Тест частичного разряда при 5 пКл для контроля качества конденсатора PFN

Тест частичного разряда при 5 пКл для контроля качества конденсатора PFN

Резюме

Частичный разряд является основной причиной большинства ранних отказов конденсаторов с импульсным разрядом, а в медицинском оборудовании пороговое значение составляет 5 пКл. Единого стандарта, регулирующего работу импульсных компонентов при быстром фронте разряда, не существует, поэтому метод должен основываться на практике стандартов IEC 60384 и IEC 60270. В этой статье рассматриваются три источника частичных разрядов, закон срока службы, связывающий частичные разряды с часами эксплуатации, четыре метода испытаний и правила прохождения испытаний, которым соответствует компонент N4700 при среднем значении 2.1 пКл.

1. Введение

Частичный разряд — это небольшая искра внутри пустоты или вдоль края. Она не замыкает две пластины, поэтому деталь продолжает работать. Повреждения накапливаются с каждым таким разрядом.

В результате каждого события с стенки пустоты удаляется 1–10 нм материала, и образуется древовидный канал. Путь от первого фотодиода до полного короткого замыкания занимает от 100 до 10 000 часов.

Использование импульсных составляющих усложняет задачу. Зарядный контур работает в диапазоне 100–400 Гц с фронтом 10 кВ/мкс, поэтому локальное напряжение изменяется быстрее, чем это показал бы тест на частоте 50 Гц. Метод описан в стандарте IEC 60270, и ни один стандарт не устанавливает допустимый уровень для импульсной составляющей.

Производители медицинского оборудования заполняют этот пробел, предлагая линию с точностью 5 пКл и 100% тестированием, и данные полевых испытаний подтверждают правильность выбора. Деталь PFN, прошедшая проверку при 5 пКл, сохраняет свою емкость и коэффициент защиты в течение 10 лет.

2. Основной механизм

2.1 Пустота повышает локальное поле на величину диэлектрической проницаемости.

Керамика имеет относительную диэлектрическую проницаемость около 80. Газовая полость имеет диэлектрическую проницаемость, равную 1. Плотность магнитного потока пересекает оба значения, поэтому поле внутри полости возрастает в тот же множитель.

E_void = ε_r · V / t_d

где E_void — поле внутри плоской пустоты, ε_r — относительная диэлектрическая проницаемость керамики, V — приложенное напряжение, а t_d — толщина тела. Пустота размером 1 мкм в теле толщиной 2 мм преобразует 20 кВ/мм в 1,600 кВ/мм, что значительно превышает 3 кВ/мм, которые может обеспечить воздух. Одна пустота определяет минимальный уровень частичного разряда для всей детали.

2.2 Заряд ПД определяет закон жизни

Величина разности потенциалов (PD) — это величина перемещенного заряда за одно событие, выраженная в пикоксанах (пКл). Один пКл равен 6.24 × 10⁶ электронам, поэтому даже небольшое событие приводит к перемещению большого количества электронов.

L_PD = A · q^(−n)

где L_PD — время жизни в часах, q — заряд в пКл за одно событие, A — масштабная постоянная от 10⁴ до 10⁶, а na — материальная постоянная от 2 до 3. При q = 5 пКл время жизни составляет от 10⁴ до 10⁶ ч. При q = 50 пКл оно падает до 10²–10⁴ ч. При q = 500 пКл оно падает до 1–100 ч.

2.3 Напряжение начала и окончания процесса

PDIV — это минимальное напряжение, при котором частота частичных разрядов (ЧР) остается стабильной на уровне 10 событий в секунду или более. PDEV — это напряжение, при котором ЧР прекращаются, когда уровень падает. PDEV находится ниже PDIV, поэтому при увеличении и уменьшении частоты наблюдается петля гистерезиса.

PDIV ≥ 1.5 · V_rated

где PDIV — напряжение начала деформации, V_rated — номинальное напряжение постоянного тока, а коэффициент 1.5 — запас прочности согласно IEC 60384-1. Проведите испытание при напряжении, в 1.5 раза превышающем V_rated, в течение 60 секунд и запишите оба значения. Деталь, у которой начальное значение PD ниже 1.5×, имеет пустоту или рыхлую кромку.

