Вибір раціональної конструкції високовольтних імпульсних конденсаторів з послідовним з'єднанням груп секцій

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Вступ

Актуальність теми. Розвиток ефективних і маловитратних технологій є необхідною складовою енергозбереження та створення конкурентноздатної продукції. До цих технологій належать і технології, що використовують енергію розряду високовольтних імпульсних конденсаторів. Накопичувачі з високовольтних імпульсних конденсаторів також є енергетичною основою сучасних джерел імпульсів напруги і струму для фізичних досліджень та випробувальних генераторів сильних імпульсних електричних і магнітних полів.

Здебільше в цих високовольтних установках використовуються високовольтні конденсатори з номінальною напругою вище 10кВ, які, як правило, виготовляються з послідовним з'єднанням груп секцій. У цьому випадку через неідеальний розподіл значень ємності груп секцій можливі перенапруження на окремих групах секцій, що може привести до передчасної відмови конденсатора. При цьому, чим менша кількість послідовних груп секцій, тим менше можливі перенапруження, менше вартість конденсатора через зменшення об'єму алюмінієвої фольги, менше індуктивність, але менше і ресурс секцій через збільшення товщини діелектрика між обкладками. Відомі дані про ресурсні характеристики конденсаторів залежно від товщини діелектрика нечисленні і суперечливі. Тому актуальною та важливою науково-практичною задачею стає дослідження ресурсних характеристик секцій конденсаторів з різною товщиною діелектрика, визначення їх надійності та питомої енергії, і розробка методики вибору раціональної конструкції конденсатора з послідовним з'єднанням груп секцій, що складає напрямок дисертаційної роботи.

Мета і завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи є розробка методики і практичних рекомендацій з вибору раціональної конструкції високовольтних імпульсних конденсаторів (ВІК) з послідовним з'єднанням груп секцій, враховуючи розбіжності значень ємності цих секцій.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні задачі:

- виявити основні чинники, що впливають на вибір конструкції конденсаторів, і побудувати уточнену математичну модель порівняльного аналізу різних конструкцій з послідовним з'єднанням груп секцій з урахуванням цих чинників;

- експериментально дослідити залежність ресурсу і показників надійності (математичне очікування та середньоквадратичне відхилення з ресурсу) секцій силових імпульсних конденсаторів від товщини діелектрика;

- визначити ступінь перенапруження на послідовно включених групах секцій залежно від технологічного допуску на відхилення з ємності;

- розробити методику розрахунку і вибору конструкції конденсатора залежно від схеми послідовного з'єднання секцій з урахуванням розбіжності значень ємності секцій і показників надійності;

- розробити рекомендації з раціонального вибору конструкції конденсатора та провести апробацію їх на реальних конструкціях;

- визначити граничні питомі характеристики ВІК.

1. Огляд нашої та закордонної літератури, з якого виявлені основні чинники, що впливають на ресурс ВІК

Ресурс істотно залежить від напруженості електричного поля, товщини діелектрика, відношення товщини обкладки до товщини діелектрика, числа шарів діелектрика між обкладками і практично не залежить від товщини обкладки. Перші чотири чинники необхідно враховувати при рішенні завдань, поставлених в дисертації.

Важливим також є визначення коефіцієнту перенапружень при послідовному з'єднанні груп секцій з урахуванням розбіжності значень ємності.

2. Попередні рекомендації з конструктивного виконання високовольтних конденсаторів з урахуванням реальних розбіжностей значень ємності секцій, та приведені формули за визначенням перенапружень для трьох варіантів (жорсткий, м'який, середній) різного розподілу напруги на послідовно з'єднаних секціях

Ці варіанти характеризуються різною кількістю послідовно з'єднаних груп секцій усереднені конденсатора, які мають від'ємний k2 та додатний k1 допуски на відхилення значень ємності (загальна кількість послідовно з'єднаних груп секцій - n). Жорсткий варіант - коли з n послідовно з'єднаних груп секцій одна має від'ємний допуск з ємності, а n-1 - додатний; м'який - коли з n секцій одна має додатний допуск з ємності, а n-1 - від'ємний; середній - коли t секцій мають від'ємний допуск з ємності, а n-t - додатний. Коефіцієнти для цих трьох варіантів відповідно розраховуються за формулами:

, (1)

, (2)

. (3)

Запропоновано формулу для порівняльного аналізу у вигляді відношення ресурсів 2-х порівнюваних конструкцій ВІК від найбільш впливових чинників:

, (4)

де М1, М2, dіз1, dіз2 , г1, г2, N1, N2, з1, з2 - відповідно ресурс, товщина ізоляції, відношення товщини обкладок до товщини діелектрика, число шарів паперу між обкладками, коефіцієнти перенапруження 1-ої та 2-ої порівняльної конструкції.

Показник степеня m при dіз за різними даними може коливатися в широких межах від 1,4 до 9,25 і, тому потребує корегування.

Аналіз залежностей показує, що можливі перенапруження на секціях до 1,5 разів при врахуванні розбіжності з ємності до 20%.

Оскільки формула (4) отримана для конструкцій конденсаторів з різною кількістю послідовно з'єднаних груп секцій, та конденсатори мають секції з однаковою площиною та периметром обкладки, тоді при порівняльному аналізі ресурсів необхідно враховувати структурну надійність. Тому:

=, (5)

де Місер, Мjсер - відповідно середні ресурси 2-х високовольтних конденсаторів з числом і і j послідовно з'єднаних груп секцій; Мі, Мj - середні ресурси відповідно і-тої і j-тої секції; у - середньоквадратичне відхилення з ресурсу; zi, zj - квантілі, які відповідають надійностям Рі і Рj, в залежності від кількості послідовних з'єднань.

Вираз (5) отримано за припущенням, що закон розподілу (ЗР) з ресурсу є нор-мально-логарифмічним. З метою підтвердження ЗР для невеликої кількості експериментальних даних уточнена методика ідентифікації ЗР графоаналітичним методом шляхом побудови теоретичної залежності ЗР на імовірнісному папері за допомогою методу найменших квадратів і вибору кращого закону розподілу за допомогою критерію згоди Колмогорова. Розроблена програма, яка реалізує дану методику на ЕОМ. Таким чином кращими законами розподілу, виходячи з критерію згоди Колмогорова, є Вейбулла і нормально-логарифмічний.

Приведені результати ресурсних випробувань паперово-касторової ізоляції товщиною 24ч48мкм при напруженості електричного поля 125кВ/мм, які були використані при корегуванні показника степеня при товщині діелектрика між обкладками.

3. Результати ресурсних випробувань щодо визначення показників надійності секцій імпульсних конденсаторів у негерметичному корпусі з паперово-касторовою ізоляцією залежно від товщини ізоляції у діапазоні від 40 мкм. до 120 мкм. і порівняння їх з відомими результатами випробувань у герметичному корпусі з діапазоном товщини ізоляції від 32 мкм. до 72 мкм.

Випробування проводилися в режимі: частота проходження керованих імпульсів - 2Гц, випробувальна напруженість електричного поля 130кВ/мм, частота розрядного струму 125кГц, декремент коливань 1,38.

За отриманими результатами уточнена формула (4) для оцінки ресурсу конденсаторів з послідовно з'єднаними групами секцій з урахуванням перенапружень на секціях при dіз<80:

, (6)

і при dіз?80 мкм:

. (7)

Для формули (6) середньоквадратичне відхилення з ресурсу нормального логарифмічного закону розподілу визначатиметься за формулою (7) при dіз?60мкм, а при 60<dіз<80мкм =0,1.

На підставі проведених ресурсних випробувань з урахуванням розбіжності значень ємності секцій та показників надійності запропоновано методику вибору раціональної конструкції конденсатора з послідовним з'єднанням груп секцій.

Вихідними даними з вибору числа послідовно включених груп приймаються загальна енергія W, що запасається; номінальна напруга U; товщина листа конденсаторного паперу (КОН-2) dл; товщина обкладки dф; технологічний допуск на відхилення з ємності ДС (%); імовірність безвідмовної роботи Р для терміну служби М. При розрахунку вважаються постійними: об'єм конденсатора або питома енергія, що запасається, режим роботи.

