Разработка пленочных конденсаторов

УДК 621.319.42.001.6
РАЗРАБОТКА ПЛЕНОЧНЫХ КОНДЕНСАТОРОВ И ОЦЕНКА ИХ СРОКА СЛУЖБЫ*
Самат, Курте, Г. Бернард, Жай, П. Бер: рд (Франция)
Конденсаторы с комбинированной изоляцией из-за низкой электрической прочности бумаги имеют ограниченное применение, и более чем половина электрических потерь в них обусловлена использованием бумаги.
Разработка пленочных конденсаторов явилась важным этапом и обеспечила значительное улучшение характеристик конденсаторов, снижение потерь примерно до 0,1 Вт/1 квар, массы на единицу мощности и объема. Одновременно повысились надежность и долговечность конденсаторов.
Рассмотрим возможности промышленного использования пленочных конденсаторов в энергосистемах государственной компании Франции Electricity de France (EDF).

* J. Samat, J. J. Courtet, G. Bernard, P. Jay, P. Bernard. The development of dielectric allfilm capacitors and the evaluation of their endurance (France). Доклад 15-06 на сессии СИГРЭ 1986 г. Пер. с англ. В.А. Минасбековой.

Конденсаторы, используемые EDF.

 Конденсаторы с комбинированной изоляцией стали применяться во Франции с начала 70-х годов. На рис. 1 представлено возрастание суммарной мощности конденсаторов с комбинированной изоляцией. В большинстве это были конденсаторы мощностью 100 квар, пропитанные полихлордифенилами (ПДХ). Однако с 1981 г. производство их практически прекратилось. С 1978 г. для пропитки стали применять нехлорированные жидкие диэлектрики (НЖД). Это решило проблемы, связанные с защитой окружающей среды, которые создавало использование ПХД, и обеспечило более высокие характеристики конденсаторов. Высокая негорючесть НЖД гарантировала большую безопасность.
Новые НЖД дали возможность повысить единичную мощность конденсаторов до 200 квар. Такие мощные конденсаторы, . как правило, снабжены внутренними плавкими предохранителями, что увеличивает возможности их использования.

Рис. 1. Увеличение суммарной мощности Q конденсаторов с комбинированной изоляцией по годам:
1 — конденсаторы мощностью 100 квар с комбинированной изоляцией, пропитанные ПХД; 2 — то же, пропитанные НЖД; 3 — конденсаторы мощностью 200 квар с комбинированной изоляцией, пропитанные НЖД; пунктирная линия — суммарная мощность установленных конденсаторов

В качестве НЖД применяли бензиловый эфир неокаприновой кислоты (I), производство которого в настоящее время прекращено, смесь моно- и дибензилтолуола (II), моноизопропилдифенил (III) и фенилксилилэтан (IV).

Статистика отказов конденсаторов в процессе эксплуатации.

Анализ данных о неисправностях конденсаторов в процессе эксплуатации позволил установить статистику отказов. На рис. 2 приведены данные по отказам вследствие внутренних· повреждений по годам для всех находящихся в эксплуатации конденсаторов. На оси ординат представлены значения, полученные делением числа отказов за один год на число конденсаторов, находящихся в эксплуатации в данном году. Учитывались только отказы, вызванные пробоем диэлектрика.
Статистика показала возникновение в начале 70-х годов неблагоприятной ситуации в связи с ростом числа отказов. Чтобы установить причины, которые могли бы влиять на срок службы конденсаторов, необходимы были дополнительные исследования.

Рис. 2. Относительная величина ежегодных отказов конденсаторов мощностью 100 квар с комбинированной изоляцией:
1 — введение испытаний на старение в соответствии со спецификациями EDF;
2 — начало использования НЖД; 3 — прекращение производства ПХД; 4 - все конденсаторы; 5 — только конденсаторы, пропитанные НЖД
Наиболее эффективным средством были признаны испытания на усталость в соответствии со спецификациями EDF. Для конденсаторов с комбинированной изоляцией эти испытания включали:
ускоренные испытания на старение при 1,4 номинального напряжения (Uном) при 40°С в течение 5000 ч; в результате диэлектрических потерь при таком испытательном напряжении температура в диэлектрике возрастала до 80°С; испытания перенапряжением 2,25Uном промышленной частоты при изменении температуры диэлектрика от - 25°С до комнатной.
Проведение этих испытаний перед установкой конденсаторов значительно снизило количество отказов. Следует отметить, что среди определенных групп конденсаторов частота отказов в процессе эксплуатации коррелирует с длительностью испытаний на усталость. Хотя конденсаторы с НЖД еще не эксплуатировались достаточно долго, чтобы сделать совершенно определенные заключения, ясно, что они, как правило, должны иметь более высокую надежность по сравнению с предшествующими поколениями конденсаторов. За четыре года эксплуатации этих конденсаторов частота отказов составила примерно 8-10"4 на 100 квар в год. Эти данные хорошо согласуются с результатами испытаний, проведенных EDF: 15 конденсаторов мощностью 100 квар, полученных от разных фирм-изготовителей, было поставлено на старение суммарно в течение 200 тыс. ч, 12 из них подвергли 40 тыс. раз перенапряжениям, часто в комбинаций с испытаниями на старение.
Следует отметить, что такой высокий уровень надежности конденсаторов не был бы достигнут при использовании старых технологий. Опыт производства конденсаторов с комбинированной изоляцией и НЖД показал значительные преимущества технологии их производства и более высокие характеристики этих конденсаторов по сравнению с конденсаторами старых конструкций.
Исходя из этого, представлялась целесообразной разработка технологии производства пленочных конденсаторов (с теми же НЖД), которые, как ожидалось, должны иметь улучшенные характеристики и высокий уровень надежности, по крайней мере такой же, как у конденсаторов с комбинированной изоляцией.
Полипропиленовые пленки для пленочных конденсаторов. Промышленное производство полипропиленовых пленок началось в 1957 г., но пленки, которые можно было использовать в конденсаторах, появились на рынке лишь через пять лет.
Конденсаторная полипропиленовая пленка, получаемая так же, как и пленки для упаковки, была прозрачной и имела очень гладкую поверхность. Скоро стало ясно, что гладкая поверхность делает пленку нетехнологичной, так как из-за электризации она легко слипается или прилипает к деталям намоточных машин, с которыми приходит в контакт. Был начат выпуск пленок со слегка шероховатой поверхностью, значительно более технологичных. Эти пленки использовались также для металлизации и при производстве конденсаторов с комбинированной изоляцией. Однако такая степень шероховатости была признана недостаточной для пленочных конденсаторов, несмотря на использование специальной алюминиевой фольги с насечками на поверхности. Необходимо было значительно увеличить шероховатость пленки, настолько, чтобы можно было использовать обычную алюминиевую фольгу.
Одновременно были повышены чистота исходных материалов и их гомогенность.
Полипропилен полимеризуется в присутствии стереоспецифических катализаторов. Полимеры, используемые для конденсаторных пленок, были до 95% изотактичными. Содержание золы составляло 30-50 мг/кг при 850°С. Исследование состава золы позволило оценить остаточное содержание катализатора. Вязкость измеряли в растворенном (декалин, 135°С) или расплавленном состоянии.
Шероховатость поверхности может быть измерена шупом очень малого диаметра и оценивается с помощью среднего арифметического шероховатости Ra, мкм:
Гладкая........................... ,.......... 0,05-0,07
Слегка шероховатая.................. 0,10-0,15
(Rα = 0,13)
Шероховатая.............................. 0,30-0,60 (Rα= 0,45)

