книги / Основы конденсаторной техники

емкости и удельной энергии. Диапазон значений Сном резко

расширен по сравнению с конденсаторами с неорганическим диэлектриком;

3) возможность механизации процесса.

Основные недостатки органических диэлектриков:

1)меньшая нагревостойкость по сравнению с неорганическими материалами;

2)повышенный коэффициент линейного расширения, что увеличивает деформацию при колебаниях температур, а следовательно, появляются необратимые изменения емкости;

3)низкая стабильность емкости.

Органическим диэлектрикам свойственно старение, поэтому запас по электрической прочности у них больше и соответственно снижено значение Eраб.

Бумага и полярные синтетические пленки обладают относительно высокими потерями, поэтому конденсаторы из них применяются для работы на постоянном напряжении или напряжении низкой частоты. Неполярные синтетические пленки имеют малый tg δ, поэтому конденсаторы из них могут ис-

пользоваться при высоких частотах. Особенностью неполярных пленок является высокое удельное сопротивление, что позволяет получить конденсаторы с высокой постоянной времени. Конденсаторы с диэлектриком из неполярных пленок имеют малый коэффициент абсорбции, что делает их незаменимыми в счетно-решающей и измерительно-информационной технике.

Конденсаторы с твердым органическим диэлектриком можно разделить на бумажные и пленочные.

9. Конденсаторная бумага

Конденсаторная бумага остается основным типом твердого органического диэлектрика, так как обладает высокими

151

значениями электрической и механической прочности, относительной дешевизной и неограниченной сырьевой базой.

Для изготовления бумажных конденсаторов применяют специальную бумагу, отличающуюся весьма малой толщиной, малым содержанием неорганических примесей и выпускаемую с различным значением плот-

20…50 % воздуха (по объему) и 6…10 % воды (по массе). Выпускается 4 типа конденсаторной бумаги со следую-

щим объемным весом (плотностью), кг/м3:

Бумага должна быть однородной и содержать минимальное количество структурных дефектов. Недостатком бумаги является неизбежное присутствие в ней некоторого количества токопроводящих включений (ТПВ) в виде частиц угля, а также железа и меди или их окислов. В случае тонкой конденсаторной бумаги размеры этих частиц могут быть соизмеримы

152

с толщиной бумаги, т.е. они могут давать сквозное короткое замыкание листа.

Для улучшения электрических характеристик бумаги проводят ее сушку под вакуумом и пропитку жидким диэлект-

и плотность клетчатки γк:

Х=1− γ .

γк

153

Для сухой непропитанной бумаги εп =1, тогда

ε= ( ε)к . Например, для бумаги типа КОН08 Х = 0,49

εк −1 Х +1

иε =1,8; КОН1 Х = 0,35 и ε = 2,2; КОН2 Х = 0,22 и ε = 2,9.

Таким образом, непропитанная бумага имеет ε значительно ниже, чем клетчатка, за счет последовательного включения слоев воздуха, заполняющего поры. У пропитанной бумаги εп >1, поэтому ε бумаги тоже возрастает. В пределе при

εп →∞ величина ε пропитанной бумаги стремится к некоторому конечному значению:

lim εεп→∞ =1−εкХ .

Для бумаги КОН08 lim ε =12,8; КОН1 lim ε =10; КОН2 lim ε =8,3.

Формула (2) соответствует полному заполнению пор бумаги жидким диэлектриком. Можно найти выражение, связывающее угол потерь конденсаторной бумаги с величиной угла потерь клетчатки и вещества, заполняющего поры в бумаге. Для сухой непропитанной бумаги получим

Эта формула показывает, что при увеличении Х, т.е. при снижении плотности бумаги γ, следует ожидать снижения уг-

ла потерь.

Зависимость угла потерь конденсаторной бумаги от температуры при частоте 50 Гц при различной диэлектрической проницаемости вещества, заполняющего поры в бумаге, представлена на рис. 10.

Исходя из последовательной эквивалентной схемы, можно представить, что пробой конденсаторной бумаги при перемен-

154

С ростом плотности бумаги электрическая прочность растет. С увеличением толщины бумаги электрическая прочность падает (рис. 11).

Епр Епр

γ h

Рис. 11. Зависимость электрической прочности сухой непропитанной конденсаторной бумаги от ее плотности и толщины

155

После пропитки электрическая прочность бумаги возрастает, так как увеличивается значение Uпр.п. Увеличение εп да-

ет улучшение однородности распределения напряжения между порами и клетчаткой, что способствует повышению электрической прочности.

В случае постоянного напряжения распределение напряжения между Ск и Сп будет определяться значениями прово-

димостей. Проводимость пропиточных масс обычно выше, чем клетчатки, поэтому основная доля напряжения приходится на волокна клетчатки. При постоянном напряжении бумага с большей плотностью сохраняет свое преимущество перед бумагой с меньшей плотностью, как при кратковременном, так и при длительном воздействии напряжения (рис. 12).

