книги / Основы конденсаторной техники

18. Оценка электрической прочности конденсаторов

Для оценки электрической прочности конденсаторов применяют следующие значения напряжения:

Uпр – пробивное напряжение, которое выводит конденса-

тор из строя;

Uисп – испытательное напряжение, которое конденсатор должен выдержать, не пробиваясь в течение определенного промежутка времени (по ГОСТу). Воздействию Uисп подвергается каждый конденсатор;

Uраб – рабочее напряжение, при котором конденсатор может надежно работать длительное время. Uраб указывается

в маркировке конденсатора, где его называют номинальным

Uном.

запас электрической прочности при испытании конденсатора. Для конденсаторов с органическим диэлектриком, заметно снижающим свою электрическую прочность с течением времени, применяют большие запасы электрической прочности:

К1 ≥10 и Uисп = 3Uраб.

Для конденсаторов с газообразным и твердым неорганическим диэлектриком, в которых явление старения диэлектрика отсутствует или выражено слабее, значения Uпр, Uисп

и Uраб сближаются. Uисп = (1,5...2,0)Uраб.

В конденсаторах с металлизированным диэлектриком в связи с их способностью к самовосстановлению при пробое

91

значение Uраб лежит ближе к Uпр, чем у конденсаторов с об-

кладками из фольги. Для них Uисп =1,5Uраб.

Для электролитических конденсаторов испытания на пробой не применяют, так как оксидные слои в этих конденсаторах используются на пределе.

19. Кратковременная электрическая прочность конденсаторов

Кратковременная электрическая прочность конденсаторов характеризуется значениями Uпр и Eпр, полученными при бы-

стром испытании. Она зависит и может изменяться от ряда факторов конструктивного характера и вызванных внешними влияниями.

Необходимо иметь в виду, что электрическая прочность, определенная на образцах диэлектрика, может отличаться от тех значений, которые можно получить в конденсаторе, изготовленном из этого диэлектрика, причем они будут всегда ниже. Электрическая прочность зависит от толщины диэлектрика.

При испытании образцов диэлектрика в условиях однородного поля удается получить линейную зависимость Uпр от

толщины и соответственно независимость Епр от толщины диэлектрика (рис. 52).

Рис. 52. Зависимость пробивного напряжения (а) и пробивной напряженности (б) твердого диэлектрика от толщины для однонородного поля

92

C точки зрения повышения кратковременной Епр конден-

сатора выгоднее снижать толщину диэлектрика между обкладками, применяя ряд секций с тонким диэлектриком, соединенных последовательно, чтобы обеспечить нужную величину Uраб. Однако при уменьшении толщины диэлектрика до очень

малых значений возникает опасность появления в нем слабых

в одном из слоев имеется слабое место, образованное прово-

дящей частицей толщиной х (рис. 54). Отношение х = a. h1

Пренебрегаем искажением поля возле частицы и считаем, что ее величина скажется лишь на снижении общей толщины изоляции. Пусть Eн – электрическая прочность здоровых сло-

ев диэлектрика. Тогда Uпр изоляции с одним поврежденным слоем можно определить по формуле

94

идти до некоторого критиче-

ского значения nкр; далее начинается уменьшение Епр. Величина nкр зависит от толщины отдельных слоев и от площади

обкладок конденсатора.

Для получения максимальной величины Епр следует брать оптимальное число слоев nкр. Это можно осуществить в кон-

денсаторах высокого напряжения, собирая их из последовательно соединенных секций с таким расчетом, чтобы толщина диэлектрика в каждой секции была оптимальной, т.е. обеспечивала бы наивысшее значение Епр. Увеличение площади об-

кладок вызывает снижение кратковременной прочности конденсаторов, особенно при малых толщинах диэлектриков, за счет увеличения вероятности попадания слабых мест между обкладками.

