Обеспечение функции самовосстановления металлопленочных силовых конденсаторов

Для уменьшения габарита активной части силовых конденсаторов применяют полимерные материалы, допускающие высокую напряженность электрического поля Е и в то же время обладающие необходимой изоляционной электрической прочностью (пробивной напряженностью Е _проб.).

Надмолекулярная структура изотактичного полипропилена (базового диэлектрического материала силовых конденсаторов) представляет сложную совокупность чередования плотных кристаллических образований, менее плотных аморфных участков и возможных инородных включений (рис. 1). Несмотря на то, что специальные конденсаторные пленки отличает точность выдержки толщины (в пределах 5-10 мкм) по всей площади, их поверхность содержит мелкие выступы (рис. 1), которые можно рассматривать как случайное распределение закруглений с малым радиусом. Осаждение на пленку частиц металла в процессе вакуумного напыления слоя металлизации толщиной около десяти нанометров [1] сформирует микрорельеф поверхности электродов силового конденсатора, при этом размер отдельных радиусов может увеличиться. В свою очередь, значение Е заряженного электрода обратно пропорционально квадрату радиуса кривизны поверхности. Теоретически, поскольку расстояние между обкладками намного меньше их длины и ширины, электрические заряды должны равномерно распределиться по внутренним (обращенным друг к другу) поверхностям электродов.

Рис. 1. Вид поверхности участка полипропиленовой (- СН2 — СН(СНЗ) -)n конденсаторной пленки под электронным микроскопом

Нарушения однородности электрического поля из-за увеличения Е у выступов металлизации приводят к локальным разогревам, ионной поляризации пленки и истечению зарядов, которое при определенных условиях переходит в частичные искровые (коронные) разряды, разрушающие диэлектрик (рис. 2,3). Затем следует мгновенная (за 10^–8 с) [2, 3] концентрация на месте пробоя сосредоточенной в объеме V активной части силового конденсатора энергии W, равной

где С и U — номинальные емкость и напряжение, ε_a — абсолютная диэлектрическая проницаемость силового конденсатора. Это вызывает электрическую дугу, сопровождающуюся броском разрядного тока I ≈dW/dt, стимулирующего резкий рост температуры до 6000 К [2, 3] и давления, инжекцию плазмы, равномерно вытесняющую из образовавшегося сквозного канала испаренный диэлектрик (рис. 2, 3). На месте дефекта появляется изоляционная зона (рис. 2, 3), выйдя за пределы которой плазма охлаждается в объеме слоя металлизации, дуга гаснет, а силовой конденсатор продолжит работу с незначительной (не более 0,0001% [1]) потерей номинальной емкости. Отметим, что на стадии существования электрической дуги напряжение на конденсаторе падает, а плотность тока в обкладках достигает значения 10⁷–10⁹ А/м² [2], ограничивая, тем самым, развитие теплового пробоя [4] и самовосстановления несколькими миллисекундами [2, 3] — временем, заведомо недостаточным для срабатывания токоограничивающего быстродействующего плавкого предохранителя с крутопадающей ампер-секундной характеристикой [1].

Рис. 2. Схематичное представление процесса самовосстановления и снимок места локального пробоя обкладки МКР силового конденсатора после самовосстановления:
1 — полипропиленовая пленка;
2 —спой металлизации;
3 — направление вытеснения испаренного материала из канала пробоя;
4 — плазменное напыление;
5,6 — область дугового разряда;
7 — граница зоны плазмы;
8—сквозной канал;
9 — газообразная фаза диэлектрика;
10—изоляционная зона

Рис. 3. Схематичное представление процесса самовосстановления MKV силового конденсатора и компьютерная анимация пробоя:
1 —диэлектрик (полипропиленовая пленка);
2 — электроды (металлизированная с двух сторон бумага);
3 — канал пробоя (область плазмы);
4 — изоляционная зона

Если за этот период выделенная энергия (1) не будет полностью рассеяна в области самовосстановления, разрушение лавинообразно распространится на соседние витки обкладки, вплоть до момента срабатывания защиты: максимально токовой (плавкой вставки) или от превышения избыточного давления внутри корпуса, практически означающего выход из строя силового конденсатора. Случаи обширного пробоя, обусловленные высокой единичной концентрацией энергии (1), особенно типичны для металлопленочных силовых конденсаторов большой реактивной мощности. Таким образом, без специальной адаптации электродов реализовать их функцию самовосстановления невозможно.

