Диагностика искрения и утечки в высоковольтных керамических конденсаторах

Диагностика искрения и утечки в высоковольтных керамических конденсаторах

Резюме

Выход из строя высоковольтного керамического конденсатора может проявляться двумя способами: дуговым разрядом, вызывающим короткое замыкание, или утечкой тока, приводящей к разряду шины. В данной статье выводятся параметры заряда и энергии одного разряда, эрозия, следующая за ним, и ухудшение изоляции, превращающее разряд в утечку тока. Затем описываются шесть этапов, препятствующих обоим механизмам разряда, включая экранирующий затвор частичных разрядов и правило снижения номинальных параметров, определяемое по измеренному напряжению начала разряда.

1. Введение

Высоковольтные керамические конденсаторы хорошо работают в пределах своих конструктивных параметров, но выходят из строя двумя видимыми способами. Короткое замыкание вызывает разряд, часто сопровождающийся вспышкой и слышимым звуком. Путь утечки разряжает шину, нарушает контур регулирования и в конечном итоге приводит к срабатыванию защитной цепи.

Эти два исхода не являются отдельными проблемами. Практически во всех анализах отказов они имеют одну общую причину: частичный разряд, начавшийся глубоко в диэлектрике или на краю электрода и разъедавший изоляцию до достижения одного из двух конечных состояний. Направление пути разряда определяет, какое именно состояние будет достигнуто.

Анализ отказов высоковольтных блоков лазерных установок показывает следующее разделение. Из 120 исследованных отказов керамических конденсаторов 55% были вызваны искрением, а 45% — утечкой. У 80% конденсаторов обеих групп были обнаружены признаки более раннего разряда в месте отказа: обугленные ямки, эрозированные края электродов и следы от трекинга. Конденсаторы вышли из строя не от старости, а от разряда, который продолжался незамеченным в течение нескольких месяцев.

Источник этого явления можно измерить до того, как он приведет к отказу. В этой статье определяются заряд, энергия и эрозия одного из таких событий, а затем приводятся шесть шагов, предотвращающих разряд в детали: экранирование, снижение номинальных характеристик относительно измеренного напряжения начала разряда, мониторинг тенденций, контроль окружающей среды, диэлектрик класса I и анализ реального отказа.

2. Основной механизм

2.1 Частичный сброс как общая причина

Частичный разряд — это локальный пробой внутри пустоты, на краю электрода или вдоль загрязненной поверхности. Он не вызывает короткого замыкания конденсатора и передает небольшой заряд:

Q_pd = C_void × ΔV_void

где Q_pd — кажущийся заряд на одно событие, C_void — емкость пустоты, а ΔV_void — напряжение, возникающее при ее образовании.

В пустоте емкостью 0.1 пФ, при которой приложенное поле падает на 1 кВ, за одно событие выделяется 100 пКл заряда, что в 20 раз превышает предел экранирования в 5 пКл. Энергия этого события зависит от заряда и приложенного напряжения:

E_pd = ½ × Q_pd × V_applied

где E_pd — энергия на одно событие, Q_pd — кажущийся заряд, а V_applied — напряжение на конденсаторе.

При напряжении 20 кВ разряд в 100 пКл переносит 1 мкДж энергии. Один микроджоуль сам по себе ничтожен; при 10⁵ разрядах в час это 0.1 Дж в час, попадающий на несколько сотен квадратных микрометров керамики, и каждый разряд удаляет материал. Эрозия снижает напряжение начала разряда, поэтому скорость разряда возрастает с увеличением причиняемого ущерба.

2.2 Дугообразная траектория

Когда эрозированный канал достигает критического размера, следующее событие перекрывает диэлектрик, и сопротивление канала схлопывается. Получаемая энергия — это запасённая энергия конденсатора:

E_stored = ½ × C × V²

где E_stored — запасенная энергия, C — емкость, а V — напряжение на конденсаторе в момент пробоя.

Для конденсатора емкостью 10 нФ при напряжении 20 кВ это составляет 2 Дж, чего достаточно, чтобы испарить канал, расколоть корпус и разорвать герметизацию закрытой детали. Выход из строя происходит за микросекунды и приводит к короткому замыканию, а разряд, вызвавший его, продолжался месяцами до этого.

