Главная » Мануалы

1 ... 21 22 23 24 25 26 27 ... 33

женность для диэлектрика из пропитанной маслом конденсаторной бумаги выбираем в пределах 7-9 ке/лш. Так как конденсатор работает при переменном напряжении и должен обладать малыми потерями, то целесообразно применять бумагу КОН-1 с пониженной плотностью. Толщина диэлектрика в соответствии с требованиями получения максимальной кратковременной электрической прочности и повышенного значения начальной напряженности ионизации выбрана равной 70 мк (7 листов бумаги толщиной 10 мк).

При выбранном значении напряженности и толщине диэлектрика напряжение на последовательной группе

[/г = £pd = 9 7 0,01 = 0,63 кв.

Число последовательно соединенных групп

0,63

кратковременная электрическая прочность по данным кривой 4 (см. рис. 81) для толщины 70 мк при переменном напряжении равна 120 : 12 = 85 кв/мм, а начальная напряженность ионизации согласно уравнению (3-19)

lg£ = 2,65 - 0,5 Ig 70 = 1,73; откуда = 54 кв/мм.

При Ер = 9 кв/мм получаем запас по кратковременной электрической прочности

3 = 1 = 9,45,

и по напряженности ионизации

3 = = 6,0.

Пробивное напряжение всего конденсатора

и„р = kUrN = 9,45 0,63 87 = 520 кв,

что превышает заданное в исходных данных испытательное импульсное напряжение конденсатора в два раза. Емкость последовательно соединенной группы

Cr = CN = 0,0044 87 = 0,385 мкф.

При таком значении емкости нет необходимости применять параллельное соединение нескольких секций в группе,

и конденсатор может быть выполнен из 87 последовательно соединенных секций.

При диаметре оправки Do = 127 мм, ширине бумаги 140 мм, ширине фольги 120 мм, коэффициенте запрессовки

0,95 секция емкостью 0,385 мкф имеет 12 витков и размеры 140 X X 208 X 4,8 мм.

Конструкция пакета. Пакет (рис. 121) собирается между двумя корытообразными щеками 5 и стягивается четырьмя гетинаксовыми планками 4. Между секциями 2 укладываются прокладки из двух листов кабельной бумаги /. Для подгонки емкости пакета под верхней ш.екой устанавливается стальная пластинка 5, а в плоскую часть верхней щеки завинчены четыре болта 6, упираюш.иеся в стальную плиту. В таком устройстве можно менять степень прессовки всего пакета и получать нужное значение емкости.

К нижней щеке приварены два уголка 8, при помощи которых пакет болтами прикрепляется к нижней крышке. При помощи отводов 9 ц 7 крайние секции пакета соединяются со щеками, крышкой и дном конденсатора.

Конструкция конденсатора. Разрез конденсатора показан на рис. 122. Пакет конденсатора 4 помещен в фарфоровом цилиндре 5 и закрыт верхней 6 и нижней 10 крышками. Крышки соединены с цилиндром болтами 9 при помощи упорных полуколец 2 и колец 3. Между крышками

Рис. 121. Пакет конденсатора СМР 55-0,0044.

и торцами цилиндра, а также между полукольцами и выступами цилиндра установлены прокладки из маслостойкой резины /.

Значительное место во внутренней полости конденсатора занимает расширитель 8 для компенсации давления масла. Расширитель представляет собой набор из 7-9 мембранных стальных коробок.

Коробки изготовляются из двух сваренных герметично штампованных тарельчатых мембран. При изменении объема масла объем коробок меняется, благодаря чему внутренняя полость конденсатора полностью заполнена маслом при расчетных колебаниях температуры.

После окончательной сборки в конденсатор накачивается масло с таким расчетом, чтобы внутри поддерживалось избыточное давление, доходящее до 1,4 атм при 65 С и равное нулю при температуре-45° С. Через отверстие, закрытое винтом 7, можно доливать масло. Конструкция с избыточным давлением масла полностью исключает засасывание воздуха в конденсатор, хотя необходима более

тщательная герметизация конденсатора. Избыточное давление масла повышает также начальную напряженность ионизации в диэлектрике.

Электрическая прочность корпуса конденсатора. Высота изоляционного фарфорового цилиндра выбирается по испытательному напряжению конденсатора. Разрядное расстояние h по поверхности цилиндра между концами болтов верхней и нижней крышки равно 600 мм.