Например, компания АВВ [1] в низковольтных конденсаторах МКР (односторонняя металлизация пленки) применяет защитную систему IPE — Internally Protected Elements (рис. 4). Между концами двух металлизированных лент обкладок вставляется короткий (не превышающий длины окружности секции — πD) отрезок пленки, материал которой выбирается с меньшей Е_проб, чем у диэлектрика ленты. На одной и той же стороне отрезка закрепляют не менее двух листов фольги. После намотки торцы рулона покрывают металлом [5]. В результате получают два параллельных цилиндрических конденсатора (рис. 4): основной — самовосстанавливающийся металлопленочный и окружающий его вспомогательный — не самовосстанавливающийся фольговый [1, 5].

Рис. 4. Схема защитной системы IPE силового металлопленочного силового конденсатора:
1,2 — металлизированная лента обкладок;
3—отрезок пленки;
4,5—лист фольги;
6 — рулон обмотки секции;
С1 — основной, самовосстанавливающийся силовой конденсатор;
С2—дополнительный, несамовосстанавливающийся силовой конденсатор;
F — внешний быстродействующий плавкий предохранитель

Для повышения чувствительности системы IPE необходимо избежать образования пробоя вблизи боковых границ секций [5], поэтому поперечная (в плоскости оси намотки секций) толщина слоя металлизации пленки изменяется на выборочных промежутках от краев к центру [5, 6], тем самым провоцируя пробой в районе повышенного удельного сопротивления обкладки. На рис. 5 показан статистический анализ распределения частичных пробоев секции силового конденсатора с вариацией толщины металлизации электродов, подвергнутого экспериментальному ускоренному старению. Когда результирующее тепловыделение от сосредоточенных в центральной области обмотки часто повторяющихся процессов самовосстановления достигнет вспомогательного конденсатора, диэлектрическая прочность его пленки быстро нарушится и ток короткого замыкания фольговых электродов отключит плавкий предохранитель (рис. 4), приостановив пробой основного конденсатора до того, как разрушение его диэлектрической системы станет необратимым. Разрывная способность предохранителя (рис. 4) должна соответствовать мощности короткого замыкания на выводах, а его конструкция должна предусматривать возможность замены, поэтому предохранитель нельзя встраивать в корпус силового конденсатора.

Рис. 5. Трехмерное отображение мест концентрации частичных пробоев в цилиндрической секции силового конденсатора при вариации удельного сопротивления слоя металлизации электродов

Более универсальный способ обеспечения самовосстановления — локализация места пробоя путем разбивки поверхности металлизации одного из электродов на отдельные равномерные (около 1 см²) сегменты, соединенные между собой несколькими перемычками (токовыми коридорами; см. рис. 6). Функционально это эквивалентно матрице плавких вставок параллельных пакетов секций высоковольтных силовых конденсаторов. Ландшафтная мозаика сегментации может быть прямоугольной (рис. 6), ромбовидной, шестиугольной или Т-образной [6], также неодинакова и геометрическая форма токовых коридоров. Радиус R сопряжения углов периметра емкостного сегмента способствует эквипотенциальному распределению зарядов [6].

Рис. 6. Структура прямоугольной сегментации слоя металлизации пленки для последовательного внутреннего соединения обмоток силового конденсатора МКК-технологии:
1 —ровный срез;
2 —усиленная кромка контактной зоны;
3 — волной срез;
4 — полоса разделения слоя металлизации двух емкостных пакетов;
5—емкостной сегмент;
6 — неметаллизированный край пленки;
а — толщина пленки;
В — размер сегмента;
d—длинна токового коридора;
е—расстояние между сегментами;
R — радиус сопряжения углов периметра емкостного сегмента;
s — ширина токового коридора;
U—сплошной слой металлизации

Симметричное продольное разграничение сегментированного слоя металлизации пленки (рис. 6) позволяет сформировать относительно электрода со сплошным слоем металлизации два последовательно соединенных емкостных пакета, попарно перераспределяющих приложенное к силовому конденсатору напряжение, снижая, таким образом, значение W (1). Помимо этого, так как одновременно пробой в двух пакетах маловероятен, при каждом пробое одного из пакетов второй будет являться буферным сопротивлением, ограничивающим величину I_p. Подобное конструкционное построение — внутреннее соединение на требуемое номинальное напряжение определенного числа последовательных емкостных элементов — обеспечивает свойство самовосстановления у высоковольтных металлопленочных силовых конденсаторов [7].

