Главная » Мануалы

1 2 3 4 5 ... 33

это оптимальное значение может несколько изменяться при изменении толщины отдельного слоя. В дальнейшем будем пользоваться значением опт. полагая, что в случае слоистого диэлектрика

опт = Попть (1-7)

где - толщина единичного слоя.

Максимальному значению Епр при толщине dom соответствует и максимально возможное значение Е^сп, т. е. используется наилучшим образом диэлектрик в отношении кратковременной электрической прочности. В связи с этим при расчете конденсаторов с высоким испытательным напряжением выгодно разбивать их на последовательно соединяемых секций, выбирая толщину диэлектрика в каждой секции равной оптимальной или близкую к ней. В этом случае выбирается

исп. макс В соответствии С £пр. макс И НахОДИТСЯ

испытательное напряжение отдельной секции

и

исп. секц -

пр. макс

опт - Д

исп. макс опт

(1-8)

Затем по заданному значению испытательного напряжения конденсатора в целом {7исп находится число секций, включаемых последовательно.

(1-9)

исп. секц

Надо иметь в виду, что в данном случае емкость каждой секции будет в N раз больше номинальной емкости конденсатора:

Се = (1-10)

Для конденсаторов с небольшим напряжением толщина диэлектрика выбирается меньше опт поэтому материал используется менее выгодно. Для таких толщин удобнее вместо кривой Епр = / (d) иметь кривую Unp = / (d), по

которой построить кривую допустимых значений [/исп =

~ f (ф (рис. 3). Пользуясь этой кривой, по заданному значению /7исп можно сразу найти необходимую толщину диэлектрика d.

Кривые, показанные на рис. 2 и 3, обычно строятся по результатам испытания образцов конденсаторов небольшой

Рис. 3. Кривая зависимости испытательного напряжения от толщины диэлектрика.

емкости с небольшой площадью обкладок (электродов). При расчете конденсатора относительно большой емкости . необходимо учесть, что с увеличением площади электродов электрическая прочность диэлектрика снижается, так как увеличивается вероятность попадания под электроды слабых мест с особо сниженной прочностью.

При относительно больших толщинах диэлектрика, когда распределение значений £пр (дифференциальная вероятность) имеет вид симметричной криюй (рис. 4), подчиняющейся закону Гаусса, для пересчета можно воспользоваться обычными методами математической статистики.

При малых толщинах диэлектрика распределение значений Е^р может резко отличаться от нормального распределения, поэтому обычный статистический метод применить нельзя. Для этого случая А. С. Зин-герман предложил метод пересчета, использующий в качестве основы для вычисления среднего значения Ej,p, соответствующего большой площади электродов, экспериментально найденную форму кривой распределения при малой площади электродов. Этот метод неудобен тем, что если отношение большой площади к малой велико (порядка 100), то для получения достаточной точности расчета необходимо иметь очень большое число образцов малой площади для построения исходной криюй

распределения (порядка 1000 при = 100).

При небольших толщинах диэлектрика (например, двух-трех слоях конденсаторной бумаги) зависимость среднего значения Е„р от логарифма емкости конденсатора (от логарифма площади обкладок) выражается падающей прямой линией, что соответствует эмпирическому уравнению

Enp = a-b\gC, (1-11)

E.p = a~b\gS, (1-12)

где С - емкость;

S - площадь обкладок; а (или а') и b ~ постоянные коэффициенты для данного типа конденсатора с заданным диэлектриком определенной толщины.

Рис. 4. Кривая зависимости дифференциальной вероятности пробоя от напряженности поля (при соблюдении закона Гаусса).

или

в данных формулах коэффициенты а и а' представляют собой значения кратковременной прочности при единичных значениях емкости или площади обкладок и в значительной мере зависят от толщины диэлектрика. Коэффициент Ь, определяющий наклон прямой к оси абсцисс, также зависит от толщины диэлектрика, хотя и в меньшей степени.

Поскольку значения Епр резко зависят от площади обкладок, т. е. от емкости конденсатора при больших значениях Си, целесообразно разбивать конденсатор на ряд параллельно соединяемых секций меньшей емкости и отбраковывать при испытании дефектные секции. При равных емкостях секций величина емкости секции

Се= , (1-13)

где М - число параллельно соединяемых секций.

Среднее'значение Епр для каждой секции будет выше, чем для несекционированного конденсатора, и брак при испытании на пробой резко уменьшится. В этом случае в конструкции конденсатора полезно предусмотреть индивидуальную защиту секций плавкими предохранителями, ! тогда случайный пробой одной из наиболее слабых секций при юздействии кратковременного перенапряжения не вы- ведет конденсатор из строя, так как пробитая секция автоматически отключится плавким предохранителем. Ш, Для конденсаторов высокого напряжения целесообразно разбивать конденсатор на ряд секций, соединяемых последовательно. При числе последовательных секций, равном N, емкость секции будет в N раз больше номинальной емкости конденсатора в целом. Поэтому иногда целесообразнее разбить такую секцию на параллельно соединяемые более мелкие секции. В этом случае конденсатор будет состоять из N последовательно соединенных групп секций по М параллельно соединенных секций в каждой группе. Емкость отдельной секции в таком конденсаторе

Сс = ~С„, (1-14)

где Сн - номинальная емкость конденсатора в целом.

