Высоковольтные силовые полупроводниковые модули с повышенными изоляционными характеристиками

Текущая ситуация на рынке и актуальность проблемы

Силовые полупроводниковые приборы принадлежат к числу основных элементов преобразователей электрической энергии. Причем на рынке силовой электроники представлены приборы для различных диапазонов мощности в таблеточном, штыревом и модульном исполнениях. Каждый из конструктивов имеет свои преимущества и недостатки. Широкое применение силовых полупроводниковых модулей с изолированным основанием обусловлено их высокой монтажной готовностью и улучшенными массогабаритными показателями.

Широкое распространение на рынке нашли силовые модули с шириной основания 60 мм (в номенклатуре АО «Протон-Электротекс» это модули типа А2). На сегодня для серийных модулей в данном конструктиве на рынке характерно напряжение изоляции на уровне 3–3,6 кВ (АС, 50 Гц, 60 с).

Однако на рынке также становятся востребованными и модули с более высокими значениями напряжения изоляции до 7 кВ (АС, 50 Гц, 60 с). Известные на рынке силовой электроники конструктивы модулей, как правило, таких требований не обеспечивают. Основными причинами, ограничивающими допустимое значение электропрочности, являются:

1. Пробой изоляции на основание либо из-за недостаточной ширины керамического изолятора, либо из-за наличия неоднородностей изоляционного геля (инородные включения или воздушные пузыри), либо из-за некорректной конструкции области, отвечающей за изолирование основания от элементов, находящихся под потенциалом.
2. Перекрытие между элементами модуля, находящимися под разными потенциалами, либо из-за наличия неоднородностей изоляционного геля (инородные включения или воздушные пузыри), либо из-за проникновения влаги, токопроводящей пыли или иных ионогенных материалов.

Следует отметить, что важна не только высокая электрическая прочность силового модуля, но и ее стабильность во времени на протяжении всего периода эксплуатации. Процесс деградации изоляционных свойств модуля является неизбежным в ходе их эксплуатации. Есть несколько факторов, влияющих на скорость деградации прочности изоляции, среди которых можно выделить:

• факторы, связанные с конструктивно-техно­логическими особенностями изготовления;
• факторы, связанные с микроклиматом среды, в которой происходит эксплуатация.

Среди первой группы факторов можно упомянуть изменение цепочек полимеризации изоляционного геля в период эксплуатации из-за протекающих тепловых процессов и влияние возникающих в изоляционных элементах частичных разрядов.

Среди второй группы факторов следует выделить попадание в силовой модуль влаги и/или токопроводящей пыли.

Одним из важнейших факторов, оказывающих влияние на деградацию электрической прочности изоляции, является возникновение частичных разрядов.

Объект исследований. Подход к проведению испытаний

Комплекс опытно-конструкторских работ по поиску конструктивно-технологических решений, обеспечивающих повышенную прочность изоляции до 7 кВ (AC) на протяжении всего срока эксплуатации, был проведен на беспотенциальных силовых модулях типа МД3-320-65-А2.

Для проверки электрической прочности на модулях с новыми конструктивно-технологическими решениями была использована усложненная методика испытаний, включающая ряд следующих последовательных этапов:

• проверка прочности изоляции при комнатной температуре на 7 кВ (АС, 50 Гц, 60 с);
• испытания на воздействие статической пыли по ГОСТ 20.57.406 (после испытаний пыль не удалялась);
• испытания на устойчивость к повышенной влажности воздуха ГОСТ 20.57.406;
• обработка модулей соляным раствором;
• измерение прочности изоляции.

Таким образом, испытания проводились в более жестких условиях, чем условия, на которые рассчитан прибор согласно установленному климатическому исполнению по ГОСТ 15150, что в свою очередь гарантирует надежность прибора в реальных условиях эксплуатации.

Установлено, что разработанные меры не только повышают прочность изоляции полупроводникового модуля, но и эффективно предохраняют его от поверхностных разрядов, шунтирующих по токопроводящей пыли.

С расширением диапазона блокирующих напряжений особую важность представляет стабильность изоляционных свойств модуля во времени. Одной из таких характеристик является уровень частичных разрядов. Частичный разряд (ЧР) — это вид искрового разряда очень маленькой мощности, который образуется внутри изоляционных материалов, в оборудовании среднего и высокого классов напряжения [2].

Обзор публикаций подтверждает значимость проблемы частичных разрядов в изоляции высоковольтного оборудования, однако материалов, связанных с биполярными полупроводниковыми приборами, крайне мало. Обычно разрушение изоляции от воздействия ЧР происходит в течение многих месяцев, и даже лет. В большинстве случаев анализ причин таких отказов не проводится, и тема остается без должного внимания.