20. Тепловой пробой

Формулу для расчета пробивного напряжения Uпр при те-

пловом пробое для плоского конденсатора с обкладками неограниченных размеров можно представить в виде

где σ – коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2·К);

95

h – толщина диэлектрика, м; f – частота, Гц;

tg δ0 – тангенс угла потерь диэлектрика при t0 ;

αtgδ – температурный коэффициент тангенса угла потерь,

K−1.

Действующее значение пробивного напряжения Uпр (кВ) на переменном токе определяется формулой

где λ – удельная теплопроводность диэлектрика, Вт/(м·К); ϕ(с) – функция параметра с, характеризующего влияние

геометрических размеров конденсатора и условий его охлаждения на величину Uпр. Ее находят по графику (рис. 56) для

значения аргумента с, определяемого выражением

где λэ – коэффициент теплопроводности материала электродов, Вт/(м·К);

αт – коэффициент теплоотдачи из диэлектрика в металл

электродов, Вт/(м2·К);

h – толщина диэлектрика, см;

hэ – толщина электрода (обкладки);

В пределе ϕ(c) стремится к значению 0,663.

Если конденсаторная секция состоит из наложенных друг на друга N пластинок диэлектрика, толщиной h1, то для расчета Uпр при тепловом пробое можно пользоваться той же фор-

мулой (27) при условии, что вместо значения h в формулу подставляется сумма всех толщин диэлектрика, т.е. h = N h1. Если

96

конденсатор плоско прессованный спиральный, то h = 4W h1, где W – число витков; h1 – толщина диэлектрика между обкладками.

Рис. 56. Зависимость ϕ(с)

В реальных характеристиках условия теплоотвода более благоприятны, чем предусматривает теоретический расчет, так как теплоотдача идет не только в направлении, перпендикулярном плоскости обкладок, но и в направлении, параллельном этой плоскости. Поэтому значения Uпр получаются несколько

заниженными.

21. Ионизационный пробой

Ионизационный пробой в конденсаторах с твердым диэлектриком может проявляться в широком интервале времени воздействия напряжения. Развитие этого пробоя связано с наличием в диэлектрике конденсатора воздушных (газовых) включений, обусловленных пористостью диэлектрика или наличием зазоров между диэлектриком и обкладками.

Если часть общего напряжения, приходящаяся на долю воздушного включения, превысит пробивное напряжение воз-

97

духа в этом включении, то в нем начнется процесс ионизации, т.е. система следующих друг за другом разрядов. О начале этого процесса можно судить по перегибу кривой tg δ = f (U ).

Значение напряжения, приложенного к конденсатору Uи, при

котором начинается ионизация воздушных включений, называют ионизирующим напряжением, а соответствующее ему значение Еи – ионизирующей напряженностью.

При ионизирующем пробое очагом зарождения пробоя является газовое включение в твердом диэлектрике.

После пробоя газа в газообразном включении происходит пробой той части твердого диэлектрика, которая примыкает к включению, за счет разрушения твердого вещества. Факторами разрушения твердого вещества являются: повышенная температура, бомбардировка заряженных частиц и химическое разрушение диэлектрика при воздействии на него продуктов ионизации воздуха – азота и окислов азота.

Рассмотрим диэлектрик, содержащий воздушное включение (рис. 57).

Рис. 57. Схема конденсатора, содержащего воздушное включение между обкладками: С1 – емкость воздушного включения; С2 – ем-

кость изоляции, отделяющей включение от обкладок; С3 – емкость остальной части изоляции; U1 – напряжение на воздушном включении; U2 – напряжение на «здоровой» части диэлектрика; U – полное напряжение, приложенное к конденсатору

98

(при отсыревании или нагревании конденсатора), то количество вспышек ионизации в единицу времени резко возрастает и интенсивность может быть такой же, как и при переменном напряжении. Обычно напряжение ионизации при постоянном напряжении больше напряжения ионизации при переменном напряжении (рис. 59): Eи и Eпр можно повысить, если заме-

нить воздух в порах диэлектрика или в зазорах между слоями диэлектрика, диэлектриком и обкладкой изоляционной жидкостью, т.е. произвести пропитку конденсатора. Тогда формула (28) примет вид

100