Расходные материалы для эксимерных электростанций: анализ отказов, вызванных частичным коронным разрядом.

Расходные материалы для эксимерных электростанций: анализ отказов, вызванных частичным коронным разрядом.

Резюме

Коронный частичный разряд разрушает высоковольтную изоляцию на несколько пикоксанов за раз, не оставляя видимых следов. В этой статье приводятся арифметические значения напряжения начала разряда, заряда и энергии за одно событие, кумулятивный заряд, предсказывающий отказ, четыре режима отказа в полевых условиях, а также этапы обнаружения и проектирования источника питания для эксимерного лазера напряжением 30 кВ, работающего на частоте 6 кГц.

1. Введение

Частичный разряд, также называемый коронным разрядом, является наиболее распространенным скрытым механизмом отказа высоковольтного оборудования. Полный пробой мгновенно останавливает машину. Частичный разряд этого не делает. Он замыкает лишь часть изоляции, оставляя остальную неповрежденной.

Каждое событие перемещает заряд от 1 до 100 пКл и длится всего наносекунды. Энергия на одно событие мала. Количество событий велико. Источник питания эксимерного лазера работает с частотой от 1 кГц до 6 кГц с пиковыми напряжениями от 20 кВ до 40 кВ.

За тысячи часов накапливаются миллиарды событий. Изоляция постепенно изнашивается, и деталь выходит из строя преждевременно. Затем ремонтные бригады винят в этом перепады напряжения или влажность, поскольку истинная причина не оставляет видимых следов.

В данной статье рассматриваются начальное напряжение, кинетика эрозии, четыре режима отказов в полевых условиях, методы обнаружения и этапы проектирования, позволяющие обеспечить работу эксимерного лазера с напряжением 30 кВ в течение 10 000 часов.

2. Основной механизм

2.1 Начальное напряжение внутри пустоты

Полость внутри диэлектрика имеет более низкую диэлектрическую проницаемость, чем окружающая её керамика. Поле внутри полости превышает среднее поле в диэлектрике. Для сферической полости коэффициент усиления равен:

β = 3εr / (2εr + 1)

где β — коэффициент усиления поля в пустоте, а εr — относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика.

Для керамики N4700 с εr, равным 100, β составляет 300 / 201, или 1.49. Поле в пустотах в 1.49 раза превышает среднее поле. Разряд начинается, когда поле в пустотах достигает пробивной прочности газа:

PDIV = E_gas × t / β

где PDIV — напряжение начала частичного разряда, E_gas — прочность газа на пробой в пустоте, t — толщина изоляции, а β — коэффициент усиления поля.

При давлении воздуха 1 атм пробой происходит при напряжении около 3 кВ/мм. Керамическая стенка толщиной 1 мм с коэффициентом β, равным 1.49, дает PDIV = 3 кВ/мм × 1 мм / 1.49, или 2.01 кВ. Рабочее напряжение должно оставаться ниже этого значения с запасом. В практической работе этот показатель составляет от 20% до 50%.

2.2 Заряд и энергия на одно событие

В пустоте емкостью 1 пФ, в которой во время разряда падает напряжение на 100 В, происходит передача следующего заряда:

q = C_void × ΔV

где q — заряд на одно событие, C_void — емкость пустоты, а ΔV — падение напряжения на пустоте.

Это даёт 100 пКл. Энергия следует из заряда и падения напряжения:

W = 0.5 × q × ΔV

где W — энергия на одно событие, q — переданный заряд, а ΔV — падение напряжения на пустоте. В результате получается 5 нДж, выделяющихся в объеме нескольких кубических микрометров.

Таким образом, локальная плотность энергии высока даже при малой суммарной энергии. Эта плотность является движущей силой эрозии стенки пустоты.

2.3 Механизмы эрозии на поверхности пустот

Четыре механизма действуют совместно. Термическая эрозия плавит или испаряет керамику со скоростью примерно 1e−12 г за одно событие при энергии 5 нДж. Химическая эрозия образует озон, оксиды азота и атомарный кислород, а также разрушает органическую изоляцию в 10–100 раз быстрее, чем тепловой процесс.

Механическая эрозия возникает под действием ударной волны расширения газа, которая вызывает образование микротрещин на поверхности. Затем пустоты перекрываются проводящими дорожками: органические материалы образуют углеродные дорожки, а керамика – металлизированные отложения, полученные из электродов. Мост замыкает путь пробоя через изоляцию.