Другой широко распространенный метод состоит в измерении геометрической толщины (ГТ) пакета из 10 слоев пленки с помощью микрометра с измерительной головкой площадью 2 см2 при давлении 1 бар, а также массы на единицу площади поверхности. Из этой последней величины выводится ’’толщина массы” (ТМ), исходя из плотности полимера, равная 0,905.
Коэффициент заполнения (КЗ, %) определяется из уравнения

Для пленок с разной шероховатостью поверхности получены следующие КЗ, %:
Гладкая................................... 0,5-0,8
Слегка шероховатая.............. 1,0-2,0
Шероховатая.......................... 8,0-15,0

Двуосно растянутая пленка имеет тенденцию усаживаться при нагревании. Ее усадку систематически контролируют в продольном и поперечном направлении при 100 и 120°С, чтобы установить наиболее эффективные условия повторного нагревания, которому пленка подвергается после растяжения.
Механические свойства пленок определяли по прочности на растяжение и удлинение в продольном и поперечном направлениях.
Электрическую прочность измеряли при постоянном токе при скорости подъема напряжения 1 кВ/с с помощью ртутных электродов площадью 1,1 см2. Определяли также количество пробоев при напряженности электрического поля 200 В/мкм на площади пленки 5 м2 при прохождении ее между металлическим роликом и проводящим листом. Это очень важное испытание, гарантирующее отсутствие механических повреждений и загрязнения проводящими частицами. Следует отметить, что те меры предосторожности, которые принимаются при производстве полипропиленовой пленки, должны действовать и при производстве пленочных конденсаторов. Пленка очень легко заряжается и притягивает частицы пыли, находящиеся на машине или в воздухе. Кроме того, пленка механически непрочна, и ее поверхность может быть повреждена при неловкой ручной обработке или на машине (случайные царапины или проколы из-за неровностей поверхности машины).
С пленкой необходимо работать в чистых помещениях, намоточные машины должны быть снабжены устройством для отсасывания пыли. Состояние машин должно постоянно контролироваться. Персонал в цехе обязан находиться в специальной одежде.

Пропитка жидкими диэлектриками и их взаимодействие с пленкой.

Как указывалось, интенсивные исследования привели к новому поколению НЖД, обеспечивающих более высокие характеристики, чем ПХД, и не представляющих опасности для  окружающей среды. Способность жидкости поглощать или генерировать газы при действии частичных разрядов, т. е. ее газообразующая способность, является важным параметром, непосредственно влияющим на характеристики конденсатора.

Используемые в настоящее время в пленочных конденсаторах НЖД имеют в той или иной степени высокие газообразующие характеристики даже при очень низких температурах. Эти НЖД, как правило, неполярные, так что их относительная диэлектрическая проницаемость довольно низкая. Это обеспечивает два преимущества для пленочных конденсаторов.
Первое - это почти однородное распределение электрического поля в последовательно расположенных слоях пленки и НЖД:            ·

Второе - низкий уровень потерь.
Таблица 1. Характеристики НЖД, используемых для пленочных конденсаторов

*Рассчитывается по отношению числа атомов водорода у ароматического кольца к общему числу атомов водорода в соединении.

Рис. 4. Изменение внутреннего давления в пакете при различных температурах: А — пленка, полученная выдуванием; Б — двуоснорастянутая пленка
Пленочные конденсаторы содержат большой процент НЖД, который и оказывает наибольшее влияние на потери в конденсаторе, тем более что полипропиленовая пленка также имеет очень низкий уровень потерь.
При неполной пропитке значительно снижаются характеристики конденсаторов.
С другой стороны, если пленка не набухает вплоть до температур 70-80°С, пропитку можно вести и при повышенных температурах (50-60°С).