Для маслонаполненных изоляторов на напряжения 110-400 кв обычно принимаются следующие значения средних разрядных напряженностей: сухоразрядные напряженности при 50 гц Есхр -4,3 -т-3,3 кв дейсте/см, мокрораз-

Рис. 122. Разрез конденсатора СМР 55-0,0044.

рядные напряженности при 50 гц Ецкр == 2,6 ~ 2,3 ке действ/см; импульсные напряженности при положительной полярности: минимальные = 7,0 ч- 5,6 кв макс/см, при времени разряда 2 мксек £имп= И ч-9,4 ке макс/см.

Большие цифры относятся к изоляторам на 110 кв, а меньшие - к изоляторам на 400 кв.

При расстоянии Л = 60 см:

Ucxp - Ecxph = 4,3 60 = 268 кв действ; [/мкр - EttKph = 2,6 60 == 156 ке действ.

Для полной волны С/имп = и'мпЛ = 7 60 = 420 ке макс. Для срезанной волны = £и'мпЛ = И - 60 = 660 ке жакс.

Из сравнения полученных значений с заданными для конденсатора СМР 55-0,0044 видно, что внешняя изоляция конденсатора обладает достаточным запасом по электрической прочности.

§ 18. ИМПУЛЬСНЫЕ КОНДЕНСАТОРЫ

Импульсные конденсаторы работают как накопители энергии: в течение сравнительно большого промежутка времени они заряжаются от источника питания небольшой мощности, после чего разряжаются (колебательный или апериодический разряд) в короткий промежуток времени с выделением большого количества энергии.

В последние десятилетия широко развивается импульсная техника, для которой необходимо создание импульсных конденсаторов различного назначения.

Импульсные конденсаторы применяются:

а) в схемах генераторов импульсов напряжения;

б) в схемах генераторов импульсов тока;

в) для делителей напряжения;

г) в мощных радиолокационных установках;

д) для формирующих линий, создающих импульсы различной формы, длительности и энергии;

е) для создания мощных импульсных источников света;

ж) в установках для исследования управляемых термоядерных реакций;

з) в электротехнологических установках для сварки, искровой и магнитоимпульсной обработки металлов, электрогидравлического эффекта.

В связи с широким применением импульсных конденсаторов и разнообразными условиями их работы потребова-

лось создание различных конструктивных форм конденсаторов, рассчитанных на напряжения от 500 в до 500 кв имеющих емкость от сотен микрофарад до десятков пико-фарад и различную запасаемую энергию

= дж, (3-48)

где С - в ф, а V - ь в.

Наряду с емкостью и рабочим напряжением величина запасаемой энергии' является основным параметром дл большинства импульсных конденсаторов; при конструировании конденсаторов этого типа стремятся получить возможно большую величину данного параметра.

Так как величина запасаемой энергии определяет расход активного диэлектрика, то размеры и вес импульсных конденсаторов, как правило, превышают размеры и вес других типов конденсаторов. Вес некоторых импульсных конденсаторов достигает 2000 кг.

К импульсным конденсаторам, как и к другим типам конденсаторов, предъявляется требование высокой надежности в работе. Помимо необходимости обеспечить работу ответственных установок, имеет значение и экономический фактор. Ввиду большого объема и веса большинства типов импульсных конденсаторов выход из строя сопряжен с потере большого количества дорогостоящих активных материалов конденсатора.

Во время разряда конденсатора через его соединения и выводы проходят большие токи, при этом возникают значительные динамические усилия; поэтому надежность импульсных конденсаторов определяется не только запасами по электрической прочности диэлектрика, но и механической и термической стойкостью выводов и соединений. Так как в импульсных конденсаторах накапливается значительный запас энергии, то при пробое секции конденсатора внутри бака выделяется энергия поврежденного конденсатора, а часто и включенных параллельно с ним других мощных конденсаторов. В этом случае внутри бака возникает электрогидравлический эффект, который при недостаточной прочности корпуса конденсатора приводит к взрыву. В практике эксплуатации импульсных конденсаторов известны случаи когда такие-взрывы вызывали тяжелые последствия и для обслуживающего персонала, и для дорогостоящего лабораторного оборудования.

к конденсаторам, работающим в схемах генераторов импульсных токов, формирующих линий, накопителей энергии для физических исследований, предъявляется требование минимального индуктивного сопротивления.

