Высоковольтные демпфирующие конденсаторы для защиты от дугового разряда в трансформаторах тока.

Высоковольтные демпфирующие конденсаторы для защиты от дугового разряда в трансформаторах тока.

Резюме

Дуга в лампе за десятки наносекунд превращает лампу в замкнутый выключатель. Заряд, удерживаемый в кабеле, цепи умножителя и выходном фильтре, затем возвращается в генератор, и обратный ток достигает пиковых значений в сотни ампер. В этой статье приводятся данные об энергии дуги, правиле емкости зажима, ограничениях компоновки и номинальных значениях конденсаторов, обеспечивающих работоспособность сети защиты с трансформаторами тока после десятков тысяч дуговых разрядов.

1. Введение

При компьютерной томографии напряжение на рентгеновской трубке между анодом и катодом составляет 80–160 кВ. Остаточный газ, заусенец на электроде или микропузырь в изоляционном масле могут вызвать внутренний разряд. Это явление называется дуговым разрядом в трубке.

За десятки наносекунд дуга вызывает короткое замыкание между анодом и катодом. Затем заряд, накопленный в высоковольтном кабеле, цепи умножителя и выходном фильтре, возвращается в генератор. Пиковый обратный ток достигает сотен ампер, и в тот же момент напряжение питания резко падает и превышает заданное значение.

Образование дуговых разрядов — обычное явление. За время службы система трансформаторов тока может зажечь от тысяч до десятков тысяч дуговых разрядов, а сильные дуговые разряды являются одной из основных причин ремонта генераторов.

Предохранители, варисторы и реле перенапряжения с низкой частотой срабатывания не способны реагировать на переходные процессы, возникающие за наносекунды. Для эффективной защиты необходима быстродействующая поглощающая сеть на лампе, а также конденсатор, выдерживающий импульсное воздействие.

2. Основной механизм

2.1 Эквивалентная схема дуги

В нормальном режиме работы источник питания заряжает емкость кабеля C_cable, емкость фильтра C_filter и емкость умножителя C_mul до напряжения на лампе V_HV. В момент возникновения дуги лампа ведет себя как замкнутый выключатель, включенный последовательно с сопротивлением дуги R_arc 1–10 Ом и индуктивностью дуги L_arc от десятков до сотен нГн.

Начальная скорость нарастания тока зависит от индуктивности контура.

di/dt = V_HV / L_total

где V_HV — напряжение на лампе, L_total — суммарная паразитная индуктивность контура, обусловленная кабелем, утечкой трансформатора и дорожками печатной платы, а di/dt — начальная скорость нарастания тока.

При V_HV = 140 кВ и L_total = 500 нГн скорость нарастания тока составляет 280 А/нс. Ток достигает 2.8 кА в течение 10 нс, что разрушительно для любого полупроводника на пути тока.

2.2 Накопленная энергия в выходной емкости

Большая часть высвобождаемой энергии удерживается на выходе генератора.

E_arc = ½ · C_total · V_HV²

где C_total = C_cable + C_filter + C_mul, V_HV — напряжение на лампе, а E_arc — энергия, выделяемая за одну дугу.

Высоковольтный кабель длиной 10–20 м добавляет 100–200 пФ к напряжению земли. Фильтр и каскады умножения добавляют около 500 пФ к 2 нФ, поэтому C_total составляет около 1–3 нФ. При C_total = 2 нФ и V_HV = 140 кВ запасенная энергия составляет 19.6 Дж.

19.6 Дж в микросекундах — это мощность мегаваттного диапазона. Повторяющиеся события приводят к накоплению повреждений диэлектрика в результате частичного разряда, что повышает эффективный коэффициент потерь и сдвигает емкость.

2.3 Емкость зажима

Для защиты необходима низкоимпедансная цепь в момент возникновения дуги и блокировка обратного напряжения в генераторе. Типичная топология включает в себя быстродействующий диод D_clamp, демпфирующий конденсатор C_snubber и разрядный резистор R_snubber у гнезда лампы.

В нормальном режиме работы конденсатор D_clamp остается в обратном смещении. Напряжение дуги смещает его в прямом направлении и направляет импульсный сигнал в демпфирующий конденсатор C_snubber, а емкость должна удерживать напряжение зажима в пределах допустимых значений.

