Балансировочные резисторы и конденсаторы N4700 для цепей высоковольтных умножителей.

Балансировочные резисторы и конденсаторы N4700 для цепей высоковольтных умножителей.

Резюме

Генератор на трансформаторах тока достигает напряжения от 80 до 160 кВ через многоступенчатый умножитель, а десятки последовательно соединенных конденсаторов делят это напряжение. Допуски по емкости, температурный градиент, старение и асимметрия компоновки переносят нагрузку на несколько ступеней. В этой статье приводятся математические расчеты делителя в установившемся режиме, ограничения по разрядным резисторам, ограничение по RC-балансировке при импульсной нагрузке и шесть этапов проектирования, позволяющих поддерживать напряжение на каждой ступени в пределах номинальных параметров.

1. Введение

Генератор высокого напряжения с трансформатором тока повышает переменный ток сетевой или среднечастотной сети до постоянного тока напряжением 80 кВ, 140 кВ или 160 кВ с помощью многоступенчатого умножителя. В блоке умножителей находятся десятки последовательно соединенных конденсаторов, поэтому на каждый из них подается напряжение от нескольких киловольт до чуть более десяти киловольт.

Если бы каждый конденсатор имел одинаковую емкость, одинаковый ток утечки и одинаковые потери, напряжение делилось бы равномерно. Однако допуски партии, температурный градиент, старение и асимметричная компоновка нарушают это предположение. В этом случае один из каскадов работает выше номинального напряжения, и локальное перенапряжение вызывает частичный разряд и пробой диэлектрика.

В каждый каскад параллельно включен разрядный резистор, который частично выполняет функцию балансировки. Слишком высокое сопротивление замедляет динамическое выравнивание, а слишком низкое сопротивление приводит к расходу статической энергии и нагреву масляного бака. Кроме того, лампа нагружает цепь импульсами, поэтому значения резисторов и конденсаторов определяют и распределение динамических нагрузок.

В данной статье выводится соотношение делителя напряжения, предельные значения сопротивления и шесть этапов проектирования, позволяющих удерживать каждый каскад в пределах его номинальных параметров.

2. Основной механизм

2.1 Деление напряжения в установившемся режиме в идеальной цепи

В схеме Кокрофта-Уолтона N-каскадная схема поддерживает примерно пиковое входное напряжение на каждом конденсаторе без нагрузки. Под нагрузкой суммарные напряжения на каскадах дают выходное напряжение:

V_out = N · V_C.

где V_out — выходное напряжение в кВ, N — количество эффективных каскадов, а V_C — среднее напряжение на каскад в кВ. Выходное напряжение 140 кВ на 12 каскадах дает 11.7 кВ на каскад.

Допуск по емкости — это то, где идеальная картина нарушается. Заряд одинаков на каждом этапе последовательной цепи, а напряжение обратно пропорционально емкости:

V_i = Q / C_i = V_out · (1/C_i) / Σ(1/C_j).

где Q — последовательный заряд в нКл, C_i — емкость на стадии i в нФ, Σ(1/C_j) — сумма обратных емкостей, а V_i — напряжение на стадии i в кВ.

Возьмите один каскад с напряжением на 10% ниже номинального при C_min = 0.9·C_nom, а остальные — при номинальном. Этот каскад потребляет примерно в 1.1 раза больше среднего напряжения, поэтому при напряжении 11.7 кВ он достигает 12.9 кВ. В этом случае конденсатор на 13 кВ имеет запас прочности менее 0.8 кВ, который расходуется на повышение температуры, старение и пульсации.

2.2 Статическое выравнивание с помощью разрядных резисторов

В установившемся режиме балансировочный резистор R_b, включенный параллельно каждому каскаду, отвечает за коэффициент заполнения делителя:

V_i / V_j = R_i / R_j.

где R_i и R_j — сопротивления двух каскадов в МОм, а V_i и V_j — результирующие напряжения каскадов в кВ.

