. Из этого следует, что температура пропитки является очень важным параметром.
Рис. 3. Изменение толщины пакета при постоянном давлении 50 мбар:
а — кинетика пропитки при 20’С; б — равновесные значения как функция температуры; А — пленка, полученная выдуванием, с шероховатой с одной стороны поверхностью, 2 х15,3 мкм; Б — двуоснорастянутая пленка, с шероховатой о обеих сторон поверхностью, 2 х 13,6 мкм
Эксперименты показали, что поведение этих макетов полностью воспроизводит поведение промышленно выпускаемых конденсаторов при использовании одних и тех же диэлектриков.
Было исследовано несколько НЖД, некоторые из них содержали добавки, и два типа полипропиленовой пленки с шероховатой поверхностью с одной или обеих сторон. За исключением нескольких случаев, когда наблюдалась разница в диэлектрических потерях, большинство полученных результатов указывает на отсутствие каких-либо существенных различий в поведении макетов, независимо от того, какие из исследуемых НЖД и пленок использовались. Поэтому в дальнейшем результаты будут приведены без указания, какие диэлектрики были применены.
Влияние конструкции макетов на выдерживаемое напряжение.
Эти испытания проводят в тех же условиях, что и испытания конденсаторов с комбинированной изоляцией. Каких-либо особых явлений при испытаниях пленочной изоляции не обнаружено. При анализе полученных данных исходя из особенностей конструкции конденсаторов выявилась необходимость оценки средней допустимой номинальной напряженности электрического поля, при которой сохраняется удовлетворительный запас прочности; определения влияния различных технологических решений на поведение диэлектрика при приложенных нагрузках.
На рис. 5 показано, что увеличение толщины диэлектрика выше определенного значения ведет к снижению выдерживаемого напряжения, поэтому для сохранения той же степени надежности необходимо снизить рабочую напряженность электрического поля. Однако при использовании фольги с загнутыми краями напряжение возникновения частичных разрядов возрастает, что приводит к значительному улучшению поведения конденсатора в условиях перенапряжений.
Рис. 5. Влияние толщины диэлектрика и формы фольговых обкладок на значение выдерживаемого напряжения:
Е — номинальная напряженность электрического поля; 1 — фольга с ровными краями; 2 — фольга с загнутыми краями
По-видимому, при одних и тех же толщинах диэлектрика необходимы специальные конструкторские решения, чтобы повысить рабочую напряженность электрического поля на 10-20% при сохранении того же запаса прочности. Необходимо отметить, что введение добавок в НЖД не оказывает какого-либо влияния на характеристики диэлектриков при испытаниях перенапряжением.
Влияние размеров макетов на результаты ускоренных испытаний.
Макеты из-за их относительно малой емкости не нагреваются. Поэтому при испытаниях на старение их помещают в закрытый бак, температура в котором поддерживается равной температуре горячей точки в натурном промышленно выпускаемом конденсаторе.
Из-за очень малых потерь пленочных конденсаторов разумно предположить, что температура горячей точки при испытаниях при 40°С должна составлять 50°С. Поэтому вначале при проведении этих исследований было решено, что температура в баке должна составлять 55°С, и старение макетов велось при этой температуре.
В дальнейшем исследования проводили при различных температурах и были обнаружены явления старения, которые, по-видимому, отсутствуют в комбинированной изоляции. Наряду с температурой необходимо учитывать и другие параметры: наличие добавок в жидком диэлектрике, напряженность электрического поля, химическую природу диэлектрика. Результаты испытаний приведены в табл. 2.
Анализ полученных данных позволил сделать следующие выводы:
- в некоторых случаях при идентичных условиях испытаний наблюдается большой разброс во времени до пробоя;
- температура испытаний оказывает очень большое влияние на поведение диэлектрика;
- введение добавок в НЖД значительно повышает его электрическую прочность;
- влияние напряженности электрического поля установить трудно, но влияние исследованных значений напряженностей, по-видимому, носит вторичный характер по сравнению с влиянием температуры и действием добавок в НЖД.
Эти испытания на макетах показали необходимость тщательного контроля технологии изготовления пленочных конденсаторов, а также исследования возможного механизма старения, при котором температура оказывает значительное ускоряющее воздействие.
Исследование пробитых макетов показывает, что пробой всегда локализован в одной точке, расположенной, по-видимому, в любом месте в диэлектрике, причем ее расположение не обязательно соответствует зоне наибольшей напряженности электрического поля, а также не коррелирует со степенью старения диэлектрика.
Таблица 2. Испытания на старение макетов с емкостью 2 мкФ
Примечание. Е — номинальная напряженность электрического поля; Ип — испытания продолжаются; нПр — испытания прекращены, макет не пробился; Пр — пробой макета.
