САМОВОССТАНОВЛЕНИЕ КОНДЕНСАТОРОВ С ОБКЛАДКАМИ В ВИДЕ МЕТАЛЛИЗИРОВАННОГО ДИЭЛЕКТРИКА
При пробое диэлектрика в конденсаторе с обкладками из металлизированного диэлектрика под действием возникающей между ними дуги и протекающего через место пробоя тока происходит испарение металла обкладок (их деметаллизация) вокруг места пробоя. Деметаллизированная зона имеет форму круга. Процесс деметаллизации продолжается до тех пор, пока дуга не погаснет, т. е. пока не восстановятся электроизоляционные свойства диэлектрика в данной его точке и конденсатор снова не станет работоспособным. Следовательно, его длительность и затрачиваемая при этом энергия должны быть такими, чтобы исключалась возможность повреждения самого диэлектрика. Оба эти значения определяются количеством подлежащего испарению металла, которое, в свою очередь, зависит от размеров зоны деметаллизации и толщины слоя металлизации δ. Диаметр круга деметаллизации определяется приложенным к обкладкам напряжением. Следовательно, для уменьшения времени процесса деметаллизации и затрачиваемой на него энергии необходимо уменьшать 5. С уменьшением δ возрастает сопротивление обкладок, что увеличивает tg δ конденсатора и потери в нем. Задача сводится к нахождению оптимального значения δ. Изучению процесса деметаллизации посвящен ряд исследований [7.2].
Непосредственное измерение толщины δ, составляющей сотые доли микрометра, практически чрезвычайно трудно, и поэтому она оценивается по сопротивлению слоя металлизации. Если взять металлизированную обкладку в форме квадрата, то ее сопротивление
(7.1)
где р — удельное сопротивление металла обкладки.
Из уравнения следует, что сопротивление r квадрата при известном р является характеристикой толщины слоя 5. Но величина р сама является функцией δ. Эта зависимость объясняется тем, что в начальный период образования слоя металлизации, когда количество молекул металла на поверхности диэлектрика невелико, они не образуют сплошного слоя, а располагаются разрозненно, и р в этом случае велико. В процессе миграции при тепловом движении по поверхности диэлектрика молекулы металла. сталкиваются друг с другом и образуют группы, происходит осаждение других молекул, и р уменьшается вследствие уменьшения расстояния между группами. После достижения слоем определенной толщины значение р становится постоянным, равным р сплошного куска металла. Поэтому расчет δ по сопротивлению г квадрата может дать лишь приближенное значение, поскольку р зависит от 8 до толщины слоя 0,1 мм в зависимости от его плотности. Температурный коэффициент а сопротивления металла также зависит от толщины (рис. 7.1). Характер зависимости энергии разрушения металлизированной обкладки от ее толщины при металлизации цинком, полученной в [1.7], приведен на рис. 7.2. Оптимальные толщины слоя металлизации, характеризуемые сопротивлением квадрата, несколько различаются для различных материалов, на которые они наносятся, а также используемых для металлизации металлов (цинк, алюминий) и находятся в пределах 1—3 Ом.
Процесс самовосстановления может быть улучшен путем применения ряда дополнительных мер [7.4—7.8]. Во избежание образования проводящих мостиков между обкладками проводящие продукты (частицы металла, свободный углерод) должны быть приведены в непроводящее состояние. Это достигается образованием их соединений с кислородом или водородом, в результате чего получаются непроводящие оксиды металлов, СО, С02 и газообразные углеводороды. Насыщение поверхностей подложек или пленки диэлектрика кислородом и водородом или соединениями с большим количеством кислорода и водорода способствует этому. Для надежного самовосстановления необходимо, чтобы молекула материала подложки или металлизированной пленки содержала не менее 10% атомов кислорода, т. е. должна иметь не менее чем 10%-ный оксидационный баланс.
Рис. 7.2. Зависимость энергии разрушения слоя металлизации от его толщины (по Торонину)
Клетчатка, как основа мягкой обкладки, содержит большое число кислородных атомов в молекуле (обладает высоким оксидационным балансом), поэтому в системе с мягкой обкладкой в качестве диэлектрика могут быть использованы пленки с малым оксидационным балансом, тогда как в металлопленочной — только пленки с высоким оксидационным балансом. Для подложек, обладающих 10%-ным оксидационным балансом при металлизации их цинком, оптимальной будет толщина слоя металлизации, при которой проводимость квадрата не превышает 0,8 См [7.3]. Для связывания частиц металла в металлопленочной системе с малым оксидационным балансом в пропитывающий диэлектрик добавляется жидкий полиметилсилоксан со степенью полимеризации около 300.
При работе на постоянном напряжении в конденсаторах с металлизированными алюминием обкладками наблюдается явление электрохимического упрочнения, которое состоит в следующем. При наличии в диэлектрике конденсатора мест с малым сопротивлением изоляции через них протекает сквозной ток, имеющий большее значение по сравнению с током, протекающим по участку с нормальным сопротивлением изоляции. Разлагая остатки влаги, он способствует повышенному выделению кислорода у анодной обкладки, которым окисляется алюминий. Образующийся при окислении тонкий слой оксида алюминия А12 О3 обладает хорошими электроизоляционными свойствами, благодаря чему сопротивление изоляции этого участка возрастает и уменьшается ток утечки.
РАЗРУШЕНИЕ СЛОЯ МЕТАЛЛИЗАЦИИ
Приложенное к обкладкам напряжение разрушает слой металлизации обкладок как вследствие электролитических процессов и переноса металла с анодной обкладки, так и частичными разрядами. При электролитическом разрушении скорость его можно оценить с помощью уравнения, предложенного МакЛином:
(7.2)
где δ — толщина слоя металлизации, нм; и—приложенное напряжение, В; εа — абсолютная диэлектрическая проницаемость диэлектрика; М — атомная масса; п—валентность и ум — плотность металла, которым выполнена металлизация, г/см3; д—толщина диэлектрика, мкм; т — постоянная времени конденсатора.
Разрушение цинковой металлизации может происходить при повышенной температуре и в отсутствие электрического поля. Пропитка конденсаторов с обкладками из металлизированного диэлектрика ускоряет процесс их разрушения. Обкладка на основе металлизированного неполярного диэлектрика разрушается быстрее, чем полярного, поскольку адгезионные силы у него меньше, чем у полярного. В целях улучшения адгезии на подлежащий металлизации материал наносится слой из галогеносодержащего синтетического электроизоляционного материала, на который затем наносится слой алюминия. Для защиты от окисления слой металлизации из алюминия покрывается защитным слоем из свинца, олова, цинка, толщина которого составляет от 1 нм и выше. Для уменьшения разрушения слоя металлизации из алюминия к нему рекомендуется добавлять до 5% меди.