Рис. 12. Влияние плотности бумаги на характер зависимости электрической прочности бумажного конденсатора от времени воздействия: постоянного (а) и переменного (б) напряжения; бумага 1 имеет выше плотность, чем бумага 2

При переменном напряжении преимущество более плотной бумаги сохраняется лишь при кратковременном действии напряжения, так как благодаря меньшим потерям в менее плотной бумаге снижается перегрев конденсатора, что замедляет старение, а так как ионизационные процессы развиваются медленнее при снижении плотности бумаги, облегчается рассасывание газов, выделяющихся при этих процессах. Практи-

156

чески бумага с плотностью 1200 кг/м3 предназначена для работы при постоянном напряжении, а бумага с плотностью

1000 и 800 кг/м3 – при переменном напряжении, причем первая из них – при пропитке нефтяным маслом, а вторая – при пропитке полярными хлорированными жидкостями. Для постоянного напряжения желательно даже иметь бумагу с еще

большей плотностью порядка 1300 кг/м3 , которая может дать дополнительное повышение Епр; увеличение потерь у такой

бумаги при постоянном напряжении не опасно. Поэтому конденсаторная бумага марок КОН08 и КОН1 применяется при работе на переменном напряжении, а КОН2 и КОН3 – на постоянном напряжении.

9.1. Технология изготовления бумажных конденсаторов

Первой операцией в производстве бумажных конденсаторов является намотка конденсаторных секций, которую проводят на специальных намоточных станках из лент бумаги и алюминиевой фольги, сматывающихся с рулонов, закрепленных на осях станка. Для конденсаторов с небольшими номинальными емкостями применяют цилиндрические секции, намотанные на оправку малого диаметра 1,5…3 мм. Оправка имеет устройство для закрепления концов бумажных лент и фольги в начале намотки. При изготовлении силовых конденсаторов большой емкости применяют плоскопрессованные секции; в этом случае используют оправку большого диаметра 20…60 мм, и снятую с оправки секцию сжимают, придавая ей плоскую форму. Сильно сжатые плоские секции дают несколько большую удельную емкость, чем цилиндрические, несколько повышается и электрическая прочность. Если применяется намотка со скрытой фольгой и вкладными контактами, то приходится останавливать станок примерно на середине намотки, для того чтобы вложить выводные контакты в секцию.

157

Намотка представляет собой ответственную операцию. Брак при намотке (обрыв ленты или фольги, складки, морщины, перекосы лент) может стать причиной пробоя одной из секций конденсатора в условиях эксплуатации.

Цилиндрические секции после намотки поступают на сборку в корпуса. Плоские секции требуют предварительной запрессовки в пакеты, если конденсатор собирается из ряда секций. При этом необходимое количество секций собирается в стопку, которую механически сжимают до заданных размеров и закрепляют металлическими хомутами или изоляционными планками для сохранения размеров и формы.

При использовании жидких пропиточных масс сушка и пропитка производятся после сборки конденсаторных секций в корпусах и припайки верхней крышки с изоляторами. В последней оставляется отверстие, через которое уходят пары воды при сушке и входит пропиточная масса при пропитке. По окончании пропитки после охлаждения конденсатора до некоторой заданной температуры это отверстие запаивается. При изготовлении небольших конденсаторов со стеклянными проходными изоляторами в качестве пропиточных отверстий используются зазоры между стенкой трубки изолятора и выводным проводником, пропущенным через эту трубку. Впаивание проводника в трубку производится при этом после пропитки, одновременно с припайкой выводного лепестка.

Сушка и пропитка бумажных конденсаторов является наиболее ответственными этапами технологии, от которых зависит качество готовых конденсаторов. Основной задачей сушки является максимальное удаление воды, содержащейся в конденсаторе. Количество воды, остающееся в бумаге после сушки до установившегося состояния, является функцией двух основных факторов: температуры и давления в сушильном ба-

ке (рис. 13).

Когда содержание воды в бумаге снизится до установившейся величины qост, соответствующей заданным значениям

158

температуры и давления, то qост, %

мосферном давлении, а затем в вакууме, то время сушки уменьшается. Обычная сушка при атмосферном давлении произво-

τ =50 ч.

Для интенсификации сушки применяют сушку с внутренним обогревом обкладок конденсатора током частотой 50 Гц. При этом время сушки уменьшается до 5…6 ч. При окончательной вакуумной сушке температура порядка 140 °C и оста-

точное давление 0,3…0,5 мм рт. ст. принимаются в производстве небольших конденсаторов постоянного напряжения. Время сушки составляет около 24…48 ч.

159