Применение в конденсаторах относительно небольших секций, соединяемых параллельно, связано не только с повышением Епр при уменьшении емкости (площади обкладок), но также и с соображениями технологического порядка:

2 592 17

секции очень больших размеров могут создавать неудобства на многих технологических операциях. Кроме того, по технико-экономическим соображениям рационально комплектовать конденсаторы с различными номинальными данными из соединяемых параллельно или последовательно стандартных секций.

Выше рассматривались конденсаторы, у которых диэлектрик находится в заведомо неоднородном поле у края обкладки. В некоторых случаях можно изменить толщину диэлектрика у краев обкладок, выравнять электрическое поле в этих местах и обеспечить равномерность поля не только под обкладками, но и у их краев. Практически это возможно при изготовлении керамических конденсаторов высокого напряжения.

Расчет закраин конденсатора

Пробой конденсатора при кратковременном юздействии напряжения {во время испытания или при воздействии кратковременных перенапряжений) может произойти не только через толщу активного диэлектрика, но и по закраине, отделяющей край обкладки от края - - I пластины, ленты или трубки,

-Цм--- ? используемых в качестве ди-а I электрика.

В секции конденсатора раз- личают закраины двух вари-6 антов:

Рис. 5. Закраины конденса- а) при несимметричном рас-

торг при расположении об- положении обкладок, когда край кладок: одной обкладки сдвинут отно-

а - несимметричном; б - симмет-

рнчном. сительно другой, ИЛИ когда за край одной обкладки выступает выюд от другой обкладки (рис. 5,а);

б) при симметричном расположении обкладок, когда края их совпадают (рис. 5,6).

В обоих случаях путь перекрытия Al измеряется как расстояние по поверхности диэлектрика между краями обкладок. В этот размер входит толщина диэлектрика d.

Для большинства конструкций конденсаторов d < Al, поэтому при определении величины А размер d можно исключить. Длина закраины Al выбирается с таким расчетом, чтобы напряжение .разряда по закраине было выше

испытательного напряжения [/исп. установленного для данного типа конденсаторов. Это- необходимо для исключения поверхностного разряда (перекрытия по закраине) в момент испытания конденсатора.. При резко неоднородном поле (рис. 5) перекрытию по закраине при напряжении [/ предшествует появление скользящих разрядов при напряжении Иск < f-nK, при еще меньшем, коронном напряжении 11, скользящим разрядам предшествует появление короны у краев обкладки.

Скользящие разряды, даже кратковременно действующие на поверхности диэлектрика, могут вызвать частичное разрушение поверхности и опасны не только для органических, но и для неорганических диэлектриков. Поэтому желательно, чтобы /7исп< /ск- Неорганические диэлектрики обычно имеют высокую короностойкость, а потому появление короны у края обкладок в момент испытания конденсатора кратковременным воздействием напряжения может не вызвать вредных последствий. Для органических диэлектриков не следует допускать даже кратковременной короны у краев обкладок, т. е. принимать [/исп< к-

-Для правильного определения величины закраин необходима полученная из эксперимента зависимость между Д/ и напряжениями [/пк, -Uck и U применительно к выбранному типу диэлектрика. Сначала величина напряжения перекрытия (скользящих разрядов, короны) возрастает практически линейно с ростом закраины, но в области высоких напряжений линейность нарушается. В этой области даже значительное увеличение закраины уже не дает заметного возрастания напряжения перекрытия {Uck или 1/). Практически получается, что для некоторого достаточно высокого напряжения изготовить конденсатор вообще нельзя, так как размер закраин в нем окажется недопустимо велик.

Однако с точки зрения наилучшего использования диэлектрика конденсаторы высокого напряжения разделяют на ряд последовательно соединяемых секций с оптимальной толщиной диэлектрика в каждой секции. При этом напряжение, приходящееся на каждую секцию, снижается до величины, находящейся в пределах прямолинейного участка кривой А/ = f{U n). В соответствии с этим для каждого типа конденсатора можно построить прямолинейную зависимость между L/исп и А/, где [/ сп выбирается с определенным запасом По отношению к величине U k (чаще по отношению к Uck или [/ ) Этот ззпас учитывает разброс от сред-

2* 19

них значений, который обычно составляет около ± (20 ~ -т-25)%. Если иметь кривую разброса значений и ориентироваться на минимальные значения [/ к. ск или 11, то можно обойтись без использования коэффициента запаса при условии, что по количеству точек на криюй можно установить с достаточной точностью ту минимальную вероятность перекрытия или появления скользящих разрядов (или короны), которая гарантируется.