Приймаються наступні допущення: ресурс не залежить від товщини обкладки; при оцінці абсолютних значень ресурсу використовується відома емпірична формула для конденсаторних секцій з товщиною діелектрика 100мкм; розподіл відмов описується нормально-логарифмічним законом; номінальна напруга на конденсаторі приймається кратною 10кВ (U= 10, 20, 30...кВ).

Алгоритм порівняльного розрахунку:

1) як базова конструкція (основний варіант) приймається секція з товщиною діелектрика dб,із=100мкм і напруженістю електричного поля Е=100кВ/мм. Визначається значення середнього ресурсу для базової конструкції (ємність базової секції Сб=12нФ) для секцій герметичного виконання за відомою формулою:

, (8)

де Д - декремент коливань розрядного струму; F - частота розрядного струму в МГц;

2) визначається енергія базової секції при Е=100кВ/мм

; (9)

3) загальне число таких секцій в конденсаторі становить

; (10)

4) приймаючи послідовну структурну схему побудови надійності, визначається середній ресурс конденсатора, що складається з n секцій

, (11)

де z - квантіль, відповідний імовірності Рс, тобто надійності однієї секції з ресурсом, який дорівнює Мсер, к; Mсер - середній ресурс однієї секції; у - середньоквадратичне відхилення, у = k·lgMсер; k - коефіцієнт варіації;

5) середній ресурс для інших варіантів виконання секцій з іншим значенням , але з тією ж напруженістю електричного поля, визначається за формулами;

6) визначається середній ресурс конденсатора при товщині діелектрика за формулою, вважаючи, що ресурс відповідає надійності секції Р/с=, де i=. Очікуваний ресурс конденсатора при заданій надійності Р також визначається за формулою для відповідних значень квантіля і середньоквадратичного відхилення;

7) враховується технологічний допуск з ємності ДС (%), для чого розраховується коефіцієнт перенапруження з для варіантів схем з'єднання секцій, коли число j послідовно з'єднаних груп з паралельно включеними секціями більше або дорівнюється 2 (). Тоді з1 для групи секцій із значенням ємності, що має від'ємний допуск k2=-ДС, в припущенні, що решта (j-1) всіх груп секцій має додатний допуск k1=ДС визначається як:

, (12)

а для групи з (j-1) секцій:

. (13)

При цьому завжди виконується умова з1>1, а з2<1;

8) використовуючи результати розрахунків п.6, визначаємо надійність групи з (j-1) секцій і однієї групи секцій в припущенні, що ДС=0 для порівнюваних варіантів конструктивного виконання конденсаторів, що мають надійність Р:

; (14)

9) визначається ресурс кожної групи секцій, який відповідає надійності, що обчислена за п.8 з урахуванням перенапружень:

=; (15)

10) приводиться ресурс груп секцій до одного ресурсу Мум, відповідно перерахувавши надійність. Як Мум приймемо, наприклад, значення ресурсу групи з (j-1) секцій. Тоді надійність Рум однієї групи секцій з від'ємним допуском з ємності, яка відповідає ресурсу , визначиться за значенням квантіля zум, який обчислюється за формулою:

, (16)

де - квантіль, відповідний надійності ; - середньоквадратичне відхилення, що відповідає середньому ресурсу цієї групи секцій з урахуванням перенапруження;

11) визначається надійність Рк/ конденсатора, яка відповідає ресурсу Мум:

; (17)

12) остаточно ресурс конденсатора М/Р для надійності Р дорівнює

, (18)

де zk/ - квантіль, відповідний надійності ; ук/ - середньоквадратичне відхилення, яке відповідає середньому ресурсу конденсатора.