2.3 Путь утечки

Когда разряд происходит вдоль края электрода или поверхностной дорожки, он образует резистивный путь, а не короткое замыкание. Сопротивление изоляции уменьшается с накоплением эрозии:

R_ins(t) = R_ins0 × exp(−k_erosion × t)

где R_ins(t) — сопротивление изоляции через время t, R_ins0 — начальное значение, а k_erosion — константа скорости эрозии.

Ток стока следует за падением сопротивления:

I_leak = V / R_ins

где I_leak — ток утечки, V — приложенное напряжение, а R_ins — сопротивление изоляции.

Новый элемент с сопротивлением 10 ГОм пропускает 2 мкА при напряжении 20 кВ, что не обнаруживается ни одной схемой. При сопротивлении 10 МОм тот же элемент пропускает 2 мА, что нарушает коэффициент деления, сдвигает выходное напряжение и срабатывает система обнаружения утечки. Снижение тока происходит в течение нескольких месяцев, и его можно обнаружить на протяжении всего процесса, если кто-либо произведет измерения.

2.4 Снижение номинальных характеристик на основе измеренного напряжения включения

Снижение номинальных характеристик позволяет поддерживать рабочее напряжение ниже уровня, при котором начинается разряд, а 80% от номинального напряжения недостаточно для выполнения этой задачи. Деталь с небольшими дефектами может иметь напряжение начала разряда ниже 80% от своего номинального значения.

Укажите рабочее напряжение при 60–70% от измеренного значения частичных разрядов (PDIV) детали и потребуйте от поставщика данные о частоте частичных разрядов ниже 5 пКл при номинальном напряжении. При частоте ниже 5 пКл эрозия за один разряд достаточно мала, чтобы обеспечить реалистичный срок службы в десять лет.

Рис. 1 — Пустота разряжается на 100 пКл за одно событие; обугленный канал заканчивается дугой, а следовой путь заканчивается током стока 2 мА при напряжении 20 кВ.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Причиной искрения часто считают неисправность компонента.

Смена завершается электрической дугой, и видимым доказательством является поврежденный конденсатор, поэтому вину возлагают на деталь. Анализ отказов обычно показывает, что дуга была последним актом разряда, начавшегося в производственном дефекте или из-за перенапряжения за несколько месяцев до этого, что указывает на слишком малый запас прочности конструкции, а не на бракованную деталь.

Проблема 2: Утечки приводят к проблемам, связанным с несоответствием нормативным требованиям.

Разряжающийся конденсатор вызывает просадку выходного сигнала, контур компенсирует это, и просадка возвращается. Затем ремонтные бригады диагностируют дрейф контроллера или проблемы с делителем напряжения, в то время как протекающий конденсатор остается на месте в течение нескольких сервисных визитов. толстопленочный резистор и резистор выборки Делитель напряжения заменяют до того, как кто-либо измерит емкость конденсатора.

Проблема 3: При проведении испытаний на отгрузку проверяются конечные состояния, а не исходные.

Производственные испытания включают проверку емкости, эквивалентного последовательного сопротивления (ESR) и высоковольтного испытания, которое выявляет короткое замыкание. Они не проверяют динамику изоляции и не учитывают частичный разряд. Конденсатор, который разрядится через шесть месяцев или выдаст дуговой разряд через год, проходит все испытания при отгрузке, поскольку оба теста измеряют конечное состояние отказа, который еще не произошел.

Проблема 4: Правило снижения допустимых нагрузок не соответствует детали.

Снижение номинального напряжения до 80% от него по-прежнему приводит к отказам, вызванным разрядом, поскольку напряжение начала разряда является свойством внутренних пустот и контактов детали, а не ее паспортной таблички. Число, взятое из эмпирического правила, не может описать пустоту размером 200 мкм внутри керамики, поэтому значение снижения номинального напряжения должно быть получено на основе измерений.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Превратить скрининг на профпригодность в квалификационный этап.

Требуется измерение частичных разрядов на уровне партии при номинальном напряжении с порогом 5 пКл. При значениях ниже 5 пКл эрозия за одно событие достаточно мала, чтобы обеспечить реалистичный десятилетний срок службы. Компания HVC предоставляет данные испытаний на частичные разряды для каждой производственной партии, что исключает источник разряда до отгрузки детали.

Стратегия 2: Снижение чувствительности по сравнению с измеренным значением PDIV.