2.4 Соединитель преобразует ток в заряд.

Импульсно-токовый метод соответствует стандарту IEC 60270. Разделительный конденсатор C_k подает измерительное сопротивление Z_m, а детектор интегрирует импульс.

q = (1 / Z_m) · ∫ u(t) dt

где q — кажущийся заряд в пКл, Z_m — измерительное сопротивление в Ом, а u(t) — импульс напряжения на соединителе в мВ. Калибровку соединителя следует проводить с помощью известного импульса 5 пКл перед каждым сдвигом, иначе линия пропускания будет дрейфовать вместе с кабелем и настройкой.

Рис. 1 — Закон срока службы при частичном разряде определяет время жизни компонента с емкостью 5 пКл в диапазоне от 10⁴ до 10⁶ часов, а компонента с емкостью 500 пКл — от 1 до 100 часов, что фиксирует пороговое значение для 5 пКл.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Партия изделий, полученных методом мокрого спекания, проходит испытание на низкое напряжение.

В новой партии отечественного PFN было обнаружено 3 образца с температурой выше 5 пКл на выходе с завода, при этом пористость составила 0.5% против предельного значения в 0.1%. Более низкая температура спекания привела к образованию открытых пустот в зернистой структуре.

Эти компоненты показали нормальные значения C и DF при напряжении 500 В постоянного тока. Их обнаружил только тест 1.5× PD, и при отгрузке одной партии вероятность преждевременного выхода из строя может достигать 20%.

Проблема 2: частота нетрудоспособности медленно увеличивается с годами службы.

Импортированный линейный ускоритель проработал три года с онлайн-монитором частичных разрядов. При передаче заказчику он показал 1.5 пКл, а через 3 года — 3.2 пКл. Деталь по-прежнему находилась в пределах допустимых параметров, поэтому сигнал тревоги не сработал.

Причиной стало длительное воздействие тепла, а также миграция серебра по краю. Оба фактора увеличили количество пустот. Деталь была заменена в течение 6 месяцев, и была улучшена система охлаждения.

Проблемный момент 3: внезапный скачок ПД сигнализирует о надвигающемся коротком замыкании.

Монитор того же класса зафиксировал скачок температуры с 2 пКл до 15 пКл за одну неделю. При этом в логах C и DF ничего не изменилось.

Команда заменила эту деталь в течение 48 часов и проверила весь модуль. Скачок напряжения PD — это последнее четкое предупреждение перед серьезным коротким замыканием, поэтому оно должно привести к немедленной замене.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Установить строку передачи из класса приложения.

Для медицинского узла PFN используйте 5 пКл, а для промышленного — 10 пКл. Проводите испытание при напряжении, в 1.5 раза превышающем номинальное напряжение, в течение 60 секунд, или при напряжении, в 2.0 раза превышающем номинальное напряжение, для типового испытания.

Добавьте в тот же цикл анализа строку с ошибкой 10 пКл. Значение от 5 до 10 пКл указывает на тенденцию к снижению качества, а значение выше 10 пКл свидетельствует о технологическом дефекте в партии.

Стратегия 2: Покупайте продукцию из линейки, прошедшей 100% тестирование.

Запрашивайте показатель PD для каждого серийного номера, а не среднее значение по партии. Выборочное тестирование оставляет риск в 90% партии, не охваченной проверкой.

Также запросите информацию о типе оборудования и уровне калибровки. Отчет о прохождении теста с уровнем шума 20 пК ничего не доказывает. Тесты HVC проводятся на оборудовании OMICRON и LDIC с разрешением 1 пК.

Стратегия 3: Контроль пути образования пустоты в источнике.

Спекайте керамику при 1,230 °C в течение 4 часов, поддерживая пористость ниже 0.1%. Нанесите серебряный электрод толщиной 15 ± 2 мкм с радиусом кромки более 0.5 мм, чтобы поле на краю оставалось низким.

Затем герметизируйте корпус. Вакуумная дегазация при давлении 0.1 кПа в течение 2 часов удаляет захваченный газ до того, как эпоксидная смола застынет, а ступенчатое отверждение предотвращает образование микротрещин в корпусе.