2.4 Накопленный заряд и время до отказа

Повреждение отражает общий заряд, прошедший через изоляцию:

Q_total = q × N × f × t

где Q_total — суммарная передача заряда, q — заряд за одно событие, N — количество пустот, f — частота повторения, а t — время работы.

Примем q = 10 пКл, N = 100 пустот, f = 6 кГц и t = 10 000 ч. Тогда Q_total = 10 пКл × 100 × 6000 × 3.6 × 10^7, или 0.216 С. Полевые данные указывают на пороговое значение отказа в диапазоне от 0.01 С до 0.1 С, поэтому деталь в этом состоянии уже превысила этот порог.

Рис. 1 — В пустоте усиление поля в 1.49 раза достигает своего начала при 2.01 кВ на мм, затем 10 событий пикоксанового заряда на частоте 6 кГц увеличивают суммарный заряд до более чем 0.216 Кл.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Внутренний дефект конденсатора приводит к его разрушению.

Керамический конденсатор с внутренними пустотами разряжается в этих пустотах, как только рабочее напряжение превышает напряжение начала разряда. Каждое такое событие разрушает стенки пустот и откладывает проводящий материал. В конечном итоге этот материал замыкает пустоту и вызывает короткое замыкание.

Неисправности возникают после 5,000–10,000 часов работы при частоте 6 кГц. Оператор видит внезапное короткое замыкание и списывает это на перенапряжение. Настоящая причина кроется внутри диэлектрика.

Проблема 2: Технология Surface PD отслеживает инкапсулированный материал.

На конденсаторных герметиках, изоляции кабелей и корпусах разъемов поверхностный частичный разряд начинается там, где скапливаются влага, пыль или соединения фтора. Разряд образует углеродные дорожки, которые перекрывают зазор между электродами и мгновенно пролетают по поверхности.

Эти неисправности возникают после 3,000–8,000 часов работы. Оператор списывает вину на влажность или загрязнение, а решение проблемы заключается в проведении регулярной очистки, которая не устраняет полевые напряжения на поверхности.

Проблемный момент 3: Коронный разряд на острых краях излучает электромагнитные помехи.

Острые края, точки и шероховатые поверхности достигают точки возникновения коронного разряда при напряжении около 30 кВ/см в воздухе. Затем коронный разряд излучает широкополосный шум в диапазоне от 100 кГц до 1 ГГц и проникает в управляющую электронику и проводку датчиков.

Симптомом являются ложные срабатывания, ошибки измерения и сбои связи. Оператор винит электронику, а разряд локализован на краю резистора, расположенного на расстоянии 200 мм.

Проблема 4: Образование газа при перитонеальном диализе повышает внутреннее давление.

В герметичном компоненте с органической изоляцией частичные разряды разлагают материал и выделяют водород, метан, этилен и ацетилен. Газ накапливается до тех пор, пока не нарушится герметичность или не расколется корпус.

Эти события происходят через 5,000–15,000 часов. Оператор обнаруживает поврежденный компонент и списывает вину на перенапряжение. Анализ растворенных газов в газовом пространстве позволяет определить источник частичного разряда в течение суток.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Поддерживайте рабочее напряжение ниже напряжения запуска.

Спроектируйте изоляцию таким образом, чтобы максимальное напряжение, включая перерегулирование и переходные процессы, было как минимум на 20% ниже напряжения начала разряда. Для рабочей точки 30 кВ укажите компоненты с разностью потенциалов частичных разрядов (PDIV) выше 37.5 кВ. Проверьте это значение с помощью теста на частичные разряды при напряжении, в 1.2 раза превышающем рабочее напряжение, и примените то же правило к процессу зарядки. выпрямительный диод стек.

Стратегия 2: Приобретите диэлектрик без пустот.

Выбирайте конденсаторы, изготовленные методом горячего прессования или горячего изостатического прессования, которые устраняют внутренние пустоты и пористость. Укажите плотность керамики выше 99% от теоретической плотности и подтвердите наличие пустот с помощью рентгеновского контроля или ультразвукового сканирования перед приемкой партии.

Стратегия 3: Нанесение покрытий, устойчивых к разряду.

