книги / Основы конденсаторной техники

Увеличение давления в конденсаторе увеличивает растворимость газов в масле, величина Eи достаточно высока даже

при образовании газовых пузырьков, так как электрическая прочность газов увеличивается с увеличением давления. Для увеличения Eи применяют масла

с повышенной газостойкостью. Процессы появления иони-

зации при переменном напряжении в бумажно-масляных конденсаторах связаны с краем обкладки, где за счет краевого эффекта напряженность поля повышена. Влияние краевого эффекта приводит к снижению Eи

с увеличением толщины диэлектрика.

При постоянном напряжении влияние краевого эффекта сказывается слабее, чем при переменном напряжении, а поэтому начало ионизации необязательно связано с краем обкладки, и чаще наблюдается в каком-то участке под обкладками.

22. Электрохимический пробой

Электрохимический пробой развивается при длительном воздействии постоянного напряжения, в условиях повышенной температуры окружающей среды, влажности, так как проводимость диэлектриков носит ионный характер и ток утечки, протекающий через диэлектрик, имеет электролитическую природу, т.е. связан с переносом ионов. Известную роль в процессе электрохимического старения может играть и материал обкладок (как катализатор).

101

В результате переноса ионов и обмена зарядами образуются химически активные вещества, разрушающие диэлектрик и сами обкладки, а также металлические дендриты («усы»), направленные своими остриями в толщу диэлектрика и уменьшающие его электрическую прочность. Ускорению химических реакций способствуют и продукты, образующиеся при частичных разрядах. Происходит старение диэлектрика. С ростом частоты напряжения электрохимические процессы ослабляются, так как уменьшается перемещение ионов.

Электрохимический пробой требует для своего развития длительного времени, так как он связан с явлением электропроводности, приводящим к медленному выделению в материале малых количеств химически активных веществ.

Основным средством борьбы с электрохимическими процессами является добавление стабилизирующих добавок, связывающих продукты разложения и замедляющих электролитические процессы. Для защиты обкладок фольгу покрывают лаковой пленкой.

И все же электрохимические процессы не всегда вредны. Для конденсаторов эти процессы используются для формовки слоя диэлектрика алюминиевых электролитических конденсаторов. Это необходимо, так как при хранении таких конденсаторов без напряжения их диэлектрик (окисная пленка) разрушается и для восстановления ее требуется подача напряжения.

23. Длительная электрическая прочность

Для большинства диэлектриков имеет место процесс старения, характеризуемый постепенным снижением электрической прочности конденсатора с течением времени (рис. 60). В связи с этим необходимо рассматривать кратковременную электрическую прочность Екр, по величине которой можно судить, какие кратковременные перенапряжения может выдержать конденсатор и какую напряженность поля Еис можно до-

102

пускать для него при кратковременных испытаниях, а также рассматривать длительную электрическую прочность Едл, по которой надо выбирать значение Ераб – рабочей напряженности поля, допускаемой в диэлектрике конденсатора при его длительной работе под напряжением. Определение Екр обычно не представляет особых затруднений, а установление длительной электрической прочности Едл может представлять значительные трудности.

Eпр

Eкр

Eдл

Eис

Eраб τ

Рис. 60. Снижение электрической прочности диэлектрика конденсатора в процессе старения

Eраб надо выбирать исходя из Eдл. Eдл выбирается из

длительной бесперебойной работы конденсатора в течение гарантируемого срока службы. Взяв определенный коэффициент запаса, можно установить допускаемое значение Eраб.

При длительном воздействии постоянного напряжения требуемый срок службы обычно не превышает нескольких тысяч часов. Eдл находится непосредственно из опыта путем оп-

ределения «кривых жизни» Eпр = f (τ). На срок службы конденсатора оказывает сильное влияние температура при посто-

103

янном напряжении. В этом случае снижают рабочее напряжение Uраб конденсатора и увеличивают срок службы.

При переменном напряжении старение носит преимущественно ионизационный характер, и снижение Uпр до некото-

рого конечного значения Eи происходит за большее время. Eраб должно быть меньше Eи. При этом ионизация в диэлек-

трике должна отсутствовать, не должно иметь место и старение. И срок службы конденсатора теоретически должен быть большим.

В случае непропитанных конденсаторов, когда в диэлектрике конденсатора содержится много воздуха и величину Eи

можно определить по перегибу кривой tg δ = f (U ), выбор Eраб не представляет трудности.

В случае пропитки диэлектрика маслом выбор Eраб силь-

но осложняется, так как если судить по «кривым жизни» конденсатора, то это очень длительный процесс (срок службы конденсатора при переменном напряжении примерно составляет 10…20 лет), а форсирование испытаний не дает хорошего результата.