Виконавши п.1ч12 для всіх можливих конструкцій, вибираємо таку, для якої ресурс Мр/ буде максимальним при заданій надійності;

13) якщо розраховане значення ресурсу істотно відрізняється від заданого, проводиться перерахунок за пунктами 3ч12, при цьому заздалегідь розраховується нове значення напруженості поля за формулою:

, (19)

де Мр - найбільше значення ресурсу із значень М/р п.12; М - задане значення ресурсу.

Також визначається нове значення товщини діелектрика для базової конструкції як:

. (20)

За представленою методикою розрахунку (п.1ч13) розраховані конструкції конденсаторів КИМ-120, КИМ-125 (U=100кВ; C=1мкФ; a=490мм, b=600мм; h=90мм, dф=30мкм), КИМ-131 (U=100кВ; C=5нФ, L<10нГн, М=2Ч105 циклів заряд-розряд), КИМ-136 (U=500кВ; C=2нФ), представлені на рис. (6ч9). Конденсатори виготовлені, пройшли приймально-здавальні випробування та успішно експлуатуються.

4. Показники надійності для комбінованого діелектрика порівняно з чисто паперовим, а також граничні питомі характеристики для паперових і паперово-плівкових діелектриків

Проведені ресурсні випробування дев'яти типів секцій конденсаторів пластинчастого типу просочених касторовим маслом. Обкладки секцій виконані з алюмінієвої фольги товщиною 8мкм. Активна площа обкладок склала 6103=180(см2).

Секції були запресовані в один пакет під тиском 5Ч105Па. Експеримент проводився при частоті проходження імпульсів 2Гц і 10Гц. Частота розрядного струму склала 125кГц, декремент коливань - 1,38.

Зразки випробовувалися при вільному доступі повітря до поверхні касторового масла. При проведенні експерименту змінювалися значення трьох незалежних чинників - робочої напруженості електричного поля Е(кВ/мм), відсотка вмісту плівки П(%), товщини діелектрика між обкладками d(мкм). Чинники змінювалися на 3-х рівнях: Е=120, 150, 180; П=0, 2840, 5660; d=36, 60, 86. Для зручності обробки прийняті допущення: інтервал зміни процентного вмісту плівки 2840% відповідає 30%, а 5660% - 60%; товщина діелектрика 86 мкм - розрахунковому значенню 84мкм.

Реалізований повний чинниковий експеримент з 27 дослідів. Як функція відгуку вибраний десятковий логарифм ресурсу М. Після ряду обчислень було виведено остаточний вираз для визначення середнього ресурсу, який має вигляд:

. (21)

Модель адекватно описує експериментальні результати за винятком результатів, які отримані для великих значень напруженості електричного поля і товщини чисто паперового діелектрика. В цьому випадку розвиток процесів руйнування діелектрика відбувається не на краях обкладок, а під обкладками і застосування формули (21) приводить до істотної похибки результату.

За підсумками експерименту паперово-плівкова ізоляція з 30% змістом плівки має декілька кращі питомі характеристики (із збільшенням до 10% по відношенню до чисто паперових секцій). А для конденсаторів з терміном служби близько 103 імпульсів і менш перевага паперово-плівкової ізоляції є очевидною.

Збільшення товщини обкладок приводить до зменшення питомої енергії, що запасається. В цей же час питома енергія паперово-плівкових секцій з обкладками великої товщини (dф?30мкм) незначно, але збільшується із збільшенням товщини діелектрика. Цей факт дуже важливий при розробці високовольтних малоіндуктивних конденсаторів, розрахованих на великі струми.

Приведена методика визначення питомої енергії, що запасається, в кінцевому результаті, за якою ресурс М із заданою надійністю Рс визначається за формулою, яка в даному випадку має вид lgM=(lgM)сер?уU(Pc), де - усереднене середньоквадратичне відхилення, яке дорівнює найбільшому значенню з 1 і 2 (1 - середньоквадратичне відхилення, обчислене за експериментальними даними, а 2 - середньоквадратичне відхилення між розрахунками і експериментальними значеннями). За результатами обчислення як вибрано значення 2=0,232.

На основі отриманих результатів розраховані граничні питомі характеристики ВІК для ідеального варіанту, коли ДС=0.