Прямолинейную зависимость можно выразить уравнением

А/ = kdJucn, (1-15)

где Д/ - в мм, /7исп - ве;

кз - коэффициент закраины, мм/в.

Зная коэффициент закраины, можно определить юли-чину Al по заданному значению [/исп- При этом необходимо иметь в Виду, что величина зависит от толщины диэлектрика (при заданном значении Al юличина [/ к. а следовательно, и величина [/ сп должны возрастать, а коэффициент fea соответственно снижаться примерно пропорционально Vd); на величину оказывает влияние также частота, давление окружающей среды и ряд других факторов.

При небольших значениях f/исп. когда расчет по формуле (1-15) дает малые, порядка нескольких миллиметров, значения Al, размер закраины выбирается из технологических соображений. В этом случае размер закраины должен быть больше юзможного при намотке секции сдвига обкладок, чтобы обеспечивалось отсутствие короткого замыкания между обкладками.

Расчет электрической прочности при длительном воздействии напряжения

При длительном действии напряжения в диэлектрике конденсаторов происходит процесс старения, постепенно ухудшающий электрическую прочность. Это необходимо учитывать, выбирая значение напряженности Поля Ер, допускаемой при длительной работе конденсатора.

Ранее считалось, что процесс старения характерен лишь для диэлектриков органического происхождения (бумага, синтетическая пленка и т. п.). В последние годы установлено, что старение при длительном юздействии напряжения, особенно в условиях повышенной температуры, происходит

и в неорганических диэлектриках (слюда, многие виды керамики, стекло и т. п.), хотя механизм старения имеет другой характер.

При переменном напряжении как технической, так и радиочастоты, а также при многих импульсных режимах (в частности, радиолокационных) основной причиной старения диэлектрика в конденсаторах является ионизация (корона), возникающая внутри диэлектрика или у краев обкладок, преимущественно в остаточных газовых включениях. Ионизация может также развиваться и во вновь возникающих включениях газов, которые образуются при локальных пробоях пропиточной или заливочной жидкости или появляются в результате электролиза остаточной влажности (при низкой частоте).

. Ионизация разрушает органические диэлектрики в результате непосредственной их бомбардировки свободными ионами или электронами (возникающими в результате этого процесса) или за счет агрессивного действия на диэлектрик озона и окислов азота', образующихся при разрушении разрядами остаточного воздуха и являющихся сильными окислителями. Выделение тепла в месте развития ионизации также может разрушать недостаточно нагревостойкие органические диэлектрики.

Неорганические диэлектрики обладают повышенной химической стойкостью и нагревостойкостью. Поэтому развитие ионизации в конденсаторах с такого рода диэлектриками, в частности у краев обкладок, прежде всего опасно не для основного диэлектрика, а для органических материалов, используемых в конструкции (пластмасса, применяемая для опрессовки, облицовочный компаунд, заливочные твердые или жидкие материалы и т. п.). Однако нагрев в местах ионизации иногда опасен и для неорганического диэлектрика, так как локальное повышение температуры может вызвать местную тепловую нестабильность, переходящую в тепловой пробой (стекло, слюда). Для керамических материалов была установлена особая форма пробоя - термоиониза-ционно-механического: ионизация в закрытой поре вызывает сильный местный разогрев, в результате которого появляются механические напряжения, сопровождающиеся растрескиванием керамики и пробоем по трещине.

С течением времени Е„р снижается до некоторого определенного значения, соответствующего напряженности поля На, при которой возникает ионизация. Если выбрать

значение Ер < Ей, то явления ионизации, а следовательно, старения не будет, и срок службы конденсатора должен быть неопределенно велик.

При обычном неоднородном поле, характерном для большинства типов конденсаторов, Е„ существенно снижается с толщиной диэлектрика. В связи с этим для более выгодного использования диэлектрика конденсатора целесообразно разбивать последний на ряд последовательно соединяемых секций с минимально возможной толщиной диэлектрика в каждой секции. Однако чрезмерное снижение толщины диэлектрика, при переходе за некоторое оптимальное ее значение, приводит к резкому снижению кратковременной прочности (см. рис. 2). Поэтому при выборе толщины диэлектрика для последовательно соединяемых секций в конденсаторах переменного напряжения выбирают толщину диэлектрика несколько ниже опт. чтобы получить повышенное. значение при достаточно высоком кратковременном значении Е„р.