Для повышения напряжения срабатывания на поверхности нанесите на изоляционные поверхности неорганические покрытия, такие как оксид алюминия или диоксид кремния. Используйте герметики, наполненные оксидом алюминия или диоксидом кремния, которые гораздо лучше противостоят эрозии, чем ненаполненные силиконы и эпоксидные смолы. Проверьте целостность покрытия до и после воздействия окружающей среды.

Стратегия 4: Мониторинг активности по выписке пациентов.

Установите высокочастотные трансформаторы тока, емкостные ответвители или УВЧ-антенны и регистрируйте заряд частичных разрядов, частоту повторения и характер распространения импульсов с течением времени. Внезапное увеличение активности указывает на повреждение изоляции. Сигнал тревоги о необходимости технического обслуживания должен срабатывать при заряде 10 пКл или при частоте 100 импульсов в секунду.

Стратегия 5: Используйте резисторы, устойчивые к коронному разряду, на высоковольтном узле.

Выбрать HVR-BSP последовательное соединение толстопленочных резисторов с коронно-устойчивым покрытием и закругленными краями, а также с указанием значения PDIV, превышающего максимальное рабочее напряжение более чем в 1.5 раза. Подтвердите устойчивость к коронному разряду с помощью теста в темноте и измерения PD при полном напряжении.

Стратегия 6: Перед выпуском провести ускоренное тестирование на старение ПД-компонентов.

Проводите старение компонентов при напряжении, в 1.5 раза превышающем рабочее напряжение, что сокращает 10 000 часов воздействия частичных разрядов примерно до 2,000 часов. Измеряйте заряд частичных разрядов, дрейф емкости и сопротивление изоляции до и после старения. Принимайте компоненты с увеличением заряда частичных разрядов менее чем на 20%, дрейфом емкости менее чем на 5% и потерей сопротивления изоляции менее чем на 50%.

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 разрядоустойчивых источников питания лазеров.

Выбор на этом узле определяется тремя требованиями: напряжение начала разряда значительно выше напряжения питания, диэлектрик, не образующий углеродных следов, и протокол испытаний, подтверждающий оба этих параметра. Компания HVC производит компоненты N4700 для этого комплекта на собственном заводе площадью 6,000 м² в Дунгуане, работающем в диапазоне напряжений от 1 кВ до 150 кВ.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• Разряд ниже 5 пКл при номинальном напряжении. Каждый прибор тестируется, и регистрируется величина разряда, что обеспечивает 20-кратный запас ниже уровня 100 пКл, при котором эрозия переходит в короткое замыкание.
• Безпористая керамика с плотностью более 99.5% от теоретической. Горячее прессование и контролируемое спекание устраняют внутренние пустоты, в которых изначально происходит разряд.
• Начальное напряжение превышает номинальное в 1.5 раза, поэтому напряжение на шине остается ниже начального уровня даже при перерегулировании и переходных процессах на фронте импульса.
• Керамическая конструкция не образует проводящих углеродных дорожек. Продукты эрозии остаются изолятором, поэтому деталь не образует мостиков, которые образуются при использовании органической изоляции.
• Диапазон рабочих напряжений от 1 кВ до 150 кВ, с радиальными выводами, винтовыми клеммами и дверная ручка конденсаторыОдна диэлектрическая система обслуживает импульсную сеть, источник питания для зарядки и фильтр запуска.
• Подходит для прямой замены в системах лазерного обслуживания ведущих брендов и входит в перечень спецификаций производителей лазерного оборудования для новых силовых платформ. Компоненты HVC соответствуют электрическим параметрам и габаритам корпусов. Murata винтового типа, Vishay HVCC и TDK UHV/FHV.

Доставка и поддержка

Стандартные компоненты отгружаются в течение 4–8 недель, а комплекты, изготовленные на заказ, — в течение 6–10 недель. Инженеры-технологи HVC оказывают поддержку в расчете начального напряжения, проверке герметичности, анализе конструкции изоляции и интерпретации данных испытаний на частичные разряды для источников питания эксимерных лазеров.

Укажите напряжение питания, частоту повторения импульсов, толщину изоляции и количество часов работы. HVC предоставит вам лист выбора компонентов с данными испытаний на частичные разряды и комплект для оценки двух образцов в течение пяти рабочих дней.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Почему частичный разряд вызывает короткое замыкание конденсатора без предупреждения?