Другими словами, чем ниже напряжение изоляции, тем дольше дефект не проявится, а при напряжении изоляции ниже 3000 В — ЧР не возникают вовсе. Количество силовых биполярных модулей с блокирующим напряжением выше 3,6 кВ на рынке невелико, а количество отказов вследствие иных причин — достаточно большое, поэтому отказы приборов, связанные с деградацией изоляции из-за возникновения ЧР, не являются преобладающими. Однако ситуация меняется, если речь идет о силовых модулях с блокирующим напряжением до 6,5 кВ, так как время до наступления критической деградации изоляционных свойств из-за ЧР сокращается в разы. Поэтому при проектировании и производстве силовых модулей с напряжением изоляции до 7 кВ крайне важно вести мониторинг характеристик ЧР.

В настоящее время известно большое количество методов измерения параметров ЧР, к которым относят:

• электрический;
• электромагнитный, или дистанционный, СВЧ-метод;
• акустический;
• химический;
• оптический, или оптоэлектронный;
• термический [1].

АО «Протон-Электротекс» ведет работу по изучению характеристик ЧР, возникающих в силовых модулях с шириной основания 60 мм с напряжением изоляции до 7 кВ, и выявлению механизмов их образования.

Рабочее место, необходимое для измерения ЧР, состоит из:

1. Измерительной системы Omicron MPD 600.
2. Высоковольтного трансформатора.
3. Соединительного конденсатора, обладающего минимальной индуктивностью.
4. Калибратора Omicron CAL 542 1 — 100 пКл.
5. Датчика тока частичных разрядов.
6. Системы обработки результатов измерений.

Для снижения уровня помех, вызванных внешними электрическими полями, вся измерительная система помещена в клетку Фарадея. Измерения всех опытных образцов проводятся по электрическому методу, соответствующему ГОСТ Р 55191 (МЭК60270:2000). Функциональная схема системы представлена на рис. 1 [3].

Рис. 1. Функциональная схема измерительной установки:
U — высоковольтное питание;
Zmi — входное сопротивление измерительной системы;
CC — соединительный кабель;
Ca — испытываемый объект;
Ck — соединительный конденсатор;
CD — соединительное устройство;
MI — измерительный прибор;
Z — фильтр

Программное обеспечение, с помощью которого обрабатываются результаты измерений, создает дополнительные возможности:

• визуальную фиксацию (рис. 2) ЧР в режиме реального времени с привязкой к фазе испытательного воздействия;
• измерение заряда в течение времени;
• подсчет количества ЧР, интенсивность которых превышает заданный уровень;
• формирование интегральной картины ЧР за все время испытаний. Интегральная картина позволяет идентифицировать не только ЧР, но и поверхностную утечку, коронные разряды и др.

Рис. 2. Визуализация результатов измерения характеристик ЧР прибора с критическим уровнем ЧР

Процесс измерения можно описать следующим образом:

• Перед началом испытаний на каждом образце проводилось измерение сопротивления изоляции при напряжении 5 кВ (AC, 60 с).
• К испытуемому образцу прикладывается испытательное напряжение 3580 В (AC) и выдерживается в течение 5 с, после чего уменьшается до значения 2860 В (AC) и выдерживается в течение 30 с [4].
• Измерения характеристик ЧР производятся в конце второго интервала времени (рис. 3).
• Все результаты для каждого образца заносятся в протокол испытаний.

Рис. 3. Режим измерения характеристик ЧР

Для каждого образца определяется:

• количественная характеристика ЧР — значение «кажущегося заряда» в пКл при U = 2860 В;
• значение напряжения, при котором ЧР отсутствует;
• значение напряжения, при котором возникает ЧР.

Данный режим измерений соответствует стандарту ГОСТ Р МЭК 60664.1-2012 «Координация изоляции для оборудования в низковольтных системах. Часть 1».

Результаты исследований и выводы

Решение проблемы, связанной с ЧР, в силовых полупроводниковых модулях осложняется рядом факторов, вызванных его конструктивными особенностями. Один из таких факторов — наличие внутри прибора нескольких межпотенциальных зон, в которых и способны возникать ЧР. Это в значительной степени усложняет работу по локализации дефектов на начальных этапах исследования. Также задача усложняется из-за наличия в модуле различных видов изоляционных материалов с разными свойствами.

Рис. 4. Визуализация результатов измерения характеристик ЧР прибора без ЧР

В настоящее время компания АО «Протон Электротекс» посредством дифференцированного анализа конструкции смогла локализовать зоны возникновения частичных разрядов, что позволяет принимать меры по снижению уровня их интенсивности (рис. 4). В комплексе с мерами по повышению прочности изоляции до 7 кВ внедренные меры увеличивают безопасность и надежность конструкции высоковольтных приборов с напряжением изоляции до 7 кВ (AC) на протяжении всего срока эксплуатации.