C_snubber ≥ (C_total · V_HV²) / (V_clamp² − V_HV²)

где V_clamp — допустимое напряжение ограничения, обычно в 1.2–1.5 раза превышающее V_HV, а C_snubber — емкость демпфирующей цепи.

При C_total = 2 нФ, V_HV = 140 кВ и V_clamp = 180 кВ требуемое значение составляет 3.1 нФ. В инженерной практике используются значения 5–10 нФ и номинальное напряжение не менее 200 кВ.

2.4 Разрядный резистор и статические потери

R_snubber разряжает демпфирующий конденсатор между экспозициями.

5 · R_snubber · C_snubber < T_interval

где T_interval — кратчайший интервал между двумя экспозициями, а R_snubber — сопротивление рассеивания.

При T_интервале = 1 с и C_демпфере = 5 нФ предел составляет 40 МОм. Статические потери V_HV² / R_демпфер определяют другой предел, поэтому типичные суммарные значения составляют 5–20 МОм.

Рис. 1 — Путь распространения энергии дуги в гнезде трубки и значения зажимов, удерживающие перерегулирование на уровне 28 кВ.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Сеть расположена слишком далеко от трубы.

Скорость нарастания обратного тока высока, и несколько сотен нГн в кабеле или дорожке вызывают выброс тока через защитное устройство.

V_overshoot = L_stray · di/dt

где L_stray — паразитная индуктивность контура, а di/dt — скорость нарастания тока.

При токе 280 А/нс и индуктивности 100 нГн перерегулирование составляет 28 кВ. При 500 нГн оно достигает 140 кВ, что превышает номинальные параметры обычных защитных элементов. Схема, установленная внутри корпуса генератора, ограничивает напряжение значительно выше расчетного значения, и диод или конденсатор выходят из строя до того, как сработает ограничитель.

Проблема 2: Демпфирующие конденсаторы без защиты от перенапряжения.

Не каждый высоковольтный керамический конденсатор выдерживает воздействие дугового разряда в трубке. Высокое значение dv/dt сразу же усиливает внутреннее поле. Микротрещины, примеси или концентрация поля на краю электрода могут вызвать частичный пробой в течение первых нескольких дуговых разрядов.

Обычно причиной отказа являются короткое замыкание или внезапная потеря емкости. В любом случае срабатывает защитная цепь. При выборе необходимо учитывать номинальное значение dv/dt, номинальный импульсный ток и напряжение начала частичного разряда.

Проблема 3: Отсутствие модели кумулятивного ущерба.

Дуговые разряды носят случайный и повторяющийся характер, и система компьютерной томографии может выполнять сотни тысяч снимков в год. Энергию одиночного разряда можно контролировать, в то время как долговременное накопление тока приводит к старению диодов, конденсаторов и резисторов.

Конструкция, проверенная с помощью одного испытания на дуговой разряд, не имеет модели подсчета ударных волн. В результате отказы проявляются через два-три года эксплуатации, а затраты на послепродажное обслуживание окупаются с опозданием.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Поддерживайте небольшой и тесный цикл взаимодействия.

Разместите диод и демпфирующий конденсатор в корпусе лампы или в кабельном разъеме. Площадь контура должна быть менее 100 см², а паразитная индуктивность — менее 100 нГн. При таких скоростях нарастания сигнала величина L_stray · di/dt доминирует в напряжении ограничения, поэтому расстояние между элементами схемы определяет запас защиты.

Стратегия 2: Выберите конденсатор по параметрам dv/dt и PD.

Демпфирующий конденсатор одновременно пропускает высокое напряжение, высокое значение dv/dt и повторяющийся импульсный ток. В качестве диэлектрика используется материал класса I, например... N4700 Он обеспечивает коэффициент демпфирования ниже 0.15% при 100 кГц и коэффициент частичного разряда ниже 5 пКл при напряжении, в 1.5 раза превышающем номинальное, а также выдерживает dv/dt в диапазоне кВ/нс. Номинальная мощность демпфирующего конденсатора должна составлять 1.2-кратное напряжение ограничения или выше.

Стратегия 3: Добавить последовательно включенный индуктор для замедления потока воздуха.

Небольшой индуктор L_limit в основном тракте увеличивает время нарастания тока с сотен А/нс до нескольких А/нс и дает демпфиру время для реакции. Типичные значения — 2–10 мкГн. Компромисс заключается во времени установления, поскольку большой L_limit замедляет нормальный нарастающий ток в киловольтах. Установите демпфирующий резистор параллельно L_limit для подавления LC-колебаний.