Стратегия 4: Тестирование на трех этапах сборки.

Проверяйте модуль на входе, после этапа пайки и на затворе. Нагрев припоя и механическое напряжение могут вызвать образование трещин, которые невозможно обнаружить при проверке только затвора.

На затворе модуля проведите тестирование при напряжении, в 1.3 раза превышающем рабочее, в течение 300 секунд, поддерживая уровень частичного разряда ниже 5 пКл на каждом узле, включая выводы. резисторы выравнивания HVR-BSP. Сохраните карту, PDIV и PDEV в архиве на 10 лет.

Стратегия 5: Динамика изменения стоимости продукции на протяжении всего срока службы.

Установите датчик частичного разряда на большой линейный ускоритель и регистрируйте показания каждую минуту. Увеличение заряда с 1.5 пКл до 3.2 пКл за 3 года — это медленная неисправность. Скачок с 2 пКл до 15 пКл — это быстрая неисправность.

Сопоставьте тренд PD с трендом IR. Влажность одновременно повышает оба показателя, и это сочетание позволяет отличить дефект уплотнения от дефекта пустоты.

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 критичного к частичному разряду узла PFN.

Частичные разряды возникают из-за пустот и краевых напряжений, поэтому при изготовлении детали необходимо контролировать оба этих фактора. Компания HVC использует линию N4700 класса I со 100% проверкой на частичные разряды для каждой детали на собственном заводе площадью 6,000 м² в Дунгуане, в диапазоне напряжений от 1 кВ до 150 кВ. Та же схема испытаний применяется и к другим компонентам. Конденсаторы дверной ручки HVCT8G используется в узлах с более высоким током.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• Типичное значение частичных разрядов (ЧР) ниже 3 пКл, максимальное — 4.6 пКл. В партии из 10 000 устройств HVCT8G-102/30kV среднее значение составило 2.1 пКл, а максимальное — 4.6 пКл, поэтому ни одно устройство не приблизилось к отметке в 5 пКл.
• 100% заводское тестирование на частичные разряды при напряжении 1.5× номинального напряжения в течение 60 с, плюс 10% выборочное тестирование при напряжении 2.0× номинального напряжения в течение 1,000 ч с порогом срабатывания 10 пКл.
• Пористость ниже 0.1%, размер зерен 3–8 мкм. Плотное тело содержит мало пустот, поэтому пустотное поле не имеет места для образования.
• Радиус края электрода более 0.5 мм и серебряная печать толщиной 15 ± 2 мкм. Закругленный ободок рассеивает краевое поле и удерживает коронный разряд фотодиода на месте.
• Герметичная эпоксидная оболочка с температурой стеклования 155 °C. Твердая оболочка удерживает серебряный проводник закрытым, поэтому миграция не создает дополнительный источник фотодиода.
• Прослеживаемые данные испытаний. Каждый резистор выборки HVRGXP А пара конденсаторов имеет серийный номер, привязанный к записи о её ПД, поэтому проверка OEM-производителя завершается за один шаг.

Сравнение данных с другими брендами открыто. HVC показывает типичное значение 2.1 пКл, тогда как TDK — 4.5 пКл, а TDK — 5.8 пКл. Мурата и 3.5 пКл для ВишаяИ каждый из этих трех методов проверяет лишь часть партии, а не каждую деталь. Полные данные тестирования превосходят более точные данные по выборке при проведении медицинской проверки.

Один комплект материалов охватывает узел. быстровосстанавливающиеся диоды для зарядного контура и Диэлектрик класса I N4700 Компоненты, используемые в этапах PFN, имеют общий корпус, испытательный стенд и формат отчета.

Доставка и поддержка

Стандартные детали отгружаются в течение 4–8 недель, а комплекты, прошедшие проверку PD по индивидуальному заказу, — в течение 6–10 недель, в то время как для импортных брендов этот срок обычно составляет 20–30 недель. Инженеры-технологи HVC оказывают поддержку в настройке линии передачи, калибровке соединителей и разработке плана трехточечного тестирования.