Одинаковые резисторы обеспечивают равенство напряжений на каскадах, и распределение напряжений перестает соответствовать допуску по емкости. Значение резистора должно быть значительно ниже сопротивления утечки конденсатора:

R_b << R_leak_min.

где R_leak_min — наименьшее сопротивление изоляции конденсатора в МОм. Высоковольтные керамические конденсаторы имеют сопротивление изоляции выше 10⁴ МОм при номинальном напряжении и температуре 125 °C, поэтому R_b обычно находится в диапазоне 1–10 МОм.

Более низкое сопротивление обеспечивает лучшее выравнивание и снижает статические потери:

P_R = V_C² / R_b.

где P_R — сопротивление резистора в Вт, V_C — напряжение каскада в кВ, а R_b — сопротивление разрядника в МОм. Один каскад при 12 кВ с сопротивлением 2 МОм рассеивает 72 Вт, а 12 каскадов достигают 864 Вт. Это серьезная тепловая нагрузка для герметичного масляного бака, поэтому R_b представляет собой компромисс между выравниванием и тепловыделением.

2.3 Динамическое выравнивание RC при импульсной нагрузке

Во время облучения КТ-аппаратом ток в цепи составляет от десятков до сотен миллиампер, поэтому напряжение на электронном столике падает в течение миллисекунд и восстанавливается между облучениями. Постоянная времени столика определяет как скорость восстановления, так и динамическую балансировку:

τ = R_b · C_eq.

где R_b — сопротивление разрядного контура в МОм, C_eq — эквивалентная емкость на каскад в мкФ, а τ — постоянная времени перебалансировки в мс.

Большая постоянная времени приводит к дисбалансу при переходе от одного ракурса к другому, что проявляется в виде пульсаций напряжения и шума изображения. Ограничение проектирования:

τ < T_exp / 3.

где T_exp — период экспозиции в мс, а τ — постоянная времени перебалансировки в мс. Период экспозиции 10 мс устанавливает τ ниже 3.3 мс. При C_eq = 100 пФ сопротивление R_b должно оставаться ниже 33 МОм; при C_eq = 1 нФ сопротивление R_b должно оставаться ниже 3.3 МОм. Это ограничение, а также предел статических потерь определяют диапазон использования.

Температурный коэффициент резистора добавляет к этому дрейф. Резистор с температурным коэффициентом ±200 ppm/°C при повышении температуры на 50 °C сдвигает сопротивление на ±1%, что приводит к перемещению делителя на ±1%. В системе 140 кВ это составляет отклонение каскада на 1.4 кВ, чего достаточно, чтобы довести краевой каскад до предела его возможностей.

Рис. 1 — 12-ступенчатая цепь на 140 кВ подает 11.7 кВ на каждую ступень; ступень с пониженным на 10% напряжением подает 12.9 кВ, поэтому остаточное напряжение обеспечивается разрядным устройством сопротивлением 2 МОм.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Последовательное соединение увеличивает допуск конденсатора.

Допуск на емкость ±5% выглядит безобидным на бумаге, но в последовательной цепи распределение напряжения очень чувствительно к нему. Часто специалисты проверяют общее выдерживаемое напряжение и не рассматривают значение для каждой ступени отдельно. Одна модель трансформатора тока в высокогорной больнице через два года выдала ошибку, связанную с дисбалансом высокого напряжения. Конденсатор 7-й ступени потерял 15% своей емкости из-за частичного разряда, после чего соседние ступени последовательно вышли из строя.

Проблема 2: разрядные резисторы становятся источником тепла.

Рассеиваемая мощность резистора возрастает пропорционально квадрату напряжения. В системе 140 кВ даже 30 Вт на ступень в сумме дают 360 Вт на 12 ступеней. Когда масляный бак не может отводить это тепло, температура масла повышается, сопротивление изоляции конденсатора падает, дисбаланс рассеяния увеличивается, и контур самоусиливается. В одном из случаев эксплуатации температура масла повысилась с 45 °C до 75 °C, сопротивление изоляции упало примерно на порядок, и сработала защита от перенапряжения.

