|
| |
 |
Главная » Мануалы 1 2 3 4 5 6 ... 33  в этих условиях допустимое значение Ер следует устанавливать с известным запасом к длительному значению Е„р при данном значении срока службы конденсатора. Для этого, желательно иметь всю кривую старения - кривую жизни - рассматриваемого типа конденсатора, или те значения, при которых обеспечивается требуемый.срок службы, например 10 ООО ч. Для определения хотя бы одной точки на кривой жизни необходимо поставить на испытание партию однотипных конденсаторов при одном и том же з-начении напряженности поля и определить для каждого из них время, необходимое для его пробоя. При сравнительных испыта- . ниях по этим значениям берут среднее и получают точку для построения кривой жизни с координатами Тср и Е, где Е - заданное значение напряженности поля. Однако для расчета величина Тср мало что дает, так как это то время, при котором при напряженности Е пробьется около половины конденсаторов; какой запас надо взять по отношению к Е, чтобы конденсаторы проработали время Тср не пробиваясь, остается неясным. Поэтому практически следует брать относительно большую партию однотипных образцов, порядка 50-100 шт.. (тогда пробой одного образца означает выход' из строя 2-4-1% от партии), и построить кривую распределения сроков службы образцов для пробоя в виде интегральной кривой вероятности пробоя (рис. 6). При Гмакс пробивается вся партия (100%-пая вероятность пробоя), под Тср обычно понимают время, соответствующее пробою 50% партии. Минимальный срок службы мин соответствует промежутку вре- мени, после которого начинается более или менее массовый выход конденсаторов из строя. При временах менее Tm возможны отдельные пробои, носящие случайный характер.. При малых толщинах диэлектрика гарантировать отсутствие таких пробоев нельзя, так как они не могут быть полностью устранены испытанием конденсаторов на пробой кратковременным приложением повышенного испытатель- Рис. 6. Кривая зависимости интегральной вероятности пробоя от времени воздействия напряжения. ного напряжения. Поэтому при расчете обычно ориентируются на значение Тмин, соответствующее определенной малой вероятности преждевременного пробоя, порядка 1-2% или менее. Для правильного выбора толщины диэлектрика надо иметь результаты длительных испытаний конденсаторов на срок службы, причем желательно, чтобы эти испытания были проведены при толщине и емкости порядка, близкого к рассчитываемым конденсаторам, а также при верхнем пределе рабочей температуры (или при еще более высокой температуре для ускорения испытания). По этим результатам на производстве составляются таблицы допускаемых величин Ер для различных значений толщины диэлектрика, номинальной емкости и срока службы при нескольких тем- пературах. Ориентировочный пересчет найденного в таблице значения Ер при одном значении емкости (площади обкладок) к другому значению при равной толщине диэлектрика можно сделать по данным, приведенным выше. Для ориентировочного пересчета от одного значения температуры к другому можно пользоваться зависимостью Iga = lgi-P(t3-M. (1-20) где Tl и Та - сроки службы при температурах /i и /г и одной и той же рабочей напряженности; Р - коэффициент, зависящий от типа диэлектрика. В определенных условиях и при постоянном напряжении, кроме электрохимического, может проявляться ионизационное старение, которое, накладываясь на электрохимические процессы, вызывает ускоренный выход конденсатора из строя. Однако, поскольку указанные выше допускаемые значения Ер получены на основе длительных испытаний на старение, т. е. взяты из опыта, можно считать, что этот опыт учитывает оба механизма старения, если они проявляются в исследуемом типе конденсатора одновременно. Расчет электрической прочности при тепловом пробое Тепловой пробой представляет собой нарушение теплового равновесия между количеством выделяемого в диэлектрике и отводимого от него тепла, приводящее к термическому разрушению диэлектрика. Возможность развития этого явления обусловлена тем, что активная проводимость диэлектрика возрастает с повышением температуры. Основные теоретически выведенные формулы для вычисления напряжения при тепловом пробое получены для двух основных типов конденсаторов: плоского с обкладками