Считается, что деградация силовых конденсаторов наиболее интенсивна в местах неоднородности (искривления) вектора Е, особенно на краях обмоток, являющихся контактными узлами выводов [8]. Для относительно толстых фольговых электродов (в единицы и десятки микрон), не обладающих свойством самовосстановления, эта закономерность хорошо изучена [4]. На процесс разрушения тонких металлизированных электродов дополнительное влияние окажет вероятность распределения нанодефектов и адгезионные качества границы «металл — полимер». Кроме того, существенная роль в предотвращении объемно разрядных процессов и коррозии металлического покрытия электродов МКР-конденсаторов принадлежит качеству газового или компаундного заполнения остаточного объема корпуса [1, 9]. Вызванные высокой плотностью тока динамические и термоупругие нагрузки приводят к образованию микротрещин на слое металлизации и полимерной подложке [9]. Поэтому всем типам силовых металлопленочных силовых конденсаторов присуще дополнительное упрочнение края контактных узлов. Одним из наиболее удачных решений следует признать запатентованную компанией Siemens Matsushita Components GmbH&Co (ныне EPCOS AG) технологию МКК (Metalized Kunststoff Kompakt) — одновременное усиление напыления торцов обкладок и расширение площади их контактной поверхности за счет сочетания ровного и волнового среза кромок пленки (рис. 6), укладываемой с характерным для силовых конденсаторов MKP небольшим смещением витков [8, 10, 11]. Такая конфигурация входа контактной зоны снижает пропорциональное значительной доле общих потерь Р (dissipation factor) последовательное сопротивление _R_S (series resistance) — суммарное сопротивление выводов и обмоток силового конденсатора — и сглаживает динамическое воздействие пиков пульсаций тока i=Cx(du/dt)_макс [3] на обмотки, однако, как любое техническое решение, применима с различной степенью продуктивности в зависимости от типа пленочного конденсатора.

В силовой электронике технология МКК позитивно зарекомендовала себя для косинусных силовых конденсаторов — наибольшей по объему производства группы силовых конденсаторов [4] — ввиду присущей им специфики режима работы: больших (до 200-250% от номинального) бросков пускового тока и ограниченным стандартом IEC 831 допустимым числом включений (не свыше 5000 за год). По сравнению с широко распространенными в схемах компенсации реактивной мощности силовых конденсаторами МКР-технологии [1, 4] косинусные конденсаторы типа МКР/МКК позволяют на 10-15% (до 1,5 I_{ном .}) увеличить допустимую длительную токовую перегрузку и примерно в 2-2,5 раза (до 200-250 I_{ном .}) — кратность пускового тока (относительно регламентируемых IEC 831 значения) [11].

Основной недостаток металлопленочных силовых конденсаторов — плохая теплопроводность секций — объясняется тем, что слой металлизации электродов, подобно фольге, не может выступать за край рулона, обеспечивая отвод тепла [7]. Как известно, тепловой пробой связан с экспоненциальным ростом тангенса угла потерь пленки tgδ₀ (Т) вследствие активации поверхностной проводимости диэлектрика [9], так как внутренний нагрев силового конденсатора соразмерен значению tgδ₀ на рабочей частоте f₀ [3]. При протекании через силовой конденсатор среднеквадратичного тока I_rms, вызванного пульсацией амплитуды приложенного напряжения u, интенсивность тепловыделения обмоток, численно равная величине Р, складывается из потерь в слое металлизации P_R и диэлектрике P_D [3]:

P = P_R + P_D = I²_rms x RS + u₂ x π x f₀ x C x tgδ₀.     (2)

Соотношение значений Р (2) и коэффициента рассеяния (decisive factor — δT_cap), соответствующего условию охлаждения, определяет нагревостойкость (thermal resistance — R_th) силового конденсатора: R_th = δT_cap/Р [3]. Вот почему эффективность самовосстановления, особенно при установке металлопленочного силового конденсатора в сглаживающей, фильтрационной или разделительной цепи [8], связана с оптимизацией теплового режима его диэлектрической системы.

Хорошо известная на протяжении более тридцати лет MKV — технология (рис. 3) изоляции пропиленовой пленкой двухсторонне металлизированной конденсаторной бумаги с пропиткой минеральным маслом — улучшает теплопроводность силовых конденсаторов [3, 8]. Хотя слой бумаги непосредственно не влияет на Е электродов, ее пористая структура способствует качеству пропитки, устойчивости торцевого контакта, а также равномерности распределения продуктов разложения, образующихся на месте пробоя металлизированного покрытия в процессе самовосстановления [8]. Еще один метод повышения теплопроводности обмоток — комбинированная система электродов (технология MFP): с одной стороны пленки расположен лист фольги, обеспечивающий прочность касания выводов и низкое R_S (2) силового конденсатора, с другой — обладающий свойством самовосстановления слой металлизации [7].

Надежность любого электронного устройства зависит от ресурса отдельных компонентов. Средний срок службы силовых металлопленочных силовых конденсаторов ведущих европейских компаний [1-3, 11], соответствующий 0,3% интенсивности отказов, составляет не менее 100 000 часов. Во многом этот результат достигнут благодаря постоянному совершенствованию защитной функции самовосстановления.