Проблема 3: Моделирование в стационарном режиме скрывает динамический дисбаланс.

В большинстве случаев при проектировании используется моделирование постоянного тока или низкочастотного стационарного режима, а реальное воздействие КТ представляет собой высокочастотный импульс. Во время импульса неравные начальные напряжения создают неравные разрядные токи. В течение интервала покоя резисторная сеть имеет мало времени для перераспределения заряда. Затем напряжение на этапе сканирования перемещается асинхронно внутри одной последовательности сканирования, и прототип, прошедший испытания в стационарном режиме, выдает сигнал тревоги о перенапряжении через несколько минут сканирования.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Ужесточить допуск конденсатора до ±3%.

Коэффициент дисбаланса в последовательной цепочке составляет приблизительно:

k_unbalance ≈ (ΔC/C) · (n − 1) / n.

где ΔC/C — относительный допуск емкости, n — количество последовательных ступеней, а k_unbalance — максимальное отклонение ступени от среднего значения. Переход от допуска ±10% к ±3% снижает максимальное отклонение примерно с 10% до 3%. HVC поддерживает разброс партий в пределах ±3% для деталей N4700 за счет контроля размера частиц диэлектрика и контроля профиля обжига, а также сортирует и объединяет детали по запросу.

Стратегия 2: Выберите вариант с кровотечением при наличии двух ограничений.

Работайте последовательно. Сначала ограничьте R_b ниже 0.1·R_leak_min, исходя из требований к теплоизоляции. Затем ограничьте R_b ниже T_exp/(3·C_eq), исходя из динамических требований. Наконец, проверьте P_R = V_C²/R_b на соответствие пределу теплопередачи бака.

В каскадах с напряжением около 10 кВ обычно требуется сопротивление 2–5 МОм. Более высокое напряжение каскада или больший эквивалентный конденсатор (C_eq) снижают это значение, что требует использования высокомощных металлооксидных компонентов с запасом мощности не менее 50%.

Стратегия 3: Согласование температурных коэффициентов

Несоответствие температурного коэффициента сопротивления (TCR) резисторов и конденсаторов изменяет коэффициент деления по мере нагрева контура. Используйте резисторы из одной партии и одного класса TCR, и распределите их физически, чтобы тепло не концентрировалось. Конденсатор класса I N4700 выдерживает ±30 ppm/°C в диапазоне от −55 °C до +125 °C, что минимизирует дрейф делителя, вызванный нагревом.

Стратегия 4: Установите узел частичного разряда на каждой последовательной ветви.

Подключите небольшой конденсатор к каждому ключевому каскаду и отслеживайте сигнал разряда. Установите пороговое значение срабатывания сигнализации на уровне PD ≤ 5 пКл. Увеличение частичного разряда указывает на каскад, в котором происходит перенапряжение или деградация диэлектрика, и сигнал тревоги срабатывает до того, как произойдет отказ каскада. Компания HVC предоставляет тестовые приспособления с низким фоновым уровнем и калибровку частичных разрядов для этой проверки.

Стратегия 5: Заменить электрическую модель электротермической моделью.

Создайте трехмерную электротермическую модель, включающую нагрев резистора, конвекцию в масле и температурную зависимость сопротивления изоляции. Выполните типичную последовательность экспозиции, например, 0.5 с вращения с последующей паузой в 1.5 с, и оцените распределение температуры и напряжения в установившемся режиме после 10 минут непрерывного сканирования.

Необходимо поддерживать отклонение напряжения на каждом этапе в пределах 5 % и температуру сердечника каждого конденсатора на уровне 85 °C или ниже. HVC предоставляет кривые зависимости коэффициента напряжения и тангенса угла диэлектрических потерь (tanδ) от температуры в качестве входных данных для моделирования.

Стратегия 6: Перед сборкой проведите тестирование и сопоставьте компоненты.