неограниченных размеров по ширине и длине, когда тепловой поток направлен перпендикулярно плоскости обкладок (рис. 7,а), и цилиндрического с бесконечно большой длиной обкладок, когда тепловой поток направлен радиально в сторону наружной обкладки (рис. 7,6). Для плоского конденсатора пробивное напряжение при тепловом пробое ~ (1-21)  Рис. 7. Типы конденсаторов, рассмотренные в теории теплового пробоя; а - плоский; б - цилиндрический. где X - коэффициент теплопроводности диэлектрика конденсатора, кал/сек X Х см град; fo - активная проводимость диэлектрика при температуре окружающей среды, омг^см; а - температурный коэффициент активной проводимости- диэлектрика, представляющий собой коэффициент в показателе степени в формуле = е (-о>, (1-22) изображающей зависимость активной проводимости от температуры; 9(c)-функция параметра с, характеризующего влияние геометрических размеров конденсатора й условий его охлаждения на величину пробивного напряжения. Для плоского конденсатора Хэ - коэффициент теплопроводности материала электродов. кал/сек см град; ch - коэффициент теплоотдачи, d - толщина диэлектрика, см; da - толщина электрода, см. кал/сек см ерад\ при постоянном напряжении активная проводимость Т - у где р - удельное объемное сопротивление диэлектрика, ом-см. В этом случае пробивная напряженность при тепловом пробое Е„р = = 5,81/5 /сж. (1-24) Значение ро можно найти по величине постоянной времени конденсатора RC при температуре окружающей среды, используя формулу где S - диэлектрическая проницаемость диэлектрика и RC, сек (или Мом-мкф). Поскольку постоянная времени зависит от напряжения, желательно, чтобы значение RC, используемое для расчета, определялось при напряжении, по возможности близкому к ожидаемому напряжению теплового пробоя. Зависимость RC от температуры обычно выражается эмпирической формулой, пользуясь которой, можно найти коэффициент р, измерив значения {RC)i и {RQz при двух значениях температуры ti и t: Ig (RC), = Ig (RCh -Hh-h). (1 -26) Входящий в расчетную формулу коэффициент а = 2,3р. Значение коэффициента теплопроводности на практике выражают в ет/см град, чтобы получить значение А, в кал/сек-см-град, подставляемое в формулу для вычисления Епр при тепловом пробое, необходимо численное значение к, выраженное в ет/см град, умножить на переводной .коэффициент 0,24 *. Коэффициент теплоотдачи для предварительных расчетов можно принимать равным 3 10~* кал/сек^-град. Если определено значение а^, выраженное в ет/см град, то его численную величину надо также умножить на 0,24 **. * в системе СИ коэффициент теплопроводности ныражается в emlM град. Для перевода в систему СИ значение к, выраженное в emlcM град, нужно умножить на ** В системе СИ коэффициент теплоотдачи выражается в etnlm X X град. Для перевода в систему СИ значение а , выраженное в emlcxfl х X град, нужно умножить на 10~*. По вычисленному значению параметра с соответствующая ему величина находится по табл. 1. Таблица 1 Значения f (с)
При переменном напряжении активная проводимость (1-27) 1.8 . 1012 где / - частота, гц\ tg 8 - тангенс угла потерь диэлектрика. В этом случае пробивная напряженность при тепловом пробое £пр = 7,78 10 ,6 ч>(с) (1-28) Если зависимость tg8 от температуры выражена формулой \gigb=A + l{t-h), (1-29) то для вычисления Е^р надо взять значение а ~ 2,3. Величина tg6( используемая для вычисления Е^р, представляет собой значение тангенса угла потерь диэлектрика при температуре окружающей среды о. для которой ведется расчет. Этот расчет имеет смысл вести лишь тогда, когда больше температуры ti, при которой начинает возрастать tg6. Приведенные формулы для вычисления Е^р соответствуют простейшей схеме конденсатора: диэлектрику и двум обкладкам. Практически приходится учитывать наличие дополнительных тепловых сопротивлений в виде слоя изоляции от корпуса, слоя заливочной массы, пластмассовой опрессовки и т. п. Эти тепловые сопротивления значительно выше теплового сопротивления металлических обкладок, которым можно пренебречь при расчете. В формуле для вычисления параметра с можно в связи с этим рассматривать такие тепловые сопротивления вместо теплового сопротивления электрода, подставляя взамен толщину указанных изоляционных слоев, а вместо к^ - значение