При разряде конденсатора как апериодическом, так и колебательном ток изменяется с большой скоростью, что эквивалентно большой частоте. Следовательно, даже малая индуктивность самого конденсатора вызывает большое индуктивное сопротивление coL, что сказывается и на величине разрядного тока, и на форме импульса.

1. J

Рис. 123. Схема замещения конденсатора с абсорбцией.

Для ряда установок форма импульса задана, причем часто необходима форма импульса, близкая к прямоугольной, что также требует обеспечения минимальной индуктивности конденсатора.

Импульсный конденсатор представляет собой энергети-f ческое устройство, поэтому к

нему предъявляется требование максимальной отдачи энергии потребителю и минимальных потерь в самом конденсаторе. Hofepn энергии при разряде происходят прежде всего в обкладках, соединениях и выводах конденсатора. Следовательно, материал и размеры их должны быть так рассчитаны, чтобы эти потери были минимальными. Кроме этого, необходимо считаться с явлением абсорбции в диэлектрике, вызывающим неполную отдачу энергии при разряде конденсатора. Это явление мало учитывается при конструировании и оценке качества работы импульсного конденсатора, поэтому рассмотрим его подробнее.

Схема замещения конденсатора представлена на рис. 123, где С - геометрическая емкость конденсатора и емкость быстро протекающих процессов поляризации (электронная, ионная поляризация), - емкость медленно протекающих процессов поляризации (высокоюльтная, дипольная поляризация); замедленное протекание этих процессов характеризуется введением в схему замещения фиктивного сопротивления Ra, величины R и - активное сопротивление и индуктивность обкладок, соединений и выводов конденсатора; R - сопротивление изоляции; Z - сопротивление нагрузки, в которое в общем случае могут входить активное сопротивление, индуктивность и емкость.

к быстро протекающим процессам поляризации в данном случае относятся виды поляризации, у которых скорость установления (время релаксации) меньше заданного времени разряда конденсатора, а к медленно протекающим - те виды, у которых скорость установления поляризации больше заданного времени разряда конденсатора.

У импульсного конденсатора, разряжающегося через искроюй промежуток, разряд начинается, когда напряжение на искроюм промежутке достигнет пробивного значения, и заканчивается, когда напряжение в процессе разряда снизится до значения, при котором дуга в искровом промежутке гаснет.

При пробое искрового промежутка заряженный конденсатор замыкается на нагрузку и через нее протекает два тока (от разряда емкостей С и Са), имеющие различную скорость спадания.

При этом благодаря значительной величине Ra скорость разряда Са будет меньше, чем С, и емкость Са не успеет полностью разрядиться при кратковременном разряде.

Так как /? > Z, то влиянием R на разряд конденсатора в импульсном режиме можно пренебречь.

После прекращения разряда через искровой промежуток остаточный заряд на емкости Са перераспределится между емкостями С и Са, на выводах конденсатора появится некоторое остаточное напряжение f/ост. величина которого во времени будет нарастать, проходить через максимум и затем снижаться вследствие разряда емкостей С и Са на R.

Отношение

W -W

йотд =-- 100% (3-49)

можно рассматривать как коэффициент отдачи энергии конденсатора в импульсном режиме. Принимая

7/2 г

W полн - 7i I

получаем

w ост - 2

й„,д= l fP 100%, (3-50)

где f/зар - зарядное напряжение конденсатора;

16 592 241

t/ocT - максимальное значение остаточного напряжения после разряда конденсатора накоротко.

У различных типов конденсаторов отношение 7 колеб-

лется в пределах от 3 до 15%, следовательно, коэффициент отдачи энергии колеблется в пределах от 91 до 77,5%.

В настоящее время накоплено сравнительно мало экспериментальных и расчетных данных о влиянии различных факторов на явление абсорбции, что затрудняет разработку рекомендаций по созданию импульсного конденсатора с максимальной отдачей энергии.

Необходимо экспериментально определять коэффициент потерь энергии в каждом новом образце импульсного конденсатора.

Конструктору импульсного конденсатора необходимо четко представить, что емкость конденсатора, рассчитанная по значению диэлектрической проницаемости, измеренной при частоте 50 гц или при постоянном напряжении, может значительно превышать фактическую емкость конденсатора при импульсном разряде.

Так как импульсные конденсаторы предназначены для работы при высоких напряжениях, то их приходится изготовлять с большим числом последовательных секций. Для надежной работы конденсатора необходимо, чтобы емкость и сопротивление последовательных секций были одинаковыми.