Для выявления ранних отказов каждую партию подвергают испытанию при напряжении, в 1.2 раза превышающем номинальное, и температуре 85 °C в течение 96 часов. Затем проводят сортировку по измеренной емкости, току утечки и потерям, и собирают каждый каскад из подобранных компонентов. HVC поддерживает полную проверку AQL 0.25 или выборочный контроль C=0 и поставляет отчеты о высокотемпературной проверке с картами распределения электрических параметров для каждой партии.

Разместите соответствующие компоненты на одной строке. HVR-BSP толстопленочные резисторы и резисторы выборки HVRGXP закройте сливное отверстие и разделитель, и быстровосстанавливающиеся высоковольтные диоды покрывает выпрямительный каскад умножителя.

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 в течение 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 в течение 1 мс	неиндуктивная проволочная обмотка

5. Конденсаторы HVC N4700 для цепей умножителей.

В цепочке умножителей один слабый каскад ограничивает всю систему, поэтому стабильность емкости, температурная стабильность и долговременная надежность определяют срок службы оборудования. HVC-конструкции N4700 Комплектующие класса I для высоковольтных источников питания медицинского назначения, выпускаемые собственным заводом площадью 6,000 м² в Дунгуане, рассчитаны на диапазон напряжений от 1 кВ до 150 кВ.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• Эффективная плотность тока (DF_eff) ниже 0.15% при 100 кГц и 25 °C. Низкие потери обеспечивают незначительное повышение температуры при импульсном заряде и разряде.
• Напряжение VCC в пределах ±1% при номинальном напряжении. Емкость сохраняет свое значение во всем диапазоне нагрузок, поэтому делитель остается стабильным.
• Частичные разряды не превышают 5 пКл при напряжении, в 1.5 раза превышающем номинальное. Низкий уровень разрядов продлевает срок службы изоляции масляного бака.
• Стабильность партии в пределах ±3%. Небольшой разброс результатов при сортировке и парной обработке затрудняет проектирование дренажного устройства и приводит к преждевременным отказам в эксплуатации.
• Вводная перекрестная ссылка. Серия заменяет собой Свинцовые трансформаторы Murata DHS/DHR, Vishay HVCC и TDK при совпадении электрических параметров.
• Скоординированное оборудование. Винтовые клеммные конденсаторы HVCT8G и пленочные конденсаторы Удлините цепь в тех случаях, когда каскаду требуется большая емкость, чем может обеспечить дисковый компонент.

Доставка и поддержка

Стандартные детали отгружаются в течение 4–8 недель, а отсортированные или парные партии — в течение 6–10 недель, по сравнению с 20–30 неделями для указанных выше брендов. Инженеры-разработчики HVC оказывают поддержку в моделировании цепей умножителей, выборе разрядных резисторов и анализе отказов.

Отправьте топологию цепи, количество каскадов, выходное напряжение, протокол экспозиции и размер контура. HVC в течение пяти рабочих дней предоставит таблицу согласования конденсаторов с данными о распределении емкости, результатами скрининга частичных разрядов и комплектом для оценки из двух образцов.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Какое перенапряжение вызывает допуск по емкости в 5%?

Примерно 5% от среднего напряжения каскада, до учета старения и температуры. Распределение определяется формулой V_i = V_out · (1/C_i) / Σ(1/C_j), поэтому каскад, напряжение которого на 10% ниже номинального, требует примерно в 1.1 раза больше среднего значения. При напряжении 11.7 кВ это составляет 12.9 кВ, что оставляет менее 0.8 кВ запаса на участке с напряжением 13 кВ. Допуск плюс старение превращают один слабый каскад в цепную реакцию.

В2: Как выбрать значение сопротивления прокачке?

Примените два ограничения последовательно. Исходя из сопротивления изоляции, R_b должно быть значительно ниже R_leak_min, обычно менее чем в 0.1 раза меньше. Исходя из динамической балансировки, τ = R_b·C_eq должно оставаться ниже одной трети периода воздействия, что устанавливает R_b ниже 33 МОм при 100 пФ и ниже 3.3 МОм при 1 нФ. Затем проверьте P_R = V_C²/R_b на соответствие пределу теплопередачи бака. Для ступеней, близких к 10 кВ, обычно требуется 2–5 МОм.

