книги / Основы конденсаторной техники

При f > f2 сказываются потери в металлических частях конденсатора и tg δ растет с частотой почти линейно, т.е. tg δ ≈ ω C r, тогда

E2 = k22 f12 ;

PRуд = k k22 ε 1f .

При f > f2 удельная реактивная мощность снижается с ростом частоты.

Наилучшее использование конденсатора в области f < f1, где PRуд достигает максимального значения.

Для конденсаторной секции при расчете Cуд (Ф/м3) вводят

поправочный коэффициент, учитывающий влияние обкладок и закраин конденсатора на величину объема:

Суд =8,85 10−12 k εh2 .

Для секции с общим числом обкладок N поправочный коэффициент

где l, b – активная длина и ширина обкладок;

∆l, ∆b – закраина в направлении длины и ширины обкладок;

hоб – толщина обкладки.

Для намотанных спиральных конденсаторов поправочный коэффициент

111

Вслучае металлизированного диэлектрика конденсатора, когда hоб << h, принимаем hоб ≈ 0, и формулы упрощаются.

Вреальных конденсаторах значительную долю объема корпуса занимает вспомогательный диэлектрик и другие кон-

струкционные элементы, их влияние сильно возрастает с уменьшением Cном. Реальные удельные характеристики кон-

денсатора существенно отличаются от теоретических, так как на значение ε и h сильно влияет плотность намотки секций. При малой толщине эта плотность ниже, так как механическая прочность его невелика. Возникающие воздушные зазоры оказываются соизмеримыми по толщине с диэлектриком, что приводит к значительному снижению ε и увеличению общей толщины диэлектрика. Значения CV и qV низковольтных кон-

денсаторов сильно зависят от типа обкладок, так как при малой толщине диэлектрика (до 10…20 мкм) фольговые обкладки занимают значительный объем.

При выборе конденсаторов для конкретных условий применения, помимо оценки допустимости данного режима эксплуатации необходимо учитывать и их массогабаритные характеристики.

В одинаковых электрических режимах могут быть применены различные типы конденсаторов. Поэтому для правильного выбора типа конденсатора важным является сравнение различных конденсаторов по удельным характеристикам для конкретных условий эксплуатации (рис. 63).

Удобной характеристикой для сравнения является удельная реактивная мощность:

112

Cуд = VС.

При несинусоидальном напряжении стандартных форм, при использовании конденсаторов в качестве емкостных накопителей энергии передающих устройств удобной характеристикой для их сравнения является удельная энергия:

113

ЧАСТЬ 2

1. Конденсаторы с газообразным диэлектриком

1.1.Общая характеристика конденсаторов

сгазообразным диэлектриком

Особенности газообразных диэлектриков:

1. Невозможность их использования для закрепленных обкладок, поэтому в конструкции конденсаторов используют дополнительный твердый диэлектрик, служащий для обеспечения требуемого зазора между обкладками разного знака. Наличие твердого диэлектрика создает дополнительную паразитную емкость, включенную параллельно основной емкости

испособную вызвать ухудшение характеристик конденсатора.

2.Восстанавливаемость электрической прочности конденсаторов после пробоя. Однако, если мощность источника энергии велика и пробой может перейти в дугу, то обкладки могут оплавиться и свариться.

Преимущества газообразного диэлектрика: малая прово-

димость, малый tg δ (меньше 10−5 при исключении ионизации), независимость ε от частоты и малая зависимость от температуры, полное отсутствие явления абсорбции (ka = 0), по-

этому газообразный диэлектрик применяют в образцовых конденсаторах и в различных типах высокочастотных конденсаторов.

Недостатки газообразного диэлектрика: низкое значение диэлектрической проницаемости (ε ≈1), необходимость при-

менения больших зазоров между обкладками (при малых напряжениях – из-за конструктивных соображений, при высоких напряжениях – из-за низкой электрической прочности газов при обычных давлениях). Малая ε и сравнительно большое

114

значение hmin приводят к малым значениям удельной емкости Cуд, что ограничивает предельные значения номинальной ем-

кости конденсаторов с газообразным диэлектриком величиной порядка 1000 пФ, редко до 0,01 пФ. При высоком напряжении, даже при небольшой емкости, воздушные конденсаторы исключительно громоздки. В этом случае необходима замена воздуха сжатым газом или вакуумом для повышения электрической прочности.

Газонаполненные конденсаторы нашли себе основное применение при U = 100…500 кВ и выше в качестве образцовых конденсаторов. При использовании газообразного диэлектрика легко осуществить изменение емкости за счет перемещения одной системы обкладок по отношению к другой. Поэтому как воздушные, так и газонаполненные, а также и вакуумные конденсаторы находят себе применение и в качестве конденсаторов переменной емкости.

1.2.Воздушные конденсаторы постоянной емкости

Основным типом современного воздушного конденсатора является образцовый конденсатор низкого напряжения с пло-

скими пластинами круглой формы. В качестве твердого диэлектрика в них использован кварц. Воздушные конденсаторы большей емкости очень громоздки. Конденсаторы плоского типа за счет наличия индуктивности дают заметную погрешность при частотах выше 0,5…1 МГц. Поэтому для применения при высоких частотах были разработаны цилиндрические конденсаторы коаксиальной конструкции. При нагревании происходит деформация пластин, вызывающих отклонение от теоретического ТКЕ. На величину ТКЕ может оказывать влияние недостаточная центровка пластин при сборке.