Укажите номинальное напряжение, емкость, форму импульса и размер партии. HVC в течение пяти рабочих дней выдаст отчет по каждому выпуску с картой распределения, значениями PDIV и PDEV, а также комплект из двух образцов.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Почему пороговое значение составляет 5 пКл, а не 10 пКл?

Потому что 5 пКл — это то, что необходимо для 10-летней жизни при частоте импульсов 100–400 Гц. Закон жизни L_PD = A · q^(−n) дает 10⁴–10⁶ ч при 5 пКл и 10²–10⁴ ч при 50 пКл.

Нет запаса прочности для компромиссов. В промышленном оборудовании можно использовать 10 пКл, поскольку целевой срок службы короче.

Вопрос 2: Может ли деталь пройти проверку при 5 пКл и при этом преждевременно выйти из строя?

Да, если значение ПД увеличивается после отгрузки. У одной детали при передаче заказчику ПДД составлял 1.5 пКл, а после 3 лет работы в условиях высоких температур оно достигло 3.2 пКл, в то время как у другой детали ПДД подскочило с 2 пКл до 15 пКл за неделю.

Поэтому 100% тестирование на входе — это только начало, а не полноценный план. Добавьте анализ тенденций ПД-фильтрации на больших линейных ускорителях.

В3: Какой метод тестирования следует приобрести команде контроля качества?

Импульсно-токовый метод, поскольку он количественно определяет заряд и соответствует стандарту IEC 60270. На стенде с калиброванным соединителем он показывает значения 1–5 пКл.

В качестве дополнительной проверки можно использовать ультразвуковой зонд. Он определяет место возникновения частичных разрядов и показывает значение ниже 1 пКл, хотя и не позволяет определить величину заряда.

В4: Как настроить прибор для получения достоверных показаний?

Поддерживайте температуру в помещении на уровне 23 °C и относительную влажность 45–55%, откалибруйте соединитель с помощью известного импульса 5 пКл и поддерживайте уровень шума установки ниже 1 пКл. Повысьте напряжение до 1.5-кратного номинального напряжения и удерживайте в течение 60 секунд.

Затем увеличьте напряжение до 2.0× V_rated и уменьшите его до 0.5× V_rated, чтобы записать PDEV. Грязная установка с порогом 20 пКл скрывает всю полосу пропускания.

В5: Снижает ли увеличение емкости значение PD?

Нет. Значение PD зависит от размера пустоты, поля на краю и толщины тела. Более крупная деталь с более толстым телом может показывать меньшее значение PD, но само по себе это значение ничего не говорит.

При выборе материала ориентируйтесь на измеренное значение PD и данные о пористости, а запас по напряжению должен составлять 1.5× или больше.

В6: Что означает внезапный скачок ПД?

Это означает, что близко к короткому замыканию. Один монитор зафиксировал скачок температуры с 2 пКл до 15 пКл, и компонент был заменен в течение 48 часов.

Рассматривайте сбой как немедленное действие: замените деталь, просканируйте весь модуль и зарегистрируйте событие для проверки поставщиком.

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 60601-2-1:2020, Медицинское электрооборудование — Часть 2-1: Особые требования к базовой безопасности и основным рабочим характеристикам электронных ускорителей в диапазоне от 1 МэВ до 50 МэВЖенева: МЭК, 2020.
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. А. Будиаф, С. Буазабиа, Н. Харид и М.Л. Амрани, Аналитический расчет порога частичного разряда в газовой полости внутри изоляции высоковольтного кабеля.Электротехника, том 104, № 2, стр. 555-565, 2021. https://doi.org/10.1007/s00202-021-01310-9
8. А.М. Гауда, А. Эль-Хаг, Т.К. Абдель-Галиль, ММА Салама и Р. Бартникас, Обнаружение и измерение сигналов частичных разрядов в режиме реального времени в условиях сильного шума.IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, vol. 15, no. 4, pp. 1162-1173, 2008. https://doi.org/10.1109/tdei.2008.4591239
9. 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
10. США 6,760,215, Конденсатор с высоким порогом пробоя напряжения, Д.Ф. ДеВо (связанный с Пресидио), патент выдан в 2004 г., https://www.freepatentsonline.com/6760215.html .
11. 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.
12. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com