Стратегия 4: Разделить процесс всасывания на два этапа.

Один конденсатор может оказаться слишком малым, чтобы поглотить всё событие целиком. Первый каскад подключается к лампе с конденсатором 1–3 нФ и обрабатывает наносекундный фронт. Второй каскад подключается к выходу генератора с конденсатором 10–33 нФ и обрабатывает микросекундный хвост. Демпфирующий резистор сопротивлением в десятки Ом изолирует два каскада и подавляет резонанс между ними.

Стратегия 5: Учитывайте дуги в рамках допустимого энергопотребления.

Установите допустимую энергию на одно событие, используя данные из технических паспортов компонентов, затем отслеживайте количество дуговых разрядов N_arc и суммарный ущерб.

D = Σ (E_arc,i / E_allow,i)

где E_arc,i — высвобожденная энергия для события i, E_allow,i — допустимая энергия для этой части, а D — индекс кумулятивного повреждения.

Профилактическое техническое обслуживание следует начинать при достижении значения D 0.7–0.8. Компания HVC предоставляет кривые ресурса N4700, основанные на 10 параметрах.⁷ импульсы для этого расчета.

Стратегия 6: Используйте сигнал метро в качестве системы раннего предупреждения.

Генератор позволяет наблюдать пульсации тока в трубке, деградацию вакуума и профиль изменения напряжения (кВ). Предвестником этого явления является микроразрядный скачок ниже 1% от номинального тока. Снижение напряжения на 10% перед следующим облучением уменьшает энергию одиночной дуги примерно на 19%, поскольку энергия пропорциональна квадрату напряжения.

Параметр компонента	Типичное значение	Условие теста
Номинальное напряжение (серия HVCT8G)	10 кВ постоянного тока	высоковольтный режим 1.5× в течение 60 с
емкость	4700 пФ ±20% (472М)	1 МГц, 1 В среднеквадратичное значение
ЭПР на частоте 1 МГц	ниже 50 мОм	-
Индуктивность петли (хорда E40)	ниже 8 нГн	Расстояние между клеммами: 40 мм
сопротивление изоляции	сопротивление выше 10 ГОм при напряжении 500 В постоянного тока	25 ° C, 60% относительной влажности
Диапазон температур	от −40 °C до +125 °C	Серия МЭК 60068-2
Возможность импульсного DV/DT	выше 50 кВ/мкс	при номинальном напряжении

5. Конденсаторы HVC N4700 для узла дугового разряда трубки.

Здесь запас прочности определяется двумя свойствами: потерями на частоте импульсов и стабильностью емкости в зависимости от напряжения и температуры. Компания HVC производит компоненты класса I N4700 для обоих параметров на собственном заводе площадью 6,000 м² в Дунгуане, охватывающем диапазон напряжений от 1 кВ до 150 кВ.

Шесть параметров, имеющих значение на этом узле.

• Устойчивость к импульсным перенапряжениям. Корпус N4700 выдерживает импульсные токи до нескольких килоампер, а показатель dv/dt превосходит показатели обычных компонентов класса II.
• Низкий уровень частичного разряда. Частичный разряд остается ниже 5 пКл при напряжении, в 1.5 раза превышающем номинальное, поэтому многократные искрения не приводят к накоплению повреждений диэлектрика.
• Стабильные потери. Эффективный коэффициент потерь при высоком напряжении остается ниже 0.15% на частоте 100 кГц, поэтому импульсный нагрев не ускоряет старение.
• Малый коэффициент напряжения. Емкость остается в пределах ±1% во всем номинальном диапазоне напряжений, поэтому напряжение ограничения остается на своем расчетном значении.
• Пакеты с коротким циклом. Конденсаторы дверной ручки HVCT8G Удерживайте индуктивность контура ниже 8 нГн при расстоянии между клеммами 40 мм, что позволяет уменьшить величину перерегулирования.
• Координированные компоненты. HVR-BSP толстопленочные резисторы сформируйте путь утечки рядом с ограничительным диодом.
• Согласование диодов. Быстровосстанавливающиеся высоковольтные диоды с низким зарядом обратного восстановления, образующим пару с демпфирующим конденсатором в цепи ограничения.
• Измерение тока. резисторы выборки HVRGXP Измерьте обратный ток без добавления индуктивности контура.
• Сравните с продукцией ведущих производителей. Компоненты HVC соответствуют электрическим параметрам и показателям надежности. Мурата, Вишай и TDK высоковольтные выводные серии.