Вместе с тем преднамеренным смещением пластин при сборке от центрального положения можно получить термоком-

115

вобласти больших давлений. Применение сжатого воздуха

вконденсаторах нерационально, так как при этом резко увеличивается содержание кислорода, что вызывает опасность окисления металлических обкладок при разрядах или появлении короны. Обычно для наполнения конденсаторов применяют азот, реже углекислоту, элегаз или другие электрически прочные газы. Повышенную электрическую прочность газовой изоляции можно получить не только увеличением давления, но и подбором состава газа. Повышенной прочностью обладают электроотрицательные газы, в молекулах которых содержатся атомы галоидов: Cl, Br, F, J, так как отрицательные ионы при ударной ионизации менее подвижны, чем электроны.

Газонаполненные конденсаторы могут применяться и как контурные конденсаторы высокого напряжения при высоких

частотах (≈105...106 Гц). Но у них имеются недостатки: отно-

сительно тяжелая конструкция, массивный корпус; необходимость периодической подпитки газом ввиду его постепенной утечки; недостаточная устойчивость конструкции при перевозках; повышенные потери в металлических частях, так как большой вес металла в конструкции. Эти конденсаторы заме-

117

нены керамическими в электротермических установках. Для радиопередатчиков используют вакуумные конденсаторы.

1.4. Вакуумные конденсаторы

При малых давлениях, т.е. при высоком вакууме электрическая прочность резко возрастает, что используют при изготовлении высоковольтных конденсаторов. Ионизация в газе не влияет на механизм пробоя, когда длина свободного пробега электрона больше величины зазора между электродами. Uпр

в вакууме возрастает с величиной зазора h не прямолинейно, а замедленно:

Uпр = K h0,5 ,

где K – константа, зависящая от материала электродов и состояния их поверхности, если Uпр для медных электродов

принять за 1, то для других металлов оно составляет: Cu – 1; Al – 1,1; Ni – 2,59; сталь – 3,3. При увеличении зазора величина Eпр должна уменьшаться в вакууме. Для повышения Eпр

применяется тщательная полировка поверхности. При изготовлении вакуумных конденсаторов применяют цилиндрические электроды.

Для удаления газов, содержащихся внутри металлических частей конденсатора, после сборки происходит длительный прогрев (1,5…3 ч) при откачке при температуре 500 °С. Готовые конденсаторы тренируют, постепенно увеличивая напряжение, прикладываемое к конденсатору до достижения испытуемого значения. На промежуточных ступенях напряжения происходят отдельные разряды, исчезающие при выдержке на данной ступени. В конце тренировки при Uисп разрядов

не должно быть.

Рабочее напряжение определяется допустимым нагревом и его приходится снижать при увеличении частоты. Для изго-

118

товления электродов используют Cu и Al. Вакуумные конденсаторы имеют более простую и легкую конструкцию, чем газонаполненные, имеют меньшие потери, малый ТКЕ и более устойчивы к вибрациям. Недостатком вакуумных конденсаторов являлась недостаточная механическая прочность стеклянной оболочки. В настоящее время применяют керамическую оболочку, увеличивая при этом механическую прочность и повышая рабочую температуру.

2. Конденсаторы с жидким диэлектриком

Жидкий диэлектрик не может служить опорой для обкладок конденсатора, поэтому в конструктивном исполнении они подобны конденсаторам с газообразным диэлектриком: они должны иметь две системы толстых и механически прочных обкладок, зазор между которыми определяется дополнительной твердой изоляцией. Но в отличие от воздушных конденсаторов конденсаторы с жидким диэлектриком должны иметь герметически закрытый корпус, предохраняющей жидкость, залитую в конденсатор, от попадания в нее влаги и пыли из окружающего воздуха.

Преимущество жидкого диэлектрика по сравнению с воздухом – повышенная ε, позволяющая в несколько раз увеличить емкость конденсатора, а также повышенная электрическая прочность. Но в жидкости наблюдается явление старения жидкости при длительном воздействии электрического поля и повышения температуры. Недостатки: высокий ТКЕ, зависимость

εот частоты для полярных жидкостей. Поэтому конденсаторы

сжидким диэлектриком мало пригодны для использования в стабильных контурах радиоустройств. Конденсатор с жидким диэлектриком можно применять в контурах электротермических устройств, где к стабильности частоты не предъявляется высоких требований.

Применение полярных жидкостей целесообразно, так как ε у них выше, чем у неполярных (нефтяное масло

119

ε = 2,2), но у них tg δ выше и имеется зависимость ε и tg δ от

частоты.

В качестве твердого диэлектрика для крепления пластин используют микалекс. Применяют водяное охлаждение (змеевик), что увеличивает удельную реактивную мощность.

Конденсаторы с жидким диэлектриком в настоящее время не являются перспективными. Жидкий диэлектрик находит применение лишь как дополнительный диэлектрик для пропитки и заливки бумаги и пленочных конденсаторов.

3. Конденсаторы с твердым неорганическим диэлектриком

3.1. Общая характеристика

При использовании твердого неорганического диэлектрика для изготовления конденсаторов его можно применять в качестве основы конструкции, закрепляя на нем обкладки, что очень упрощает конструкцию (обкладки могут быть нанесены и металлизацией, выводы – отрезки проволоки, припаянные к обкладкам).

Неорганические диэлектрики обладают большой нагревостойкостью и твердостью, что обеспечивает неизменность расстояния между обкладками – это способствует стабильности емкости во времени и помогает решить задачу повышения рабочей температуры конденсатора, имеют малое значение ТКЕ, большое значение ε.

Ряд неорганических диэлектриков имеют малый tg δ, что

позволяет использовать их в производстве высокочастотных конденсаторов. Преимуществом неорганических диэлектриков перед органическими является их высокая химическая стабильность. Она обеспечивает отсутствие старения при длительном действии электрического поля и повышении температуры. Однако при высокой температуре и постоянном напря-

120