коэффициента теплопроводности этих слоев. Тепловым сопротивлением стенок металлического корпуса, если таковой имеется, можно пренебречь, как и тепловым сопротивлением . обкладок. Если конденсаторная секция представляет собой стопку наложенных одна на другую М пластинок диэлектрика толщиной, di каждая, разделенных обкладками, то для расчета -Епр при тепловом пробое можно пользоваться приведенными выше формулами при условии, что вместо значения d в фор-мулу подставляется сумма всех толщин пластинок диэлектрика, т. е. принимается d = Mdi. При расчете плоскопрессованного намотанного (спирального) конденсатора можно рассматривать его плоскую часть, как многопластинчатый плоский конденсатор и принять d = wdi, где w - число витков, а di - толщина диэлектрика между обкладками. В случае цилиндрического конденсатора выражения для вычисления Епр, е/сж, при тепловом пробое имеют вид: при постоянном напряжении Епр = 4,15/5 ; (1-30) при переменном напряжении с частотой / Enp = 5.52.10e5/Z. . (1-31) Величина параметра с подсчитывается по измененной формуле с--(1-32) где Го - внутренний радиус слоя диэлектрика (радиус внутреннего электрода),.сж; Гх - наружный радиус слоя диэлектрика, см; Г2 - наружный радиус внешнего электрода, см. Обозначения X, Хэ и o.-i - те же, что и раньше. Если цилиндрическая конденсаторная секция представляет собой намотанный конденсатор, то под величиной Го надо понимать радиус намоточной оправки (т. е. радиус внутреннего отверстия в конденсаторе), а под величиной Гу - радиус внешней окружности конденсаторной секции. Вместо толщины диэлектрика в формулы для расчета £пр надо подставлять суммарную толщину изоляции всех витков конденсаторной секции. Пренебрегая толщиной обкладок, можно написать d = -Го. Если секция конденсатора не имеет корпуса и относительно толстого слоя влагозащитного покрытия на поверхности (например, конденсаторы типа дуропласт , керамические трубчатые конденсаторы и т. п.), то, приняв Гг ~ i. получим упрощенное выражение для параметра с: c = 2,35-ilg?-. (1-33) Если на поверхности секции расположен достаточно толстый влагозащитный слой (опрессовка пластмассой, слой облицовочного компаунда) или она помещена в металлический корпус, от стенок которого ее отделяет достаточно толстый слой изоляции, то толщину этого слоя следует рассматривать как толщину электрода и в формуле для расчета параметра с принимать за наружный радиус, а за - коэффициент теплопроводности этого слоя. В обоих рассматриваемых случаях формулы выведены без учета теплоотвода с торцов конденсатора. Поэтому при расчете по данным формулам получается несколько заниженная величина напряжения, при которой возможен тепловой пробой. Так, если при расчете на тепловой пробой получен отрицательный результат, т. е. пробивное напряжение меньше рабочего значения или равно ему, то это еще не означает, что конденсатор обязательно погибнет от теплового пробоя. Однако такой результат указывает на необходимость изготовить опытный образец конденсатора и проверить устойчивость его работы при заданном рабочем напряжении и максимально возможной в эксплуатации температуре окружающей среды. Пример. Рассчитаем напряжение теплового пробоя для металло-бумажного конденсатора при С = 0,5 мкф, номинальном рабочем напряжении 2000 в, температуре 85° С. Найти пробивное напряжение при 100° С. Габаритные размеры и конструкция показаны на рис. 8. Толщина диэлектрика 5 X 10 мк, что с учетом лакировки одного слоя дает суммарную толщину 51 мк; конденсатор собран из четырех секций, соединенных параллельно и поставленных на ребро. Секции изолированы от корпуса / кабельной бумагой толщиной 60 мк и коробочкой из электрокартона толщиной 0,5 мм (вместе обозначены 5). С двух сторон пакета секций поставлены уплотняющие клинья (картон) 2 толщиной 1 мм. Поскольку торцы секций J отделены от узкой стенки корпуса (35 X 50 мм) воздушным зазором 4, представляющим собой большое тепловое сопротивление, можно считать, что основной тепловой поток изнутри конденсатора будет направлен к широкой стороне корпуса (45 X 50 жж), к которой секции плотно прижаты клиньями. Между пакетом секций и дном и между пакетом и крышкой , также будут воздушные зазоры, затрудняющие движение тепла, поэтому можно считать, что конденсатор плоский и использовать при расчете формулу (1-24). Значение параметра с находим по формуле (1-23). Принимаем: толщина диэлектрика для расчета напряжения теплового пробоя равна толщине пакета секций, т. е. 7,5 X 4 = 30 мм или d = 3 см; толщина электрода , т. е. толщина суммарной изоляции от корпуса (кабельная .