Установите рабочее напряжение на уровне 60–70% от измеренного напряжения включения и принимайте 80% от номинального напряжения, указанного на паспортной табличке, за верхнюю границу. N4700 Деталь класса I с частичным разрядом ниже 5 пКл при полной номинальной мощности, диэлектрик по своей конструкции работает без разряда, и требование к снижению номинальной мощности выполняется при значении, указанном на паспортной табличке.

Стратегия 3: Мониторинг сопротивления изоляции как тенденции.

Регулярно измеряйте сопротивление изоляции или установите на шине непрерывный высокоомный монитор и подавайте сигналы тревоги по тенденции, а не по пороговому значению. Десятикратное падение сопротивления за шесть месяцев является ранним признаком утечки, и оно появляется за два-четыре месяца до того, как утечка начнет мешать работе оборудования.

Стратегия 4: Контроль условий сброса

Активность разряда возрастает с повышением температуры и загрязнением поверхности. Необходимо герметизировать высоковольтную секцию, поддерживать влажность ниже 40% и содержать поверхности в чистоте. Это напрямую препятствует образованию поверхностного трека и замедляет краевой разряд, питающий дуговой разряд.

Стратегия 5: Использовать диэлектрик класса I.

Диэлектрики класса I сохраняют свои изоляционные свойства при постоянном напряжении и температуре, без поляризационной усталости и потери емкости из-за старения. Дрейф, наблюдаемый у компонентов класса II при постоянном напряжении, отсутствует, что устраняет один из источников необъяснимых изменений характеристик высоковольтного блока. пленочный конденсатор Он самовосстанавливается после локального сбоя, но при этом имеет меньшую емкость на единицу объема и собственное поведение по истечении срока службы, поэтому это совсем другой вариант, а не бесплатное обновление.

Стратегия 6: Анализ каждой неисправной детали.

Разрежьте каждый вышедший из строя конденсатор, осмотрите место повреждения под микроскопом и классифицируйте механизм повреждения как разряд в пустоте, краевой разряд или поверхностный трекинг. Классификация используется для заполнения базы данных проектирования, и те же требования к отбору применяются ко всем остальным конденсаторам. быстровосстанавливающийся диод и заменить детали в высоковольтном блоке. В этом случае отказ компонента станет уроком проектирования, а не статистикой гарантийного случая.

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 высоковольтной шины

Оба типа отказов начинаются с дефекта внутри детали, поэтому оба устраняются до отгрузки. Компания HVC производит конденсаторы класса I N4700 на собственном заводе площадью 6,000 м² в Дунгуане, в диапазоне напряжений от 1 кВ до 100 кВ.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• Частичный разряд ниже 5 пКл при номинальном напряжении. Проверка на наличие частичных разрядов на уровне партии исключает общую причину возникновения дугового разряда и утечки, поэтому цепочка эрозии не имеет отправной точки внутри диэлектрика.
• Плотная структура класса I. Диэлектрик N4700 спекается до почти полной плотности с контролируемыми границами зерен, что оставляет мало внутренних пустот, где может начаться разряд.
• Стабильная изоляция на протяжении всего срока службы. Диэлектрик класса I не проявляет усталости от поляризации и не демонстрирует роста тока утечки, вызванного старением, при непрерывном воздействии постоянного тока, поэтому стоковому механизму не приходится работать с каким-либо материалом.
• Опубликованные данные о снижении номинальных характеристик. Компания HVC предоставляет кривые PDIV и снижения номинальных характеристик, что позволяет разработчику работать при напряжении, составляющем от 60% до 70% от измеренного начального напряжения, с подтверждением полученных значений.
• Температурно-стабильное поведение. Коэффициент ±30 ppm/°C и коэффициент диссипации ниже 0.1% обеспечивают постоянство параметров детали в пределах теплового диапазона высоковольтного блока и препятствуют возникновению температурно-обусловленных разрядных путей.
• Проверенная временем замена. Серия 40 кВ / 441. дверная ручка конденсаторы являются подходящей заменой для Murata В программе ремонта источников света для литографии используются винтовые конденсаторы, а разработчики DUV-технологий теперь указывают в качестве компонентов HVC в новых источниках света.

