Работоспособность металлопленочных конденсаторов в формированных электротепловых режимах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.02, кандидат технических наук Емельянов, Олег Анатольевич

• Емельянов, Олег Анатольевич
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Емельянов, Олег Анатольевич

Список условных обозначений и сокращений.

Введение.

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.И

1.1. Область форсированных электротепловых режимов нагрузки конденсаторов.

1.2. Особенности конструкций и характеристик низковольтных металлопленочных конденсаторов.

1.3. Методы расчета теплового состояния конденсаторов.

1.3.1. Общие представления о тепловых расчетах в конденсаторах.

1.3.2. Приближенные методы теплового расчета.

1.3.3. Аналитические методы расчета.

1.4. Современные представления о развитии тепловой неустойчивости в электрических конденсаторах с позиции синергетики.

1.5. Выводы и постановка задачи исследования.

2. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ.

2.1. Объекты исследования.

2.2. Испытательные камеры.

2.3. Методика определения воздушных зазоров внутри цилиндрического конденсатора.

2.4. Методика регистрации температуры.

2.5. Методика регистрации их.пр в квазистационарных условиях.

2.6. Методика измерения температурных и частотных зависимостей электрической прочности ,С и испытуемых конденсаторов.

2.7. Испытательный стенд для исследования работоспособности конденсаторов в форсированных режимах.

2.8. Методика проведения вычислительного эксперимента.

2.9. Статистическая обработка экспериментальных данных.

Выводы.

3. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СОСТОЯНИЯ КОНДЕНСАТОРА ПРИ БОЛЬШИХ ЭЛЕКТРОТЕПЛОВЫХ НАГРУЗКАХ.

3.1. Математическая постановка задачи.

3.2. Конденсатор с релаксационными потерями в условиях неоднородного электрического поля.

3.3. Конденсатор с релаксационными потерями в условиях однородного электрического поля.

3.4. Общий случай теплового состояния конденсатора с учетом релаксационных и джоулевых потерь.

3.5. Метод осреднения уравнения теплопроводности для оценки максимальной температуры конденсатора.

3.6. Динамика электротепловой неустойчивости полярного диэлектрика в области температурного максимума релаксационных потерь (ОТНУ).

3.7. Динамика развития тепловой неустойчивости в протяженных конденсаторных структурах.

Выводы.

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТИ КОНДЕНСАТОРОВ В ОБЛАСТИ БОЛЬШИХ ЭЛЕКТРОТЕПЛОВЫХ НАГРУЗОК.

4.1. Температурная зависимость эффективного фактора потерь.

4.2. Исследование зависимости пробивного напряжения от температуры.

4.3. Экспериментальные данные развития тепловой динамики.

4.4. Достигнутые значения удельной реактивной мощности.

4.5. Влияние режимов охлаждения на срок службы.

4.6. Особенности выхода из строя конденсаторов при увеличении длительности ФР.

4.7. Распространение автоволнового фронта электротеплового разогрева в пленке ПВА.

Выводы.

5. ИНЖЕНЕРНАЯ МЕТОДИКА РАСЧЕТА МАКСИМАЛЬНОЙ

ТЕМПЕРАТУРЫ И СРОКА СЛУЖБЫ КОНДЕНСАТОРОВ В ФР.

5.1. Исходные данные для расчета.

5.2. Расчет эквивалентного воздушного зазора и теплофизических параметров конденсаторной секции.

5.3. Определение эффективного коэффициента теплоотдачи с поверхности конденсатора.

5.4. Безразмерное модельное уравнение теплопроводности для изотропной области.

5.5. Расчет температурной динамики.

5.6. Основные этапы и пример инженерного расчета температурной динамики и срока службы конденсатора.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Работоспособность металлопленочных конденсаторов в формированных электротепловых режимах»

В технических условиях (ТУ) на серийно-выпускаемые конденсаторы указываются режимы нагрузок, соответствующие срокам службы (тсл) на уровне 5—10 тыс. часов.Вместе с тем, определенные разновидности электронной и электротехнической аппаратуры в ряде случаев эксплуатируются в течение относительно коротких сроков службы. Металлопленочные электрические конденсаторы (МПК), входящие в состав указанной аппаратуры, используются в однократных или повторно-кратковременных режимах работы, длительность которых может исчисляться десятками—сотнями секунд. Исходя из практических соображений, можно резко увеличить (форсировать) нагрузку на конденсатор относительно режимов, предусмотренных ТУ, за счет существенного сокращения тсл. Оптимальный выбор конденсаторов для работы в форсированных режимах (ФР) с учетом малых тсл позволяет существенно повысить технико-экономические и снизить массо-габаритные характеристики конденсаторов и аппаратуры в целом. Основным механизмом нарушения работоспособности конденсаторов в некоторых ФР является развитие тепловой неустойчивости (ТНУ), заканчивающейся тепловым пробоем (ТП). Поскольку этот существенно нестационарный процесс в конденсаторах протекает не мгновенно, а составляет величины порядка десятков секунд—часов, срок службы в этом случае может быть ограничен временем развития ТП : тсл < ттп.

В связи с невозможностью использования ТУ для прогнозирования работоспособности МПК в форсированных режимах в условиях развивающейся тепловой неустойчивости необходимо привлекать дополнительные оценки и методы расчета.

В силу специфики рассматриваемых ФР в литературе практически отсутствуют системные данные экспериментальных исследований.

Большинство расчетных методов электротеплового состояния конденсаторов используются при анализе стационарных режимов нагрузки. Нестационарные методы расчета, как правило, применимы в регулярных температурных режимах , при которых длительность воздействия нагрузки значительно превышает тепловую постоянную времени конденсаторов тт, в то время, как тсл~ттп~тт.

Наиболее полное исследование теплового состояния конденсаторов возможно на основе применения численных методов расчета с использованием ЭВМ. Однако в известных литературных источниках подобные исследования работоспособности МПК в ФР не проводились. Кроме того, результаты численного эксперимента затрудняют проведение аналитических оценок и инженерных методов расчета в широком диапазоне воздействующих факторов (значение амплитуды напряжения, частоты, условий охлаждения, электрофизических и тепловых свойств материалов).

Таким образом, для оценки работоспособности необходимы методы расчета, учитывающие существенную нестационарность развития ТНУ в условия интенсивных электротепловых нагрузок.

Сложность оценок электротеплового состояния конденсаторов в нестационарных режимах обусловлена, в первую очередь, трудностью решения базовой системы уравнений нестационарной теплопроводности. Как известно, развитие ТП связано с резкой зависимостью роста тепловыделения (мощности диэлектрических потерь от температуры. Кроме того, для ряда диэлектриков характерна немонотонность указанного тепловыделения, связанная с температурным максимумом диэлектрических потерь (полярные диэлектрики, сегне-токерамика). Таким образом, нестационарное уравнение теплопроводности содержит существенно нелинейный источник тепла. Общих методов решения подобных систем на сегодняшний день не существует, однако за последние 15 лет в нелинейной физике и синергетике были найдены некоторые частные классы решений нелинейных систем, отражающие определенные фундаментальные процессы природы. С этой, синергетической точки зрения, диэлектрик конденсатора представляет собой температурную активную среду (АС), где тепловые поля обусловлены диссипацией энергии электромагнитного поля. Для активных сред найдено множество универсальных процессов: существование диссипативных структур (ДС) стационарного и нестационарного характера, явления локализации тепла, биффуркаций, хаоса, фракталь-ности в самых широких областях исследования: от физики горения и взрыва до биологии. Общим во многих указанных случаях является идентичность нелинейных дифференциальных уравнений, описывающих различные эволюционные процессы. Важность дальнейшего изучения процессов ТНУ и ТП в диэлектриках подтверждается также рядом публикаций последних лет [85-89,118,135,138,158].

В связи со сказанным представляется актуальным дальнейшее экспериментальное и теоретическое изучение электротеплового состояния конденсаторов в нестационарных условиях интенсивных электротепловых нагрузок. Цель работы:

Разработка научно-технических основ определения работоспособности и оптимального выбора электрических конденсаторов для их использования в форсированных электротепловых режимах эксплуатации.

Методы исследования:

Экспериментальные исследования работоспособности конденсаторов в ФР проводились на серийно-выпускаемых конденсаторах марки К73 с ПЭТФ диэлектриком.При проведении испытаний использовалась специально разработанная аппаратура и ряд методических подходов , направленных на оптимизацию эксперимента.Теоретические оценки электротеплового состояния конденсатора выполнены на основе аналитических решений соответствующих математических моделей. При анализе температурной динамики центра и срока службы конденсатора использовался предложенный метод осреднения нелинейной задачи теплопроводности.Для проверки и оценки точности полученных аналитических решений проводился численный расчет , основанный на конечно-разностных методах решения математической модели теплового состояния конденсатора.Результаты экспериментальных исследований подвергались статистической обработке и сравнивались с результатами расчетов.

Краткое содержание работы:

В первой главе определяется область форсированных режимов (ФР) электротепловых нагрузок , проведен литературный обзор основных методов расчета теплового состояния конденсатора и анализ современных представлений о развитии тепловой неустойчивости в активных средах.В заключении главы поставлены задачи дальнейшего исследования.

Во второй главе изложены методические подходы , использовавшиеся при экспериментальном изучении работоспособности конденсаторов в ФР , обработке опытных данных и проведении численных расчетов.

Третья глава посвящена развитию теоретических представлений о состоянии конденсаторного диэлектрика в условиях интенсивных электротепловых нагрузок.

Четвертая глава содержит основные результаты экспериментальных исследований работоспособности конденсаторов в ФР . В пятой главе дано сопоставление экспериментальных и расчетных данных , обоснована инженерная методика расчета температуры центра, срока службы и критерия выбора конденсаторов, а также приведен соответствующий пример расчета. Научная новизна:

1.В результате ресурсных испытаний металлопленочных конденсаторов на основе ПЭТФ диэлектрика получен комплекс экспериментальных данных, определяющий работоспособность конденсаторов в форсированных режимах эксплуатации, соответствующих срокам службы на уровне 50-350 секунд.

2.На основе точных решений ряда нелинейных модельных задач электротеплового состояния конденсаторного диэлектрика рассмотрен общий случай стационарной теории теплового пробоя диэлектрика с учетом релаксационных и джоулевых потерь.

3.Предложен новый метод осреднения нестационарной нелинейной задачи теплопроводности для оценки температурной динамики электротеплового состояния диэлектрика.

4. Впервые экспериментально обнаружен и теоретически обоснован автоволновой механизм переноса тепла в протяженных конденсаторных структурах на основе диэлектриков, обладающих температурным максимумом фактора диэлектрических потерь.

Достоверность полученных результатов подтверждается при сопоставлении данных эксперимента, численных и аналитических расчетов, большим количеством испытанных конденсаторов и корректной статистической обработкой опытных данных, а также сопоставлением результатов исследований с результатами, полученными другими авторами как в России, так и зарубежном.

Практическая ценность:

1.Результаты экспериментальных исследований могут быть использованы для прогнозирования работоспособности и оптимального выбора МПК, предназначенных для работы в форсированных режимах эксплуатации (ФР).

2.Ряд результатов теоретических исследований имеет общий характер и применим к исследованию динамики электротеплового состояния конденсаторов и изоляции на основе оксидных, керамических и других типов рабочего диэлектрика.

3.На основе экспериментальных и теоретических исследований разработана инженерная методика расчета электротеплового состояния МПК и их оптимального выбора для эксплуатации в ФР.

4.Полученные результаты могут использоваться для оценки устойчивости работы конденсаторов, находящихся при обычных условиях эксплуатации, в случае возникновения кратковременных электротепловых перегрузок.

5.На основе обнаруженного автоволнового эффекта переноса тепла и явления ограниченной тепловой неустойчивости в диэлектриках возможно создание специальных приборов и устройств, использующих эффекты теплового переключения.

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

Заключение диссертации по теме «Электротехнические материалы и изделия», Емельянов, Олег Анатольевич

207 Выводы

1. На основе предложенного метода осреднения нелинейного уравнения теплопроводности произведен соответствующий расчет температурной динамики и его сравнение с экспериментальными результатами. Различие между среднестатистическими значениями тсл и расчетными данными не превышают 15 %.

2. Ряд упрощений и учет воздушной неоднородности конденсаторной секции позволил предложить инженерную методику расчета срока службы конденсаторов в форсированных режимах нагружения.

3. Получены сравнительно простые формулы расчета, которые позволяют выполнять пересчет тсл от одного режима нагрузки к другому для конденсаторов на основе одного типа диэлектрика.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1.На основе точных решений ряда нелинейных модельных задач развиты теоретические представления о состоянии конденсаторных структур, находящихся в условиях интенсивного электротеплового разогрева. Для диэлектриков, обладающих температурным максимумом диэлектрических потерь, зависимость температуры центра от параметра нагрузки и температуры поверхности диэлектрика образует топологическую особенность типа "сборка", которая характерна для широкого класса нелинейных динамических систем.

2.Рассмотрен общий случай стационарной теории теплового пробоя диэлектрика с учетом релаксационных и джоулевых потерь. Показанная множественность стационарных тепловых состояний обосновывает существование ряда нелинейных температурных эффектов, в том числе -явление ограниченной тепловой неустойчивости (ОТНУ).

3.Предложен метод осреднения нелинейного уравнения теплопроводности, позволяющий упростить анализ тепловой динамики максимальной температуры и времени развития теплового пробоя конденсаторов. Применимость метода обоснована сравнением полученных по нему решений с известными аналитическими решениями , результатами контрольных численных расчетов на ЭВМ, а также с результатами экспериментальных исследований.

4.Ряд результатов теоретических исследований имеет общий характер и применим к исследованию динамики электротеплового состояния конденсаторов на основе оксидных, керамических, пленочных типов рабочего диэлектрика.

5.С помощью разработанного ипыгательного стенда и соответствующих методик получен комплекс экспериментальных данных по работоспособности металлопленочных конденсаторов в форсированных режимах эксплуатации.Экспериментально изучена работоспособность конденсаторов К73 с ПЭТФ диэлектриком в диапазоне емкостей ДС= 0,47-6,8 мкФ, рабочих частот ùf = 0,2-т-5 кГц и сроков службы Ах - 50^-350 с. Диапазон действующего значения синусоидального напряжения составлял A U- 130^-950 В , верхняя граница которого определяла максимальные величины напряженности электрического поля в диэлектрике на уровне Z^,-90-110 кВ/мм.

Экспериментально установлено, что электрическая прочность ПЭТФ диэлектрика конденсаторов К73 существенно снижается в области температур, превышающих 185—190 °С, что позволяет принять , с некоторым запасом , в качестве критической температуры Т,ф=1850С.В условиях развития теплового пробоя, определяющего срок службы конденсаторов, значительная доля времени роста температуры до Т,ф обусловлена температурным диапазоном релаксационных потерь и составляет 85—90 % от общего времени пробоя.

7.0птимальный выбор конденсаторов по величине максимального значения удельной реактивной мощности можно проводить на основе предложенного критерия Kq ,который в существенно нестационарных условиях ФР отличается от соответствующего стационарного критерия. Кроме отношения площади поверхности S к объему конденсатора V, необходимо учитывать значение тепловых постоянных сравниваемых конденсаторов, среднеобьемные плотность, теплоемкость и коэффициент использования активного объема. В области одноминугных сроков службы испытуемых конденсаторов значения достигнутой удельной реактивной мощности Qv составили величину 500—650 кВАр/дм3,при этом максимальное значение Qv = 650 кВАр/дм3 наблюдалось для типономинала С = 1,0 мкФ. Коэффициент увеличения нагрузки по реактивной мощности в этих случаях превышает обычные эксплуатационные значения ТУ в 300— 500 раз и зависит от типономинала конденсатора.

8. Незначительное увеличение срока службы в условиях вынужденного воздушного и масляного охлаждений, увеличивающийся разброс экспериментальных данных делают неэффективным применение методов вынужденного охлаждения для улучшения работоспособности конденсаторов при значениях срока службы тС1 ~ 50^-350 с.

В области увеличенных сроков службы, исчисляемых десятками минут, проявляется влияние тепловой дефектности конденсаторов, в том числе — тепловая неоднородность конденсаторной секции и развитие процессов самовосстановления. Локальное развитие тепловой неустойчивости в ряде случаев носит ограниченный характер (ОТНУ).

9. На основе проведенных исследований разработана инженерная методика расчета динамики электротеплового состояния и оптимального выбора конденсаторов для их эксплуатации в форсированных режимах.Различие между расчетными данными тС1 и среднестатистическими опытными значениями не превышают 15 %.Получены сравнительно простые формулы расчета, которые позволяют выполнять пересчет тС1 от одного режима нагрузки к другому для конденсаторов на основе одного типа диэлектрика. Ю.Впервые экспериментально обнаружен и теоретически обоснован автоволновой процесс переноса тепла (АВП) при распространении фронта электротеплового разогрева в конденсаторной структуре с ПВА диэлектриком. На основе обнаруженного эффекта, обусловленного пространственным развитием ОТНУ, возможно создание специальных датчиков температуры, генераторов тепловых колебаний, структур тепловой памяти, использующих диэлектрик, обладающий температурным максимумом потерь, характерным не только для ряда полярных полимеров, но и для некоторых видов керамики, например сешетоэлекгрического типа.

211

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Емельянов, Олег Анатольевич, 2004 год

1. Ренне В.Т. Электрические конденсаторы. JI.¡Энергия, 1969. -592 с.

2. Кучинский Г.С., Назаров Н.И. Силовые электрические конденсаторы. М.: Энергоатомиздат, 1992. -319 с.

3. Ермуратский В.В., Ермуратский П.В. Конденсаторы переменного тока в тиристорных преобразователях. М.: Энергия, 1979. -224 с.

4. Ренне В.Т. Пленочные конденсаторы с органическим синтетическим диэлектриком. М.: Энергия, 1971. -240 с.

5. Сканави Г.И. Физика диэлектриков. Область сильных полей. М.: ГИФМЛ,1958. -895 с.

6. Сканави Г.И. Физика диэлектриков. Область слабых полей. М.: ГИФМЛ, 1949.-500 с.

7. Борисова М.Э., Койков С.Н. Физика диэлектриков. Л.: ЛГУ, 1979. -240 с.

8. Справочник по электрическим конденсаторам/Под ред. В.В. Ерму-ратского.- Кишинев: «Штиинца», 1982.-310 с.

9. Кучинский Г.С., Кизеветтер В.Е., Пинталь Ю.С. Изоляция установок высокого напряжения. М.: Энергоатомиздат, 1987.-368 с.

10. Расчет эксплуатационных характеристик и применение электрических конденсаторов/ Б.П.Беленький, П.Н.Бондаренко, М.Э.Борисова и др.- М.: Радио и связь, 1988.-240 с.

11. Ануфриев Ю.А., Гусев В.Н., Смирнов В.Ф. Эксплуатационные характеристики и надежность электрических конденсаторов. М.: Энергия, 1976.-224 с.

12. Демиденко Г.Р., Хаецкий B.C. Конденсаторы с органическим диэлектриком: Каталог АО «Элкод». СПб.: тип. «СИНЭЛ», 2000.-140 с.

13. Дьяконов М.И., Карабанов В.И. , Пресняков В.И. Справочник по электрическим конденсаторам. М.: Радио и связь, 1983. -576 с.

14. Койков С.Н., Цикин А.И. Электрическое старение твердых диэлектриков.- Л.¡Энергия, 1968.-184 с.15