бумага, коробочка, клин) равна 0,06-[-4-0,5-1- 1 = 1,56 мм или dg- 0,156 см. Коэффициент теплоотдачи = 1 . 10~ emlcM град или = 1 - 10~ 0,24 = 2,4 х X 10 * кал/сек сж град. Коэффициент теплопроводности для пропитанной бумаги (диэлектрик), а также для пропитанного электрокартона принимаем Я, = Яд = 5 Ю~*кал1сек град. Тогда по формуле (1-23)  Рис. 8. К расчету теплового пробоя металлобу-мажного конденсатора. 5 10- 2.4 1СГ* 3 2.5 10- (5 10-4 + 2,4 10-4 0,156) = 0.67. По табл. 1 при с = 0,67 находим ф(с) = 0,32. Для пропитанной бумаги в металлобумажном конденсаторе при повышенной плотности бумаги и неполярной пропиточной массе можно принять е X 4. Измерения постоянной времени показали, что при 100° С и напряжении 1500 в RC=W Mom мкф и Р я 0,03. Находим удельное сопро- тивление диэлектрика при температуре окружающей среды 100° С по формуле (1-25) 10 1018 o-T4 = > = температурный коэффициент а = 2,3 Р = 2,3 0,03 = 0,069. Подставляя Б формулу (1-24) значения d = 3 см, ф(с) = 0,32, Я, = 5 10~* кал/сек х X см град, ро = 2,8 10ом смпа - 0,069, вычисляемЕ^, рассматривая пакет секций как массивный кусок диэлектрика с толщиной, равной толщине пакета. Естественно, что величина для такого толстого образца получилась бы при расчете по исходной формуле (1-21) очень большой, но поскольку при вычислении Ejjp вводится в знаменатель столь же увеличенное значение толщины d, то отношение увеличенного напряжения Uk увеличенной толщине дает нормальное значение 5,8- 0,321/5- 10~* 2,8 10 2,22 10< = 2,81 10* в/см = 28,1 кв/мм. Для нахождения пробивного напр яжения конденсатора при тепловом пробое надо это значение умножить на истинную толщину диэлектрика, разделяющего обкладки конденсатора, т. е. в данном случае на 51 МК или 0,051 мм. Тогда получаем t/np = 28.1 0,051 = 1.43 ке = 1430 е. Таким образом, расчет показал, что в данном случае при повышении температуры от нормального верхнего значения 85° С до 100° С напряжение теплового пробоя оказывается ниже номинального рабочего напряжения конденсатора при 85° С (2000 в постоянного тока). Следовательно, применять данный конденсатор при 100° G можно лишь при значительном снижении допускаемого рабочего напряжения в сравнении с рабочим значением. Вывод формулы ДЛЯ расчета пробивной напряженности при тепловом пробое с учетом теплоотдачи как с широкой, так .и с узкой стороны корпуса (теплоотдача со дна и с крышки не учитывается), применительно к бумажно-масляному конденсатору переменного напряжения, выполнил М. И. Мантров. Полученное им выражение имеет вид: £пр = 1,66 .10 X e/tgBoiVa.,MiV(l+a5)---g- (b,-A,) , ЬА-К (1-34) 3 592 - 33 Здесь S - боковая поверхность охлаждения конденсатора, схл^; Сг - коэффициент теплоотдачи с поверхности корпуса, кал/сексм^-град; а - температурный коэффициент тангенса угла потерь; е - диэлектрическая проницаемость пропитанной маслом бумаги; f - частота, гц; Vac - активный объем изоляции в одной секции, см; М - число параллельно соединенных секций в группе; N - число последовательно включенных групп секций; I - сумма отношений толщин соответствующих слоев, оказывающих тепловое сопротивление, к значениям коэффициента теплопроводности этих слоев, см-град сек/кал; be - ширина секции, см; Ас - толщина секции, см; Kj - коэффициент теплопроводности секций в направлении, перпендикулярном слоям бумаги и фольги, кал/сек см град (поперечный); Я| - коэффициент теплопроводности секций в направлении, параллельном плоскости слоев бумаги и фольги, кал/сек-см-град (продольный) (см. ниже). Отдельные величины, входящие в формулу, определяются следующими выражениями. Активный объем изоляции в секции Va.c = 2W, . (1-35) где &о - ширина фольги, см; I - длина фольги, см; d - толщина бумаги между обкладками, см. Величина где Al и 7,1-толщина и коэффициент теплопроводности стенки бака; Аг и 7,2 - то же, для масляной прослойки между стенкой бака и изоляцией от корпуса; 1 2 3 4 5 6 ... 33 |