Доставка и поддержка

Стандартные детали поставляются в течение 4–8 недель, а комплекты, изготовленные на заказ, — 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 оценке импульсных нагрузок, моделировании цепей с ограничителями и тестировании дугового разряда.

Отправьте напряжение на трубке, оценку энергии дуги, длину кабеля и интервал экспозиции. HVC вернет вам лист подбора конденсаторов с номерами деталей, данными о частичном разряде и коэффициенте разряда, а также комплект для оценки двух образцов в течение пяти рабочих дней.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Какова необходимая емкость демпфирующего контура для дуги разряда рентгеновской трубки компьютерного томографа?

Для системы 140 кВ с общей выходной емкостью 2 нФ и напряжением ограничения 180 кВ требуется не менее 3.1 нФ. Управляющее соотношение: C_snubber ≥ (C_total · V_HV²) / (V_clamp² − V_HV²). В инженерной практике используется значение 5–10 нФ при номинальном напряжении не менее 200 кВ, поскольку расчетное значение не оставляет запаса для более низкого напряжения ограничения.

В2: Почему демпфер должен располагаться близко к трубе?

Поскольку величина перерегулирования L_stray · di/dt масштабируется пропорционально индуктивности контура. При 280 А/нс индуктивность контура в 100 нГн добавляет 28 кВ на защитном устройстве, а 500 нГн — 140 кВ. Внутри корпуса генератора сеть передает всю индуктивность кабеля по контуру, поэтому фактическое напряжение ограничения значительно превышает расчетное значение, и компоненты выходят из строя.

В3: Какой номинал конденсатора определяет защиту от искрения в трубке?

Номинальное значение импульсного dv/dt и напряжение начала частичного разряда, а также номинальный импульсный ток являются определяющими факторами. Одного номинального напряжения недостаточно. Деталь, прошедшая испытание на высоковольтное напряжение в 1.5 раза превышающее номинальное, все еще может выйти из строя в течение нескольких дуг, если в диэлектрике имеются микротрещины или концентрация поля на краю электрода.

Вопрос 4: Как правильно подобрать разрядный резистор?

Начните с 5 · R_snubber · C_snubber ниже интервала экспозиции. Для T_interval = 1 с и демпфирующего конденсатора 5 нФ сопротивление должно быть менее 40 МОм. Тогда статические потери V_HV² / R_snubber устанавливают нижнюю границу, поэтому 5–20 МОм покрывают оба конца при 140 кВ.

В5: Сколько дуг может выдержать защитная сеть?

Это зависит от допустимой энергии на одно событие для каждой детали. Отслеживайте кумулятивный индекс повреждения D = Σ (E_arc,i / E_allow,i) и заменяйте детали, когда D достигнет 0.7–0.8. HVC предоставляет кривые ресурса N4700 на основе 10⁷ импульсы, которые являются входными данными для этой модели.

Вопрос 6: Может ли программная защита заменить демпфирующую сеть?

Нет. Программное обеспечение может снизить напряжение на 10% при обнаружении предшественника микроразряда, что уменьшает энергию одиночной дуги примерно на 19%. Сама дуга по-прежнему поднимается за десятки наносекунд, поэтому энергия должна поглощаться оборудованием на трубке. Используйте оба метода вместе, используя аппаратную сеть в качестве базового уровня.

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. Л. Чжэн, Л. Чжу, Дж. Лю, З. Ди и С. Цзи, Самовосстанавливающиеся характеристики металлизированного пленочного конденсатора при постоянном и переменном напряжении с гармониками., в сборнике трудов конференции IEEE по электрической изоляции и диэлектрическим явлениям (CEIDP), стр. 175-178, 2022. https://doi.org/10.1109/ceidp55452.2022.9985286
8. 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 .
9. В моём высоковольтном источнике питания происходит искрение: как мне определить причину проблемы?Spellman High Voltage Electronics Corporation, Примечание по применению AN-25, https://www.spellmanhv.com/en/Technical-Resources/Application-Notes-HVPS/AN-25 .
10. ГБ/Т 6346.1-2024, 电子设备用固定电容器 第1部分:总规范 (Постоянные конденсаторы для использования в электронном оборудовании – Часть 1: Общая спецификация). Пекин: 国家市场监督管理总局, 2024 г.
11. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com