При медленном заряде конденсатора напряжение между последовательно соединенными секциями распределяется прямо пропорционально их активным (точнее полным) сопротивлениям. Неравенство сопротивлений отдельных секций приводит к появлению напряжений, превышающих номинальное у секций с повышенным сопротивлением, вследствие чего может произойти пробой.

В режиме колебательного разряда напряжение перераспределяется обратно пропорционально значениям емкостей отдельных секций.

При разряде конденсаторов в схемах генераторов импульсных напряжений при неравенстве емкостей отдельных конденсаторов, помимо появления перенапряжений у секций конденсаторов с меньшей емкостью, происходит перераспределение зарядов между отдельными конденсаторами и неполная отдача их энергии нагрузке. Такой же процесс происходит и в каждом отдельном конденсаторе, имеющем последовательные секции или группы с различной емкостью.

Режимы работы конденсаторов для импульсных схем

В режиме зарядки импульсный конденсатор находится под воздействием выпрямленного напряжения, содержащего небольшую переменную составляющую. В начале зарядки напряжение возрастает, а затем некоторое время переменная составляющая - постоянна. В режиме разряда конденсатор замыкается на малое сопротивление и в зависимости от соотношения параметров этого сопротивления и параметров конденсатора форма разряда может быть или апериодической или периодической (колебательный разряд).

В генераторах импульсных напряжений,предназначенных для испытания и исследования изоляции, между циклами заряд - разряд происходят большие или меньшие перерывы. В установках, предназначенных для исследования коммутирующей способности аппаратуры (например, колебательный контур проф. А. А. Горева), и в схемах формирующих линий, а также устройствах, использующих конденсаторы для физических исследований, циклы заряд - разряд могут следовать друг за другом непрерывно, но все же обычно такой режим длится лишь несколько часов, после чего следует длительный перерыв, в течение которого температура конденсатора может снижаться. Кроме того, конденсаторы для импульсных схем имеют большую поверхность охлаждения. Все это приводит к тому, что большей частью температура на поверхности конденсатора превышает температуру окружающей среды не более чем на 5-10°.

В связи с этим основное значение в процессах разрушения диэлектрика у большинства рассматриваемых типов конденсаторов имеет непосредственное действие электрического поля и вызываемые им ионизационные, а не тепловые процессы.

В соответствии с режимами работы импульсного конденсатора можно рассматривать для его диэлектрика:

а) электрическую прочность при медленном подъеме напряжения;

б) электрическую прочность при длительном действии постоянного напряжения;

в) электрическую прочность в режиме разряда. Наиболее легким для работы диэлектрика является

режим под-Ьема напряжения, когда напряженность поля меньше напряженности при нормальном напряжении конденсатора, которое достигается лишь в конце зарядки.

После окончания зарядки на диэлектрик конденсатора кратковременно действует выпрямленное напряжение, постоянное по величине, при котором ионизационные процессы либо вообще отсутствуют, либо происходят в виде отдельных вспышек с интервалами в несколько секунд или даже минут. Наиболее тяжелым для работы диэлектрика является режим разряда конденсатора. Диэлектрик оказывается под действием напряжения, меняющегося с большой скоростью как при апериодическом, так и при колебательном разряде.

Рис. 124. Ионизация у края конденсаторной секции.

При частоте 50 гц начальная напряженность ионизации в зависимости от толщины диэлектрика лежит в пределах 40-70 т1мм и снижается после действия перенапряжений до 5-15 кв1мм.

Рабочая напряженность для импульсных конденсаторов колеблется в пределах 45-100 кв/мм, следовательно, в режиме разряда, когда диэлектрик конденсатора находится под действием переменного напряжения, рабочая напряженность оказывается выше, чем начальная напряженность возникновения ионизациц.

Скорость изменения напряжения ~ при разряде конденсатора выше максимальной скорости изменения напряжения при частоте 50 гц, следовательно, можно считать, что в момент разряда диэлектрик работает при высокой частоте. С ростом частоты начальная напряженность ионизации снижается, поэтому различие между рабочей напряженностью и начальной напряженностью ионизации дополнительно возрастает. Появление ионизации в момент разряда при рабочих напряженностях легко проверяется экспериментально.

На рис. 124 показано вдзникновение интенсивной ионизации в момент разряда секции импульсного конденсатора,

1 ... 21 22 23 24 25 26 27 ... 33