Поскольку повреждения носят кумулятивный характер и невидимы снаружи. Каждое событие приводит к перемещению заряда на 1 пКл – 100 пКл и эрозии примерно 1e−12 г керамики. При частоте 6 кГц, 100 пустотах и ​​заряде 10 пКл на событие кумулятивный заряд достигает 0.216 Кл за 10 000 часов, превышая диапазон отказов от 0.01 Кл до 0.1 Кл. Проверка емкости по-прежнему показывает значение в пределах допуска до тех пор, пока дорожка не замкнется.

В2: Какой запас по напряжению должен быть у рабочего напряжения ниже напряжения срабатывания?

Используйте 20% в качестве минимального значения и 50% там, где это позволяет геометрия. Для рабочей точки 30 кВ указывайте детали с разностью потенциалов (PDIV) выше 37.5 кВ и проверяйте это с помощью теста на частичные разряды при напряжении, в 1.2 раза превышающем рабочее напряжение. Стенка из керамики N4700 толщиной 1 мм с εr = 100 достигает стадии образования частичных разрядов при напряжении всего 2.01 кВ внутри пустоты, поэтому качество сборки определяет реальный запас прочности.

В3: Какой метод обнаружения подходит для импульсного источника питания частотой 6 кГц?

Для заряда и определения скорости разряда используйте высокочастотный трансформатор тока, а для локализации — УВЧ-антенну. Импульсно-разрешенная диаграмма заменяет фазово-разрешенную, поскольку источник питания не имеет опорного переменного фазового сигнала. При уровне заряда 10 пКл или 100 импульсах в секунду срабатывает сигнализация, и, сравнивая форму диаграммы, можно отделить внутренний разряд в пустотах от поверхностного разряда.

Вопрос 4: Разрушается ли керамическая деталь так же, как и пленочная?

№ А пленочный конденсатор В результате разложения полимера под воздействием разряда образуются углеродные следы, поэтому эрозия ускоряется после первых нескольких тысяч часов.

Керамика образует металлизированные отложения, а остальная часть стены остается теплоизолятором. Вот почему керамика дисковый конденсатор выдерживает больший суммарный заряд при той же толщине стенки.

В5: Как проверить поступающие партии товара на наличие пустых мест?

Запросите данные о плотности, превышающей 99% от теоретической, и результаты контроля на наличие пустот. Рентгеновский контроль позволяет выявить пустоты размером более 50 мкм, а ультразвуковое С-сканирование — расслоения по всей площади электрода. Партию без данных контроля нельзя квалифицировать для узла 30 кВ, поскольку количество пустот определяет напряжение начала образования пустот.

В6: Сколько времени занимает ускоренное испытание на разряд?

Износ при напряжении, в 1.5 раза превышающем рабочее, составляет около 2,000 часов, что соответствует 10 000 часам эксплуатации. Принимайте во внимание состояние элемента, когда увеличение частичных разрядов составляет менее 20%, дрейф емкости — менее 5%, а сопротивление изоляции — менее 50%. Любые худшие показатели указывают на наличие пустот, которые не переживут период эксплуатации.

7. Рекомендации

1. Э. Куффель, В.С. Заенгль, Дж. Куффель, Основы высоковольтной техники, 2-е изд., Ньюнес, 2000.
2. Н. Мохан, Т.М. Унделанд, У.П. Роббинс, Силовая электроника: преобразователи, применение и дизайн, 3-е изд., Wiley, 2003.
3. Уведомление 2 MIL-HDBK-217F. Прогнозирование надежности электронного оборудования, 1995.
4. МЭК 60384-1:2018, Фиксированные конденсаторы для использования в электронном оборудовании — Часть 1: Общие технические характеристики.
5. МЭК 60270:2025, Методы высоковольтных испытаний - Измерение частичных разрядов на основе заряда., 4-е изд. Женева: МЭК, 2025.
6. ГБ/Т 7354-2018, 高电压试验技术 局部放电测量. Источник: 中国标准出版社, 2018.
7. Х. Лю и др., Влияние электромагнитного поля на поведение частичного разряда в пленочных конденсаторах из БОПП-пленкиIEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, vol. 30, no. 6, pp. 2617-2624, 2023. https://doi.org/10.1109/tdei.2023.3304600
8. 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.
9. 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 .
10. JP 3979823 B2, 巻線装置及びそれを用いた高電圧パルス発生装置 (Намоточное оборудование и генератор высоковольтных импульсов, использующий его), Gigaphoton Inc., https://www.sumobrain.com/patents/JP3979823B2.html .
11. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com