Висновки

конденсаторний імпульсний діелектрик

За результатами проведених досліджень вирішена науково-практична задача підвищення ресурсу ВІК при варіації товщини діелектрика між обкладками та кількості послідовно з'єднаних груп секцій конструкцій конденсатора з урахуванням розбіжностей значень ємностей. У процесі досліджень зроблені наступні висновки:

· визначені основні чинники, що впливають на вибір конструкції - це напруженість електричного поля, товщина діелектрика між обкладками конденсатора, число шарів діелектрика між обкладками, відношення товщини обкладки до товщини діелектрика, показники надійності (середній ресурс і середньоквадратичне відхилення з ресурсу нормального логарифмічного закону розподілу безвідмовної роботи);

· розроблено уточнену математичну модель порівняльного аналізу різних конструкцій конденсаторів з послідовним з'єднанням груп секцій у вигляді формули степеневої залежності порівнюваних ресурсів конденсаторів від визначених чинників;

· визначено ступінь перенапруження на послідовно з'єднаних групах секцій залежно від розбіжностей значень ємностей секцій і вперше показано їх істотний вплив на вибір товщини діелектрика та кількість послідовно з'єднаних груп секцій;

· експериментально досліджено залежність ресурсу та показників надійності секцій силових імпульсних конденсаторів від товщини діелектрика:

- уточнено експериментальну залежність ресурсу від товщини паперово-касторового діелектрика, яка складається з двох ділянок з різними показниками степеня залежності ресурсу від товщини діелектрика: при товщині діелектрика менш 80мкм показник степеня m=2,14; при товщині діелектрика не менш 80мкм - m=1,72 (за умови рівності числа шарів діелектрика);

- середньоквадратичне відхилення при нормально-логарифмічному законі розподілу відмов має мінімум при товщині діелектрику 60ч80мкм, який дорівнює 0,1. При зменшенні товщини діелектрика середньоквадратичне відхилення росте пропорційно (60/d)1,5, а при збільшенні товщини діелектрика може залишатися постійним або збільшуватися при збільшенні напруженості електричного поля;

· отримано експериментальну залежність ресурсу секцій з паперово-лавсановою ізоляцією, яка просочена касторовим маслом, від товщини діелектрика, відсоткового змісту плівки і від напруженості електричного поля для секцій з однаковою площею обкладок. Найбільш істотний вплив на ресурс має напруженість поля, менш істотний - товщина діелектрика і відсотковий зміст плівки;

· запропоновано методику порівняльного аналізу ресурсу конструкцій конденсаторів, що мають секції з різною товщиною діелектрика і різною кількістю послідовно з'єднаних груп секцій, яка враховує одночасно вплив напруженості електричного поля з урахуванням розбіжності значень ємності, число шарів діелектрика між обкладками, товщину та об'ємний вміст діелектрика;

· розроблені рекомендації щодо раціонального вибору конструкції конденсатора, які використані при створенні нових типів ВІК КИМ з послідовно з'єднаними групами секцій;

· уточнено ресурсні залежності граничної питомої енергії конденсаторів з урахуванням надійності (за умови, що відхилення з ємності ДС=0), ресурсу і загальної енергії в конденсаторах;

· результати роботи використані при створенні нових типів ВІК КИМ-120 (ТОВ «Протон-21», м. Київ); КИМ-125 (ХНУ ім. Каразіна, м. Харків); КИМ-131 (ННЦ «ХФТІ» НАН України, м. Харків); КИМ-136 (ІЕД, м. Харків). Конденсатори виготовлені, пройшли приймально-здавальні випробування та успішно експлуатуються на відповідних підприємствах.

Література

1. Рудаков В.В., Беспалов В.Д., Золотухин А.Н., Дубийчук О.Ю. Надёжность и удельные характеристики высоковольтных импульсных конденсаторов // Технічна електродинаміка. - Київ: ІЕ НАН України, 2002. - Частина 6. - С.89-93.

2. Рудаков В.В., Беспалов В.Д., Бойко Н.И., Кравченко В.П., Золотухин А.Н., Дубийчук О.Ю. