Защита от теплового разгона и дугового разряда для реакторов озонаторов

Защита от теплового разгона и дугового разряда для реакторов озонаторов

Резюме

В реакторе с диэлектрическим барьерным разрядом нагрев барьера происходит в двух направлениях: энергия разряда на поверхности и диэлектрические потери внутри объема. В данной статье выводятся плотность потерь, зависимость потерь от температуры, запас изоляции при заданной температуре и энергия дуги, создаваемая резервуаром мощностью 20 кВт. Затем приводятся четыре проблемных момента, шесть стратегий проектирования и спецификация N4700, которая объединяет все элементы системы безопасности.

1. Введение

Промышленный генератор озона производит озон внутри реактора с диэлектрическим барьерным разрядом. Барьер представляет собой стеклянную или керамическую стенку между высоковольтным электродом и технологическим газом. Он отделяет электрод от газа и ограничивает разрядный ток, собирая поверхностный заряд в каждом полупериоде.

Обе функции изменяются в зависимости от температуры. При непрерывной работе барьер находится на 40–80 К выше температуры воздуха в камере. В этом диапазоне диэлектрическая прочность боросиликатного стекла падает примерно на 28%, и рабочее поле вообще не изменяется.

Цепочка отказов начинается с потери тепла, затем тепловыделение приводит к ослаблению барьера, ослабление барьера – к образованию микротрещины, а образование микротрещины – к концентрированной электрической дуге, распространяющейся по всему резервуару. Дуга разрушает барьер, загрязняет газовый тракт и прекращает производство озона до конца смены.

В этой статье с использованием собственных данных реактора рассчитываются плотность потерь, температура барьера, запас изоляции и энергия дуги. Затем приводятся четыре проблемных момента, шесть стратегий проектирования и технические характеристики конденсатора, обеспечивающие работоспособность каждого уровня системы безопасности.

2. Основной механизм

Четыре параметра определяют, выдержит ли барьер свой срок службы: мощность потерь, создаваемая этими потерями, температура, возникающая при этих потерях, поле пробоя при этой температуре и энергия дуги, выделяющаяся при окончательном разрушении барьера.

2.1 Плотность диэлектрических потерь в барьере

Диэлектрик преобразует часть приложенной энергии переменного тока в тепло за счет своего коэффициента рассеяния. Плотность мощности объемных потерь составляет:

p_loss = 2π · f · ε₀ · ε_r · tan δ · E²

где p_loss — плотность потерь в Вт/м³, f — частота возбуждения в Гц, ε₀ — 8.854×10⁻¹² Ф/м, ε_r — относительная диэлектрическая проницаемость, tan δ — коэффициент диссипации, а E — поле в В/м.

При использовании боросиликатного барьера толщиной 2 мм на частоте 20 кГц с ε_r = 10, tan δ = 0.5% и E = 3 кВ/мм потери мощности составляют p_loss = 500 кВт/м³. При работе того же барьера на частоте 40 кГц потери мощности составляют 1.0 МВт/м³, поскольку плотность потерь линейно зависит от частоты. Таким образом, модернизация реактора на частоте 10 кГц до 20 кГц удваивает тепловыделение без изменения каких-либо параметров поля.

2.2 Плотность потерь относительно температуры барьера

Барьерная температура определяется балансом между объемным нагревом и поверхностным охлаждением:

ΔT = p_loss · V / (h · A_s)

где ΔT — повышение температуры в Кельвинах, p_loss — плотность потерь в Вт/м³, V — объем барьера в м³, h — эффективный коэффициент теплопередачи в Вт/(м²·К), а A_s — площадь охлаждаемой поверхности в м².

Для плоского барьера отношение объема к площади равно толщине стенки, поэтому для стенки толщиной 2 мм с h = 20 Вт/(м²·К) ΔT = 500 000 × 0.002 / 20 = 50 К. Эта цифра представляет собой только потери, и она уже находится в нижней части диапазона 40–80 К, измеренного на работающих реакторах. Остальная часть потерь от разряда откладывается непосредственно на поверхности.

Здесь цикл замыкается. Барьерное стекло и оксид алюминия теряют стабильность коэффициента диссипации при нагревании, и повышение температуры с 50 до 100 °C примерно удваивает tan δ с 0.5% до 1.0%. Удвоение плотности потерь удваивает повышение температуры, вызванное потерями, поэтому коэффициент усиления цикла приближается к 1.0. Загрязненный теплообменник, который снижает h с 20 до 12 Вт/(м²·К), повышает ΔT с 50 К до 83 К и доводит коэффициент усиления до значения, превышающего 1.

