Падение сопротивления рентгеновской изоляции: решения с помощью влаги и конденсаторов.

Падение сопротивления рентгеновской изоляции: решения с помощью влаги и конденсаторов.

Резюме

Генератор работает четыре года, а затем в сырые дни сообщает об утечке тока на землю. Бак открывается для очистки конденсаторов, и мегомметр обнаруживает сопротивление одной детали в 5 МОм вместо нескольких ГОм. В этой статье рассматриваются четыре механизма, снижающие сопротивление изоляции, три возникающие при этом проблемы в полевых условиях, а также этапы герметизации, очистки и измерения, позволяющие поддерживать значение выше 1 ГОм.

1. Введение

Генератор проработал четыре года, а затем в сырые дни начал сообщать об утечке тока на землю. Бак разобрал, и конденсаторы оказались чистыми: без следов дуги, без нагара, без трещин. Затем мегомметр показал, что сопротивление одной из деталей упало с нескольких ГОм до 5 МОм.

Сопротивление изоляции — это сопротивление между клеммами и корпусом, а также заземляющей плоскостью, измеренное при подаче постоянного напряжения. Оно медленно уменьшается, поэтому не приводит к немедленному отключению. Вместо этого возникают три неисправности. Делитель высоковольтной обратной связи показывает низкое значение, значение в кВ отклоняется от заданного значения, а ток утечки размывает найденный им путь.

Поскольку это изменение происходит на протяжении многих лет и впервые проявляется в теплую, влажную погоду, плановое техническое обслуживание его не замечает. Деталь с сопротивлением 30 МОм проходит все электрические проверки, указанные в руководстве по эксплуатации.

В этой статье рассматриваются четыре механизма, снижающие сопротивление изоляции, три возникающие при этом проблемы в полевых условиях, а также меры предотвращения и измерения, позволяющие поддерживать сопротивление генератора выше 1 ГОм.

2. Основной механизм

2.1 Проникновение влаги и поверхностные пленки

Эпоксидная герметизация не обеспечивает идеальной плотности. В теплом, влажном помещении молекулы воды диффундируют через смолу и скапливаются на керамической поверхности и на границе раздела вывод-герметик. Объемное сопротивление воды составляет около 10⁶ Ом·см, что на шесть-восемь порядков ниже, чем у керамики.

Пленка, соединяющая два проводника, образует параллельный путь утечки:

R_water = ρ · d / A

где ρ — удельное сопротивление воды, d — толщина пленки, A — площадь мостика, а R_water — сопротивление пленки. Пленка толщиной 1 мкм на площади 0.1 мм² дает сопротивление 1 МОм, которое параллельно диэлектрическому сопротивлению в несколько ГОм и доминирует в показаниях.

2.2 Миграция серебра и дендритные пути

Электроды и концевые элементы, содержащие серебро, выделяют ионы под воздействием электрического поля, влажности и тепла. Ионы движутся вдоль направления поля и образуют дендритные каналы. Скорость этого процесса определяется четырьмя переменными:

rate_migration ∝ RH × E × T × t

где RH — относительная влажность, E — напряженность электрического поля, T — температура, а t — прошедшее время. При 85 °C и 85 % относительной влажности, а также напряжении более 100 В на детали, канал образуется в течение сотен часов. Как только дендрит соединяет два электрода, ИК-излучение исчезает, и начинается прерывистое искрение.

2.3 Ионное загрязнение на границе раздела фаз

Флюс, чистящие средства и отпечатки пальцев, оставшиеся на керамической поверхности, образуют проводящую пленку под воздействием длительного электрического поля. Ионы хлорида и натрия концентрируются под действием поля и снижают межфазное сопротивление. Даже 10⁻⁶ г/см² остатка NaCl снижает ИК-излучение на один-два порядка.

2.4 Микротрещины в инкапсуляции и старение диэлектрика

Термоциклирование приводит к растрескиванию эпоксидной смолы на границе раздела, поскольку два материала расширяются с разной скоростью:

τ = E_eff · Δα · ΔT / (1 − ν)

где E_eff — эффективный модуль упругости, Δα — разница коэффициентов теплового расширения, ΔT — перепад температур, ν — коэффициент Пуассона, а τ — межфазное касательное напряжение. Для керамики оно составляет около 6×10⁻⁶/°C, а для эпоксидной смолы — около 30–70×10⁻⁶/°C. При ΔT = 60 °C касательное напряжение достигает нескольких МПа, и тысячи циклов приводят к образованию микротрещин, пропускающих влагу.

Внутри керамики долговременное поле накапливает пространственный заряд и плотность ловушек, образуя медленно растущие пути утечки. Керамика класса II ярко демонстрирует этот эффект. Керамика класса I N4700 не имеет полярных доменов и накапливает меньше пространственного заряда, поэтому ее изоляционное сопротивление сохраняется лучше в течение того же срока службы.

Рис. 1 — Сопротивление изоляции падает с нескольких ГОм при вводе в эксплуатацию до 5 МОм на четвертый год, превышая пороговое значение в 100 МОм.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Неисправность скрыта, и плановые проверки её не выявляют.

Снижение сопротивления от ГОм до МОм занимает годы. Оборудование периодически выдает сигналы тревоги об утечке, демонстрирует небольшой дрейф выходного сигнала или более высокую частоту отказов в сезон дождей. Визуальный осмотр и портативный мультиметр показывают отсутствие утечки, поскольку диапазон измерений слишком мал. В одной больнице компьютерная томография выявила утечку на землю каждое лето в течение трех лет, и оказалось, что неисправность заключалась в фильтрующем конденсаторе с сопротивлением 5 МОм.

Проблема 2: Причина кроется в инкапсуляции и окружающей среде.

Часто утечку тока ошибочно принимают за проблему с номинальным напряжением или коэффициентом разряда, поэтому устанавливают компонент с более высоким напряжением или большего размера. Неисправность возвращается. Снижение сопротивления начинается из-за недостаточной герметизации, высокой влажности окружающей среды, плохой чистоты платы или трещин, возникших в результате термических циклов. Замена одного только конденсатора не устраняет ни одну из этих причин.

Проблема №3: ​​Отсутствие графика профилактического обслуживания приводит к работе устройства со скрытой неисправностью.

В большинстве сервисных программ не предусмотрен интервал измерения сопротивления конденсатора. Деталь с сопротивлением 50 МОм может работать годами. К тому времени, когда ток утечки становится видимым, он уже вызывает коррозию близлежащих проводников и клемм, и ремонт охватывает весь модуль, а не один конденсатор.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Укажите высокогерметичную, низкоабсорбирующую инкапсуляцию.

Выбирайте детали с вакуумной пропиткой эпоксидной смолой и вторичным высокотемпературным отверждением. Вакуумное заполнение закрывает микропоры на керамической поверхности, а отверждение при температуре выше 150 °C в течение более 4 часов повышает плотность сшивки смолы. Водопоглощение остается ниже 0.1%, а скорость проникновения влаги снижается на один-два порядка по сравнению с обычной эпоксидной смолой.

Стратегия 2: Использование электродов из неблагородных металлов для удаления серебряного покрытия.

Внутренние электроды из никеля или никель-меди не содержат серебра, поэтому механизм миграции отсутствует. В деталях HVC N4700 используется конструкция с электродами из неблагородных металлов. В условиях высокой температуры, влажности и магнитного поля скорость миграции практически равна нулю, а сопротивление на границе раздела электрод-диэлектрик сохраняется.

Стратегия 3: Контроль чистоты и создание влагозащитного барьера.

После сборки проведите ультразвуковую очистку платы и поддерживайте остаточную концентрацию ионов ниже 1.5 мкг эквивалента NaCl на см². Защитное покрытие на конденсаторе и выводной области создаст дополнительный барьер. Поддерживайте в высоковольтном отсеке небольшое избыточное давление или используйте осушитель, обеспечивая относительную влажность ниже 60%.

Стратегия 4: Снижение термического напряжения в инкапсулированном материале.

Для устранения несоответствия с керамикой используйте материал для герметизации с коэффициентом теплового расширения ниже 30×10⁻⁶/°C или гибкую систему наполнения. Одновременно снизьте повышение рабочей температуры: диэлектрик с низким коэффициентом диэлектрической проницаемости и короткий тепловой путь к радиатору уменьшат амплитуду циклов и продлят срок службы герметизации.

Стратегия 5: Добавить сопротивление изоляции в график технического обслуживания.

Сопротивление изоляции — это приложенное напряжение, деленное на ток утечки:

R_IR = V / I_leak

где V — напряжение измерения, I_leak — ток утечки, а R_IR — сопротивление изоляции. Измерьте сопротивление между клеммами и корпусом с помощью мегомметра на 1000 В при выключенном питании и полностью разряженном конденсаторе.

Установите три пороговых значения и действуйте по каждому из них: базовое значение для нового оборудования выше 1 ГОм, ниже 100 МОм (контроль при каждом техническом обслуживании), ниже 10 МОм (замена детали). Последовательно включенный высокоомный защитный резистор ограничивает ток разряда во время измерения.

Стратегия 6: Непрерывный отбор проб тока утечки.

Аналогичные измерения можно выполнить в режиме онлайн с использованием делителя напряжения. Установите резистор с большим номиналом между высоковольтной шиной постоянного тока и землей:

V_sense = I_leak · R_sense

где R_sense — резистор выборки, I_leak — ток утечки на землю, а V_sense — напряжение, считываемое схемой мониторинга. резисторы выборки HVRGHP Сопротивление составляет от 1 МОм до 10 ГОм с точностью ±1%, поэтому деталь с сопротивлением 10 МОм преобразует 1 мкА утечки в 10 В на входе монитора. Пороговое значение, установленное на 10% выше базового уровня, вызывает тревогу и переводит техническое обслуживание из стадии ремонта после отказа в стадию замены до него.

Стратегия 7: Регистрируйте показания ИК-излучения в зависимости от влажности и времени года.

ИК-датчик отслеживает влажность окружающей среды, поэтому однократное измерение, проведенное в сухом воздухе, может выглядеть исправным, в то время как та же деталь выйдет из строя в сезон дождей. Запишите показания вместе с температурой в помещении и относительной влажностью и сравните каждое значение с показаниями, полученными в тех же условиях. Тенденция к снижению при одинаковой влажности является сигналом, а не абсолютным числом.

Параметр компонента	Типичное значение	Условие теста
Номинальная мощность (серия HVR)	50 Вт при 70 ° C	алюминиевый корпус, свободный поток воздуха
Значение сопротивления	10 кОм ±5 %	эталонная температура 25 °C
Рабочее напряжение	10 кВ переменного/постоянного тока	(CIJ)
Устойчивость к импульсам	30 кВ при 10 мкс	10 импульсов, класс IEC 60110
Температурный коэффициент (резистивный)	±50 частей на миллион/°C	от −55 °C до +155 °C
сопротивление изоляции	сопротивление выше 1 ГОм при напряжении 1000 В постоянного тока	мин. ползучесть 25 мм
Возможность перенапряжения	100 А при 1 мс	неиндуктивная проволочная обмотка

5. Конденсаторы HVC для обеспечения долговременной стабильности изоляции.

Значение сохраняется, когда герметизация остается герметичной, а электродная система не содержит серебра. Компания HVC производит эти изделия. Диэлектрик класса I N4700 Комплектующие для обеих моделей производятся на собственном заводе площадью 6,000 м² в Дунгуане и охватывают диапазон напряжений от 1 кВ до 150 кВ.

Для резонансного и фильтрующего положений, Конденсаторы дверной ручки HVCT8G Корпус рассчитан на постоянное напряжение 10 кВ при емкости 4700 пФ и крепится непосредственно к шасси винтами M6–M12, что предотвращает контакт уплотнительной поверхности с платой.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• Объемное удельное сопротивление выше 10¹³ Ом·см. Диэлектрик класса I без полярных доменов обеспечивает стабильный ток утечки в течение длительного времени под воздействием электрического поля и не проявляет признаков старения под воздействием поля, характерных для компонентов класса II.
• Водопоглощение ниже 0.1%. Вакуумно-импрегнированная эпоксидная смола с вторичным отверждением предотвращает проникновение влаги в керамический поверхностный слой, поэтому параллельные пути для воды никогда не образуются.
• Электроды из неблагородных металлов без серебра. Удаление серебра устраняет механизм дендритного роста, поэтому граница раздела электрод-диэлектрик остается стабильной в условиях высоких температур и влажности.
• Сопротивление ИК-излучению выше 10 ГОм при 500 В постоянного тока после 1,000 часов при 85 °C и 85 % относительной влажности, со снижением менее чем на 20 %, по сравнению с одним-двумя порядками величины для обычной инкапсуляции.
• Коэффициент DF ниже 0.1% при 100 кГц. Низкий уровень самонагрева обеспечивает стабильную рабочую температуру, что снижает амплитуду термических циклов, приводящих к растрескиванию герметизирующего слоя.
• Частичные разряды ниже 5 пКл при напряжении в 1.5–2 раза превышающем номинальное. Отсутствие внутренних разрядов означает отсутствие путей эрозии внутри диэлектрической стенки в течение десятилетнего срока службы.

Скоординированные компоненты

Выпрямительный каскад находится в той же тепловой и влажностной среде, что и выпрямитель. Быстровосстанавливающиеся высоковольтные диоды В герметичных корпусах они предотвращают добавление собственного обратного тока утечки к измеренному току заземления.

Положения демпфирующих и гасящих колебаний

В тех случаях, когда топология требует наличия демпфирующего контура параллельно выпрямителю, HVR-BSP толстопленочный резистор Поглощает энергию восстановления в герметичном корпусе без добавления длинной открытой свинцовой петли.

Прямая замена

Компоненты HVC N4700 соответствуют электрическим параметрам, надежности герметизации и ИК-стабильности. Vishay HVCC, KEMET, Murata DHS/DHR и TDK UHV/FHV, используются в крупносерийном производстве высоковольтных генераторов для производителей медицинского оборудования, входящих в список Fortune 500.

Доставка и поддержка

Стандартные детали поставляются в течение 4–8 недель, а изготовленные на заказ комплекты для герметизации и монтажа — в течение 6–10 недель, в то время как для указанных выше брендов этот срок составляет 20–30 недель. Инженеры-технологи HVC оказывают поддержку в анализе надежности герметизации, проектировании схем контроля утечек и разработке программ профилактического обслуживания.

Укажите рабочее напряжение, профиль влажности окружающей среды, монтажный чертеж и годовой объем. Компания HVC в течение пяти рабочих дней предоставит вам номер детали, отчет о старении при 85 °C / 85 % относительной влажности, эталонную конструкцию датчика утечек и комплект для оценки с двумя образцами.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Почему сопротивление изоляции снижается через несколько лет, а не сразу?

Потому что каждый механизм снижения характеристик работает медленно. Диффузия воды через эпоксидную смолу занимает от нескольких месяцев до нескольких лет, миграция серебра требует сотен часов при температуре 85 °C и относительной влажности 85%, а растрескивание от термических циклов накапливается в течение тысяч циклов. Показания изменяются от ГОм до МОм в течение нескольких лет, поэтому ни одна отдельная проверка не позволяет это обнаружить.

В2: Какие значения ИК-излучения должны инициировать действие?

Три пороговых значения: базовое значение выше 1 ГОм на новом оборудовании, ниже 100 МОм (контроль при каждом техническом обслуживании), ниже 10 МОм (замена детали). Измерьте сопротивление от клемм до корпуса с помощью мегомметра на 1000 В при выключенном питании и разряженном конденсаторе через высокоомный защитный резистор.

В3: Какой конденсатор в данном случае более стабилен — II или I класса?

В классе I N4700 не является сегнетоэлектриком и не содержит полярных доменов, поэтому при длительном воздействии электрического поля образуется меньше пространственного заряда и плотности ловушек, а удельное объемное сопротивление выше 10¹³ Ом·см поддерживает постоянный ток утечки. В компонентах класса II наблюдается эффект старения под воздействием электрического поля, и их сопротивление падает быстрее при том же напряжении и температуре.

Вопрос 4: Устранит ли замена вышедшего из строя конденсатора утечку?

Только при условии, что на новую деталь будут воздействовать те же условия окружающей среды. Снижение ИК-защиты начинается с недостаточной герметизации, высокой влажности окружающей среды, ионных отложений на плате или трещин от термических циклов. Если причиной является чистота платы или влажность отсека, замена детали может привести к повторной поломке, поэтому необходимо одновременно устранить проблемы с герметизацией и окружающей средой.

В5: Как проверить наличие утечек, не открывая бак?

Установите резистор с большим сопротивлением между высоковольтной шиной постоянного тока и землей и измерьте напряжение на нем: V_sense = I_leak · R_sense. Резистор с сопротивлением 10 МОм преобразует 1 мкА утечки в 10 В. Установите уровень срабатывания сигнализации на 10% выше базового уровня ввода в эксплуатацию, чтобы решение о техническом обслуживании принималось на основе тренда, а не единичного измерения.

В6: Почему неисправность проявляется только летом?

Сопротивление водяной пленки уменьшается с повышением влажности, поэтому показания одной и той же детали будут выше в сухом воздухе и ниже в сезон дождей. Деталь, имеющая сопротивление 300 МОм в январе, может показывать 30 МОм в июле. Записывайте каждое показание при комнатной температуре и относительной влажности и сравнивайте значения, полученные в одинаковых условиях.

7. Рекомендации

1. IEC 60601-1:2005+AMD1:2012, Медицинское электрооборудование — Часть 1: Общие требования к базовой безопасности и основным рабочим характеристикамЖенева: МЭК, 2012.
2. МЭК 60601-2-54, Медицинское электрооборудование — Часть 2-54: Особые требования к базовой безопасности и основным рабочим характеристикам рентгеновского оборудования для рентгенографии и рентгеноскопии.Женева: МЭК, 2018.
3. МЭК 60384-8, Неподвижные конденсаторы для использования в электронном оборудовании — Часть 8: Неподвижные конденсаторы с керамическим диэлектриком, класс 1Женева: МЭК, 2015.
4. МЭК 60068-2-78, Экологические испытания — Часть 2-78: Испытания — Испытательная кабина: Влажное тепло, установившийся режимЖенева: МЭК, 2012.
5. Эриксон Р.В. и Максимович Д., Основы силовой электроники, 3-е изд. Чам: Спрингер, 2020.
6. Мохан, Н., Унделанд, Т.М., и Роббинс, В.П. Силовая электроника: преобразователи, применение и дизайн, 3-е изд. Хобокен, Нью-Джерси: Wiley, 2003.
7. Д.Н. Донахью, М. Пехт, И.К. Ллойд и С. Ганесан, Деградация многослойных керамических конденсаторов под воздействием влагиНадежность микроэлектроники, том 46, № 2-4, стр. 400-408, 2006. https://doi.org/10.1016/j.microrel.2005.05.008
8. Использование низких напряжений для проверки высоковольтных конденсаторов (ток утечки).Форум сообщества EEVblog по электронике, https://www.eevblog.com/forum/testgear/using-low-voltage-levels-to-test-hv-capacitors-leakage-current/ .
9. Сезон дуги и наблюдения за конструкцией доски (техническая заметка о высоковольтном дуговом пробое, остатках флюса и компоновке), Johanson Dielectrics, Inc., https://www.johansondielectrics.com/docs/3939/arc-season-and-board-design-observations.pdf .
10. Зинке, О., и Зайтер, Х., Widerstände, Kondensatoren, Spulen und ihre Werkstoffe, 2. Ауфл. Берлин: Спрингер, 1982.
11. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Технические ресурсы по высоковольтным керамическим конденсаторамhttps://www.hv-caps.com