При импульсном напряжении конденсатор рассчитан на повышенные значения Eраб и следует ожидать, что при разряде

Eраб > Eи и кратковременная ионизация неизбежна. При неод-

нократных циклах «заряд – разряд накоротко» для импульсного конденсатора Eи снижается с увеличением числа разрядов.

После прекращения разрядов конденсатора газовая полость, образующаяся у края конденсаторной обкладки, рассасывается и Uи восстанавливает начальное значение. Однако под дей-

ствием разрядов происходит постепенное разрушение изоляции, и после определенного числа импульсов наступает пробой.

104

Максимальное число импульсов, которое может выдержать конденсатор до пробоя, зависит от выбранной напряженности поля Eраб, от величины выброса напряжения в обратном

направлении и от частоты колебаний при разряде.

24. Пробой по закраине

Пробой конденсатора может произойти не только через толщу диэлектрика, но и по поверхности закраин (перекрытие).

Если средой, окружающей диэлектрик, является сухой воздух и приняты меры к выравниванию поля у краев обкладок путем соответствующего утолщения диэлектрика, то напряжение перекрытия Uпер будет близко к напряжению пробоя воз-

духа при зазоре соответствующей величины. При увлажнении Uпер уменьшается.

У края обкладки имеются две составляющие напряженности поля: Eτ – тангенциальная, направленная вдоль поверхности закраины; Eр – радиальная, направленная перпендикуляр-

но этой поверхности.

При некотором напряжении Uк < Uпер у края обкладки на-

чинается ионизация воздуха (корона). Увеличение напряжения приводит к расширению области короны в направлении второй обкладки. При Uк < Uск < Uпер на закраине появляются сколь-

зящие разряды. При повышении напряжения до Uпер скользя-

щие разряды переходят в полное перекрытие.

При выровненном поле перекрытие происходит без предварительного появления короны, причем величина Uпер мало

зависит от частоты напряжения.

При неоднородном поле перекрытию предшествует корона, повышение частоты резко снижает напряжение перекрытия,

Uпер ≈ Uк.

105

Напряжение перекры- =U тия зависит от ширины за- ≈U краины (рис. 61).

При наличии неоднородного поля у края обкладки необходимо разбивать высоковольтный конденсатор на ряд последовательно включенных секций с таким расчетом,

чтобы напряжение, приходящееся на каждую секцию, находилось на линейном участке зависимости, и принимать, что значения напряжения испытания и напряжения перекрытия будут пропорциональны ширине закраины. При этом величину закраины надо увеличить пропорционально возрастанию испытательного напряжения, на значение которого надо ориентироваться при выборе закраины:

∆l = kз Uис,

где kз – коэффициент закраины, мм/В,

kз = 1 . Eт

kз – это величина, обратная допускаемому значению средней напряженности поля на поверхности закраины Eт (В/мм).

При выборе закраины следует исходить из недопустимости перекрытия по закраинам при воздействии Uис. Можно

принимать Uис ≤ (0,75...0,8) Uск. Uраб < Uкор – условие, обязательное для конденсаторов с органическим и неорганическим диэлектриком.

При малых значениях напряжения испытания Uис ∆l должно быть не менее ∆lmin , определяемого технологическими

106

соображениями с учетом опасности короткого замыкания обкладок за счет их смещения в процессе изготовления конденсатора.

25. Удельные характеристики конденсаторов

Для оценки качества конденсаторов и правильности выполнения их расчета и конструирования используют удельные характеристики, представляющие отношение одной из основных характеристик конденсатора к его объему, весу или стоимости:

Cуд = VС ,

где С– емкость, Ф;

V – объем диэлектрика, м3;

Cуд = Сm ,

m – масса конденсатора;

Cуд = СЦ,

Ц – стоимость.

Для плоского конденсатора с площадью обкладок S и толщиной диэлектрика h емкость

при толщине диэлектрика h много больше толщины обкладок hоб (металлизированные диэлектрики) имеем

V = S h.

Удельная емкость – основной параметр при постоянном и пульсирующем напряжении.

107

Для плоского конденсатора с металлизированными обкладками

PRуд зависит от частоты. Учитываем, что напряженность поля в диэлектрике будет зависеть от частоты, т.е. E = F( f ).

До некоторого значения f1 нагрев конденсатора невелик

от его диэлектрических потерь и Е определяется только электрической прочностью, которая мало зависит от частоты в этом

конденсатора достаточно заметен и определяется диэлектрическими потерями, причем

tg δ мало зависит от частоты. Рабочее напряжение будет определяться допустимым нагревом диэлектрика конденсатора

обратно пропорционально частоте, чтобы поддерживать температуру конденсатора неизменной и равной допустимому значению. При этом

E = F ( f )2 = k12 1f ;

PRуд = k k12 ε = const.

110