В3: Почему потеря статического напряжения является проблемой в нефтяном резервуаре?

Поскольку бак герметичен, каждый ватт остается внутри него. Одна ступень при 12 кВ и 2 МОм рассеивает 72 Вт, а 12 ступеней достигают 864 Вт. Масло нагревается, сопротивление изоляции конденсатора падает, дисбаланс рассеяния увеличивается, и контур самоподдерживается. В ходе эксплуатации было показано, что температура масла повышается с 45 °C до 75 °C, а сопротивление изоляции падает примерно на порядок. Необходимо поддерживать потери на выходе в пределах температурного предела бака.

Вопрос 4: Охватывает ли моделирование постоянного тока импульсную нагрузку?

Нет. КТ-сканирование представляет собой последовательность импульсов, поэтому напряжение на сканирующих платформах падает во время импульса и восстанавливается между импульсами. Неравные начальные напряжения приводят к неравным разрядным токам, и резисторная сеть имеет ограниченное время для перераспределения заряда. В результате возникает асинхронное напряжение на сканирующих платформах внутри одной последовательности сканирования. Запустите электротермическую модель для всей последовательности сканирования и удерживайте отклонение на каждой платформе в пределах 5%.

В5: Какой допуск следует указать для конденсаторов?

±3% или лучше для цепи из 10 и более ступеней. k_unbalance ≈ (ΔC/C)·(n − 1)/n задает максимальное отклонение, поэтому допуск ±10% дает примерно 10% пикового отклонения, а ±3% — примерно 3%. В цепи 140 кВ разница составляет примерно 9.8 кВ колебаний напряжения по всей цепи. Запросите у поставщика данные о распределении напряжений, измеренные в цепи, а не данные из технической документации.

В6: Как обнаружить стадию ухудшения состояния до того, как она приведет к поломке?

Подключите небольшой конденсатор параллельно каждому ключевому каскаду и контролируйте сигнал частичного разряда с порогом срабатывания сигнализации PD ≤ 5 пКл. Увеличение частичного разряда указывает на каскад с перенапряжением или деградацией диэлектрика, и сигнал тревоги срабатывает задолго до пробоя. Добавьте к этому 96-часовую проверку работоспособности при напряжении, в 1.2 раза превышающем номинальное, и температуре 85 °C, а также проверку емкости и утечки перед сборкой.

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 60270, Методы высоковольтных испытаний — Измерения частичных разрядовЖенева: МЭК, 2015.
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. У. Б. Рэй, Дж. А. Шрок, К. Лоусон и С. Б. Бейн, Модульный генератор Маркса для тестирования силовых полупроводниковых приборов по зависимости dV/dt., в сборнике трудов Международной конференции IEEE по модуляции мощности и высоковольтным системам (IPMHVC), 2014 г., стр. 691-693, 2014 г. https://doi.org/10.1109/ipmhvc.2014.7287371
8. Y. Zhou, B. Chen, C. Tian, ​​J. Yuan и Y. Chen, Параллельный линейный преобразователь с диодным ограничением для испытаний на выдерживаемое напряжение и измерения частичных разрядов электрооборудования.Высокое напряжение, том 8, № 1, стр. 171-182, 2023. https://doi.org/10.1049/hve2.12312
9. Схемы защиты от дугового разряда и внешние последовательные ограничивающие резисторыSpellman High Voltage Electronics Corporation, Примечание по применению AN-13, https://www.spellmanhv.com/en/Technical-Resources/Application-Notes-HVPS/AN-13 .
10. Зинке, О., и Зайтер, Х., Widerstände, Kondensatoren, Spulen und ihre Werkstoffe, 2. Ауфл. Берлин: Спрингер, 1982.
11. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com