Глава седьмая
ОБКЛАДКИ СИЛОВЫХ КОНДЕНСАТОРОВ
ФОЛЬГОВЫЕ ОБКЛАДКИ
Алюминиевая фольга, используемая в качестве обкладок при изготовлении намотанных секций силовых конденсаторов с бумажным, бумажно-пленочным и пленочным диэлектриком, выпускается по ГОСТ 618-73. Она содержит 99,5—99,7% алюминия. Применение алюминия обосновано тем, что он обладает небольшим удельным сопротивлением, высокой теплопроводностью, легко прокатывается до малых толщин и относительно дешев. В конденсаторах других типов применяются также фольговые обкладки из других материалов: оловянная — 84—85% Sn, 13—14% Рb, 1—2% Sb, красномедная, танталовая. Алюминиевая фольга для электролитических конденсаторов содержит 99,95—99,99% алюминия.
В подавляющем большинстве силовых конденсаторов применяется алюминиевая фольга толщиной 7—8 мкм. Временное сопротивление разрыву этой фольги, не подвергавшейся отжигу и называемой жесткой, должно быть не менее 7,5-105 Па при удлинении не менее 0,5%. Для удаления следов технологической смазки, загрязняющей диэлектрик конденсатора и ухудшающей его δtg, фольга отжигается. Такая фольга называется мягкой, и удлинение ее достигает 2%, но прочность на разрыв понижается. Как показывает опыт, без ущерба для технических характеристик конденсатора толщина фольги с 7— 8 мкм может быть снижена до 5—6 мкм. В конденсаторах для повышенных частот (электротермических) применяется фольга толщиной 16 мкм.
В бумажном и бумажно-пленочном диэлектрике применяется гладкая фольга. В пленочном диэлектрике гладкая фольга слипается с пленкой, что препятствует проникновению пропитывающей жидкости, в результате чего целые участки диэлектрика остаются непропитанными и содержат воздух. Для устранения этого фольга делается тисненой, и через канавки тиснения обеспечивается полная пропитка диэлектрика [7.1 ].
В намотанных секциях поверхность обкладок сравнительно велика по сравнению с объемом диэлектрика, прилегающего к ней. Это усиливает каталитическое воздействие алюминия на химические и электрохимические процессы старения. При постоянном напряжении и повышенных температурах наличие алюминия приводит к быстрому разложению хлорированных полярных жидкостей, что имеет следствием возрастание проводимости и сокращение ресурса конденсатора. При этом на поверхности фольги, особенно анодной, находящейся под положительным потенциалом, наблюдается сильное коррозионное разрушение. В переменном электрическом поле металлические фольговые обкладки могут вибрировать, в результате чего увеличиваются потери. Повышением коэффициента запрессовки можно снизить эффект от этого явления.
ОБКЛАДКИ В ВИДЕ МЕТАЛЛИЗИРОВАННОГО ДИЭЛЕКТРИКА
Обкладки в виде металлизированного диэлектрика получаются испарением металла в вакууме (до 10-4 мм рт. ст.) и осаждением его на поверхность диэлектрического материала с образованием металлического слоя и обычно называются металлизированными. Этот термин будет сохранен и в дальнейшем. Металлический слой может осаждаться непосредственно на диэлектрик, и тогда обкладка и диэлектрик образуют единую систему, или на отдельную диэлектрическую подложку, как, например, лист бумаги, и тогда обкладка является самостоятельным элементом. Процесс образования слоя металлизации зависит от многих факторов: физических свойств металла и поверхности, определяющих сродство металла к поверхности, температуры поверхности и др. Осаждение молекул металла на поверхности диэлектрика может происходить только в том случае, когда температура поверхности Т меньше некоторой критической температуры Тк. При Т> Тк молекулы металла не закрепляются на поверхности диэлектрика, и она остается чистой.
При попадании на поверхность диэлектрика молекула металла закрепляется на нем, отдавая избыточную кинетическую энергию молекулам диэлектрика, и участвует вместе с ними в тепловом движении. Время пребывания молекулы в закрепленном состоянии определяется степенью сродства металла с поверхностью и ее температурой. При больших Т эго время невелико, и молекула металла быстро отрывается от поверхности в окружающее пространство. В этом случае при малой интенсивности потока падающих на поверхность молекул металла образуется рыхлый молекулярный слой. При низкой температуре поверхности, обусловливающей большое время пребывания молекулы в закрепленном состоянии, и большой интенсивности потока молекул металла создаются условия для образования полимолекулярного слоя. Поскольку молекулы металла в последующих слоях, кроме первого, сцепляются друг с другом, силы сцепления возрастают, и процесс отдачи молекул в окружающее пространство затрудняется. Значения Тк различны для различных потоков молекул металла. Процесс металлизации осуществляется в специальных установках.
Металл, используемый для изготовления обкладок из металлизированного диэлектрика, должен исключать возможность их разрушения или окисления в процессе работы конденсатора и обеспечивать в то же время его надежное самовосстановление после пробоя диэлектрика. Кроме того, он должен иметь малое сопротивление, низкую температуру кипения, а упругость его паров должна быть высокой при сравнительно низких температурах, поскольку применяемые в силовом конденсаторостроении изоляционные материалы отличаются малой теплостойкостью в силу их органической природы. Металлы с низкой температурой кипения требуют также меньших затрат энергии в процессе металлизации. Температуры кипения некоторых металлов, °С, в вакууме приведены ниже.
Кадмий .................................................................................................... 260
Цинк ......................................................................................................... 340
Алюминий ............................................................................................ 1000
Серебро ................................................................................................ 1050
Медь ...................................................................................................... 1270
Олово ..................................................................................................... 1350
Самую низкую температуру кипения имеет кадмий. Но он дорог и поэтому не применяется для металлизации.
Следующим идет цинк. Однако тонкие пленки цинка на конденсаторном диэлектрике в атмосферных условиях быстро окисляются, в результате чего увеличивается их сопротивление, и поэтому секции с металлизированными цинком обкладками могут только кратковременно храниться в обычных условиях. Кроме того, оксиды цинка обладают полупроводящими свойствами, в результате чего самовосстановление может быть неполным. От указанных недостатков цинка свободен алюминий, который хотя и имеет более высокую температуру кипения по сравнению с цинком, но широко применяется для металлизации.
Самовосстановление конденсаторов с обкладками из металлизированного диэлектрика зависит от многих факторов: толщины слоя металлизации; свойств металла, химического состава материала, на который она наносится; натяжения лент при намотке (плотности намотки). Основным и определяющим является толщина слоя металлизации. Для улучшения самовосстановления, а также снижения разрушения и окисления металлизированных обкладок применяется ряд специальных мер, рассматриваемых далее.