Доставка и поддержка

Стандартные детали отгружаются в течение 4–8 недель, а отобранные комплекты — в течение 6–10 недель. Инженеры-технологи HVC оказывают поддержку в проведении анализа снижения номинальных характеристик, настройке испытаний на частичные разряды и анализе отказов возвращенных деталей. Необходимо предоставить рабочее напряжение, номинальное напряжение, рабочую температуру, историю партии и фотографии места отказа. HVC предоставит данные о частичных разрядах, кривые снижения номинальных характеристик и отчет о разрезе в течение пяти рабочих дней.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Какой объем заряда передается при одном частичном разряде?

100 пКл от пустоты емкостью 0.1 пФ, на которую падает напряжение 1 кВ, при заряде, равном произведению емкости на напряжение. Это в 20 раз превышает предел экранирования в 5 пКл, и это повторяется до 10⁵ раз в час на детали, на которую поступает непрерывный сигнал высокого напряжения.

Вопрос 2: Какое количество энергии переносит частичный разряд?

1 мкДж на одно событие при 20 кВ, исходя из половины величины заряда, умноженного на напряжение. При 10⁵ событиях в час это составляет 0.1 Дж в час, попадающих на дефект размером в несколько сотен микрометров, поэтому повреждение накапливается медленно, а затем завершается за одно событие.

Вопрос 3: Какое количество энергии высвобождается, когда в конденсаторе наконец возникает электрическая дуга?

Запасённая энергия равна половине C, умноженной на V в квадрате. Конденсатор 10 нФ при напряжении 20 кВ запасает 2 Дж, что приводит к испарению канала, растрескиванию корпуса и возможному разрыву герметизирующего слоя.

Вопрос 4: Как протекает режим утечки?

Сопротивление изоляции экспоненциально уменьшается с накоплением эрозии. Деталь, изначально имеющая сопротивление 10 ГОм, пропускает 2 мкА при 20 кВ, а при 10 МОм та же деталь пропускает 2 мА, чего достаточно, чтобы изменить коэффициент деления и вызвать срабатывание защиты.

Вопрос 5: Достаточно ли снижения номинальной мощности на 80% для непрерывной работы в высоковольтном режиме?

Само по себе это невозможно, поскольку напряжение срабатывания детали с небольшим дефектом может составлять менее 80% от номинального значения. Установите рабочее напряжение на уровне 60–70% от измеренного напряжения срабатывания и требуйте, чтобы значения частичных разрядов были ниже 5 пКл при номинальном напряжении.

В6: Какова выгода от разборки вышедшего из строя конденсатора?

Механизм. Разряд в пустотах, краевой разряд и поверхностное трение требуют различных корректирующих действий, и видимое повреждение в месте отказа позволяет определить, какое из них применимо. Без этого участка замена попадает в тот же расчетный диапазон, и следующая деталь выходит из строя таким же образом.

7. Рекомендации

1. Э. Куффель, В.С. Заенгль, Дж. Куффель, Основы высоковольтной техники, 2-е изд., Ньюнес, 2000.
2. Мохан, Н., Унделанд, Т.М., и Роббинс, В.П. Силовая электроника: преобразователи, применение и дизайн, 3-е изд. Хобокен, Нью-Джерси: John Wiley & Sons, 2003.
3. Уведомление 2 MIL-HDBK-217F. Прогнозирование надежности электронного оборудования, 1995.
4. МЭК 60384-1:2021, Фиксированные конденсаторы для использования в электронном оборудовании — Часть 1: Общие технические характеристики, 6-е изд. Женева: МЭК, 2021.
5. МЭК 60270:2025, Методы высоковольтных испытаний - Измерение частичных разрядов на основе заряда., 4-е изд. Женева: МЭК, 2025.
6. МЭК 60664-1:2020, Координация изоляции оборудования в низковольтных системах электроснабжения — Часть 1: Принципы, требования и испытания., 3-е изд. Женева: МЭК, 2020.
7. 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.
8. Г. Д'Антона и Л. Перфетто, Локализация частичных разрядов в изолированных распределительных устройствах методом расширения собственных функций.IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, том 68, № 5, стр. 1294-1301, 2019. https://doi.org/10.1109/tim.2019.2904806.
9. 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.
10. США 10,529,487, Многослойный керамический конденсатор с внутренними электродами, имеющими различное расположение краев., Taiyo Yuden Co., Ltd., выдано в 2020 г., https://www.freepatentsonline.com/10529487.html.
11. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com