Значения Е л зависят не только от толщины, но также и от других факторов, в частности от частоты, от типа пропитывающей или заливочной жидкости и т. п. При отсутствии заливки жидкостью, когда ионизация развивается в воздухе у края обкладки или во внутренних замкнутых порах, заполненных воздухом или другим газом, Е„ имеет стабильное значение. В этом случае коэффициент запаса feg, который надо брать при выборе Ер по отношению к -Ей. должен учитывать только разброс от средних значений, получаемый при экспериментальном определении Е„. Этот разброс обычно невелик и составляет ± (25-ь30)%. При заливке жидкостью резко повышается Е„ (так же, как и при пропитке пористых диэлектриков с открытыми порами, например, бумаги), но при этом величина Е„ становится нестабильной. Под воздействием поля, превышающего Ей. в конденсаторе с диэлектриком такого типа, даже при относительно кратковременном воздействии, происходит пробой жидкости, связанный с выделением газа. Образование газового включения приюдит к заметному снижению Е„. Если перенапряжение поддерживается достаточно длительно, то величина Е„ может снизиться до значения, которое она имела бы при отсутствии пропитки или заливки жидкостью. Степень снижения зависит от типа пропитывающей жидкости и ее склонности к газовыделению при воздействии поля (газостойкости).

в этом случае запас при выборе Ер обусловливается тем, что напряженность поля, которая может возникать в конденсаторе при действии перенапряжений в процессе эксплуатации (а также при кратковременных испытаниях), должна быть ниже значения Е„. Таким образом, если возможная кратность перенапряжений составляет fen, а запас, учитывающий разброс значений £ , - fea, то должно соблюдаться соотношение

Ер<: (1-16)

При пропитке или заливке конденсатора с твердым диэлектриком электроизоляционной жидкостью с использованием высокого вакуума значения Е„ могут оказаться достаточно высокими для того, чтобы выбранные по ним значения Ер оказались завышенными с точки зрения тепловой устойчивости конденсатора. Поэтому расчет, основанный на учете выбора Ер по соображениям об отсутствии ионизации, должен быть дополнен тепловым расчетом для проверки отсутствия опасного перегрева при выбранном значении Ер.

Тепловой расчет особо важен при использовании конденсаторов в цепях переменного тока средних частот (1- 10 кгц), например, в электротермических установках.

В области частот порядка 0,1-1 Мгц и выше, т. е. в области радиочастот, толщина диэлектрика выбирается по данным теплового расчета, так как значения Ер, соответствующие тепловому равновесию конденсатора, обычно ниже, чем значения Ер, которые можно допустить из расчета на отсутствие ионизации. При использовании форсированного охлаждения, например, водяного, даже при радиочастотах иногда приходится выбирать толщину диэлектрика из расчета на отсутствие ионизации.

В керамических конденсаторах высокого напряжения выравниванием поля у краев обкладок устраняется возможность появления краевой короны практически вплоть до напряжения, при котором происходит перекрытие по закраине. Для обычных типов керамики, с закрытыми порами, остается опасность ионизации во внутренних порах, что ограничивает величину допускаемой Ер значениями 0,9-1,1 кв1мм*.

* в системе СИ напряженность поля измеряется в в/ж. Для перевода в эту единицу значение Е, выраженное в квмм, нужно умножить на 10*.

= При постоянном напряжении основной причиной старения органического диэлектрика являются возникающие в нем под воздействием постоянного поля электрохимические процессы. Повышение температуры заметно ускоряет эти процессы, постепенно разрушающие диэлектрик конденсатора.

В неорганических диэлектриках при постоянном напряжении также наблюдаются процессы старения, хотя природа их иная. Эти процессы так же, как и в органических диэлектриках, усиливаются с , повышением температуры.

В случае ионизационного старения при переменном напряжении можно установить определенную границу значения Ец, ниже которой старение не должно происходить. Существует такая величина минимального напряжения, порядка 250 е (эффективное значение), ниже которого иони-

* зация не возникает, так как это значение соответствует минимальной величине пробивного напряжения воздуха; при напряжениях порядка 250е и ниже можно не опасаться развития ионизационных процессов.

В случае электрохимического старения при постоянном напряжении такой границы для процесса старения нет,

* поэтому в известных условиях при достаточной длительности воздействия напряжения может произойти пробой и при напряжениях менее 250 е. Таким образом, на кривой £пр= = /(т) при постоянном напряжении в отличие от переменного можно ожидать непрерывное снижение Епр с асимптотическим приближением к оси абсцисс, а не к некоторому определенному значению £ В биологарифмическом масштабе зависимость Епр = fit) выражается падающей прямой линией, т. е. может быть выражена уравнением

lgEnplgA-n\g (1-17)

или

Епр = Ах- . (1-18)

Это выражение часто представляют также в форме

- = - (1-19)

Для пропитанной бумаги /л = 4 -н 6 (в среднем 5 - закон пятой степени), а для титановой керамики т - 8 - 9; однако пользоваться этими значениями допустимо только в известных пределах времени старения.

1 2 3 4 5 ... 33