2.3 Запас прочности изоляции при заданной температуре

Пробивное поле диэлектрика уменьшается с повышением температуры, в то время как рабочее поле остается постоянным. Расчетным показателем является отношение этих двух значений:

Margin = E_breakdown(T) / E_operating

где Margin — безразмерный запас изоляции, E_breakdown(T) — поле пробоя при температуре барьера в кВ/мм, а E_operating — рабочее поле в кВ/мм.

Возьмем барьер с номинальным напряжением 7.5 кВ/мм при 25 °C и рабочим напряжением 3 кВ/мм. Запас по напряжению в холодном состоянии составляет 2.5×. При 105 °C, что на 60 К выше, чем на предприятии с температурой 45 °C, напряжение пробоя снижается на 28% до 5.4 кВ/мм, а запас составляет 1.8×. Показатель 1.5× относится к диапазону температур около 150 °C, а не к камере при 45 °C. Пустота, частица пыли или отпечаток пальца, сохранившиеся после испытаний в чистой комнате, могут вызвать разряд с запасом по напряжению 1.8×.

2.4 Энергия дуги и время срабатывания защиты

После пробоя резонансный контур передает энергию поврежденному участку. Энергия дуги — это мощность дуги, интегрированная по времени реакции защитной системы:

E_arc = ∫ V_arc(t) · I_arc(t) dt

где E_arc — энергия дуги в Дж, V_arc — напряжение дуги в В, I_arc — ток дуги в А, а t — время реакции в с.

Озонатор мощностью 20 кВт при напряжении 2 кВ выдает ток 10 А, поэтому сопротивление дуги составляет около 200 Ом. При поддержании тока в течение одного периода переключения 50 мкс на частоте 20 кГц эта дуга выдает 2,000 × 10 × 50 × 10⁻⁶ = 1.0 Дж. Если рассматривать сопротивление дуги как несколько миллиом, то при том же напряжении 2 кВ ток составит 400 кА, чего не может обеспечить ни один озонатор. Ток короткого замыкания определяется сопротивлением источника, и единственным параметром, который необходимо учитывать при проектировании, является время срабатывания защиты.

Резонансный конденсатор добавляет к этой величине собственный накопленный заряд:

E = ½ · C · V²

где E — запасённая энергия, C — ёмкость в нФ, а V — напряжение заряда в кВ. Нанофарады и киловольты дают миллиджоули, поэтому резонансный конденсатор ёмкостью 4.7 нФ, заряженный до 10 кВ, запасает 235 мДж. Весь запасённый заряд составляет менее джоуля, и именно поэтому время реакции в пределах одного периода переключения ограничивает повреждение микроотверстием, а не головкой реактора.

Рис. 1 — Плотность потерь на частоте 20 кГц определяет температуру барьера, запас в 105 °C и энергию 1.0 Дж, получаемую за один 50-микросекундный период.

3. Проблемы проектирования

Четыре промежутка времени отделяют реактор, проработавший десять лет, от реактора, вышедшего из строя на второе лето.

Проблема 1: Диэлектрическая зона повышенной концентрации остается невидимой для датчиков.

Поверхностный термоэлемент считывает показания внешней оболочки барьера, температура которой на 20-30 К ниже, чем температура внутренней зоны перегрева, где начинается пробой. К тому моменту, когда поверхностный датчик пересечет пороговое значение срабатывания сигнализации, объем за ним уже окажется в замкнутом контуре неконтролируемого воздействия. Инфракрасная визуализация также видит поверхность, поэтому она повторяет ту же самую «слепую зону».

Проблема 2: Правила снижения тарифов не учитывают выгоду от обратной связи.

Поскольку тангенс угла диэлектрических потерь (tan δ) возрастает с температурой, барьер, сохраняющий работоспособность при номинальной мощности в лабораторных условиях при 25 °C, может выйти из-под контроля на предприятии при 45 °C в июле. Фиксированная инструкция, такая как «работать на 80% мощности», не может это обеспечить, поскольку коэффициент усиления контура изменяется в зависимости от окружающей среды, потока газа и возраста диэлектрика.

Проблемный момент 3: Мониторинг перитонеального диализа искажается из-за проблем с подачей электроэнергии.

Обнаружение частичных разрядов является стандартным методом раннего предупреждения, и в генераторе озона резонансный конденсатор, повышающий трансформатор и соединительные элементы находятся в одной и той же схеме датчика. Резонансный конденсатор с внутренним разрядом выше 5 пКл повышает уровень шума, который маскирует начинающуюся неисправность самого реактора.

Проблемный момент 4: Энергия электрической дуги попадает на самое слабое звено.

При возникновении электрической дуги происходит разряд через резервуар. Без быстродействующей блокировки и энергопоглощающего демпфера вся энергия из резервуара проходит через микроотверстие, поэтому ремонтируемое отверстие диаметром 0.2 мм превращается в трещину в барьере и путь для загрязненного газа.

4. Этапы проектирования

Шесть стратегий охватывают три уровня цепи безопасности: снижение температуры, раннее обнаружение повышения температуры и подавление электрической дуги, если она все равно возникает.

Стратегия 1: Устранить источник перегрева

Выберите барьерный материал с низким тангенсом угла диэлектрических потерь (tan δ) на рабочей частоте и используйте его в паре с резонансными конденсаторами, собственный коэффициент рассеяния которых составляет 0.1% или меньше. Каждый ватт, не рассеиваемый в конденсаторе, — это ватт, который никогда не попадет в воздух корпуса, и каждый градус разгрузки восстанавливает запас прочности барьера.

Стратегия 2: Отслеживание неуправляемой переменной

Установите резервные датчики на выходе охлаждающего воздуха и на опорной конструкции барьера. Сигнализация срабатывает как по значению dT/dt, так и по абсолютному значению, поскольку быстрый рост в стабильной среде указывает на срабатывание обратной связи. Сигнал скорости поступает до нелинейной части кривой.

Стратегия 3: Поддерживайте чистоту в помещении для проведения ПД.

Укажите в цепи датчика конденсаторы с частичным разрядом ниже 5 пКл при номинальном напряжении, что должно быть подтверждено заводской проверкой. Чистый пол позволяет детектору обнаружить зарождающееся микроотверстие в два-три раза раньше, что является разницей между плановой заменой барьера и аварийной остановкой.

Стратегия 4: Блокировка инвертора по признаку дугового разряда.

Обнаружение дуги происходит как ступенчатое изменение резонансного тока плюс его высокочастотное содержимое, и инвертор отключается в течение одного периода переключения. Сочетание блокировки с быстрым путем разряда для энергии, накопленной в контуре, обеспечивает поддержание E_arc на уровне 1.0 Дж в течение одного периода.

Стратегия 5: Поглотить переходный процесс с помощью демпфирующего элемента.

Установите абсорбционные конденсаторы параллельно баку и клеммам реактора, выбрав номинал, рассчитанный на поглощение энергии, накопленной при возникновении дуги. Их диэлектрик должен выдерживать многократные воздействия высоких значений di/dt, поэтому используйте конструкцию с низким ESL и снизьте номинальное напряжение до 70% от номинального. Установите быстровосстанавливающийся диод и абсорбционная ветка на той же короткой шине.

Стратегия 6: Выберите барьерный материал для защиты от перепадов температуры.

Для генераторов с высокой концентрацией и помещений с высокой температурой следует выбирать барьеры из силиконовой резины или высокотемпературной керамики, диэлектрическая прочность которых снижается медленнее с повышением температуры, и снижать номинальную рабочую температуру для соответствия этим параметрам. Ограничьте температуру установившегося перегрева до 105 °C, при которой запас прочности все еще составляет 1.8×.

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	< 50 мОм	tan δ ≤ 0.1%
Индуктивность петли (хорда E40)	< 8 нГн	Расстояние между клеммами: 40 мм
сопротивление изоляции	> 10 ГОм при 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	> 50 кВ/мкс	при номинальном напряжении

5. Конденсаторы HVC для этого узла

Компания HVC производит резонансные и абсорбционные конденсаторы для системы тепловой безопасности озонатора:

• Коэффициент рассеяния 0.1% или ниже, поэтому резонансный конденсатор не выделяет измеримого количества тепла в корпус.
• Частичный разряд ниже 5 пКл при номинальном напряжении, подтвержденный заводской проверкой, поддерживает минимальный уровень частичных разрядов ниже порогового значения неисправности реактора.
• Температурный коэффициент составляет ±30 ppm/°C, поэтому резонансная частота не смещается в режим высоких токов именно тогда, когда барьер максимально нагрет.
• Низкоэмиссионные винтовые клеммы и дверная ручка конденсаторы которые выдерживают di/dt переходного процесса дугового разряда и соответствуют правилу 70% снижения номинальной мощности для режима поглощения.
• N4700 (T3M) керамические дисковые конденсаторы Диапазон напряжений составляет от 1 кВ до 100 кВ для резонансного узла и делителей.
• Серия винтовых клемм на 40 кВ, предназначенная для прямой замены основных компонентов в программах ремонта в полевых условиях.

Доставка и поддержка включает Перекрестная ссылка Для проверки работоспособности детали в полевых условиях необходимо предоставить кривые зависимости коэффициента демпфирования от температуры, отчеты об испытаниях на частичные разряды, рекомендации по применению демпфирующих элементов и образцы для термической проверки. Необходимо указать материал барьера, рабочую частоту, напряжение узла и температуру воздуха в шкафу.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Насколько сильно нагрелась защитная мембрана озонового реактора?

Планируйте температуру на 40–80 К выше температуры воздуха в шкафу. При частоте 20 кГц, напряжении 3 кВ/мм и тангенсе угла диэлектрических потерь (tan δ) 0.5% только диэлектрические потери объясняют повышение температуры на 50 К на стенке толщиной 2 мм при h = 20 Вт/(м²·К).

В2: Почему частота 20 кГц нагревает барьер в два раза сильнее, чем частота 10 кГц?

Плотность потерь линейно зависит от частоты. Тот же пороговый уровень на частоте 40 кГц достигает 1.0 МВт/м³, а 500 кВт/м³ на частоте 20 кГц превращается в 250 кВт/м³ на частоте 10 кГц при прочих равных условиях.

В3: Достаточно ли запаса в 2.5 раза при рабочей температуре?

Не при 105 °C. Пробивное поле стекла там снижается на 28%, поэтому барьер с номинальным напряжением 7.5 кВ/мм, работающий при 3 кВ/мм, выдерживает в 1.8 раза большее напряжение, а не в 2.5 раза большее. Поддерживайте температуру в зоне перегрева на уровне 105 °C или ниже и следите за чистотой поверхности.

Вопрос 4: На какое значение тока дуги следует установить блокировку?

Направляйте ток на источник, а не на дугу. Резонатор мощностью 20 кВт при напряжении 2 кВ выдает 10 А, поэтому дуга при сопротивлении 200 Ом потребляет 10 А, а один период при частоте 20 кГц выделяет 1.0 Дж.

В5: Насколько низким должно быть значение емкости конденсатора PD?

При номинальном напряжении разряд конденсатора составляет менее 5 пКл. При более высоком значении собственный разряд конденсатора повышает уровень срабатывания измерительной цепи, и зарождающаяся неисправность реактора остается скрытой до стадии дугового разряда.

Вопрос 6: Какие типы конденсаторов подходят для демпфирующей цепи?

Керамика с низким уровнем ESL и пленочный конденсатор Типы, рассчитанные на многократное использование высоких значений di/dt, имеют пониженную номинальную мощность до 70% от номинального напряжения. Проверьте ESR на частоте переключения и убедитесь, что индуктивность ветви не превышает 8 нГн.

7. Рекомендации

1. МЭК 60384-1:2021, Фиксированные конденсаторы для использования в электронном оборудовании — Часть 1: Общие технические характеристики, 6-е изд. Женева: МЭК, 2021.
2. Куффель, Э., Заенгль, В.С., и Куффель, Дж. Высоковольтная техника: основы, 2-е изд. Оксфорд: Ньюнес, 2000.
3. Н. Мохан, Т.М. Унделанд и У.П. Роббинс, Силовая электроника: преобразователи, применение и дизайн, 3-е изд. Хобокен, Нью-Джерси: John Wiley & Sons, 2003.
4. Уведомление 2 MIL-HDBK-217F. Прогнозирование надежности электронного оборудованияВашингтон, округ Колумбия: Министерство обороны США, 1995.
5. МЭК 61071:2017, Конденсаторы для силовой электроники, Изд. 2.0. Женева: Международная электротехническая комиссия, 2017.
6. У. Когельшац, Разряды в диэлектрическом барьере: их история, физика разряда и промышленное применение.Плазменная химия и плазменная обработка, том 23, № 1, стр. 1-46, 2003. https://doi.org/10.1023/a:1022470901385.
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. В.И. Гибалов и Г.Дж. Пич, О характеристиках генераторов озона, работающих с диэлектрическими барьерными разрядами.Озон: наука и техника, том 28, № 2, стр. 119-124, 2006. https://doi.org/10.1080/01919510600559419.
9. Общая информация об измерениях частичного разряда силовых электронных конденсаторов, ZVEI/ELECTRONICON Kondensatoren, 2021, https://www.electronicon.com/fileadmin/inhalte/PDF-Dateien/Zertifikate_und_Dokumente/2021_ZVEI_Guideline_Partial_Discharge_Measurements_Final.pdf.
10. США 8,570,711, Многослойный керамический электронный компонент (Подавление дугового разряда для многослойных керамических конденсаторов 1–5 кВ), Samsung Electro-Mechanics Co., Ltd., патент выдан в 2013 г., https://www.freepatentsonline.com/8570711.html.
11. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com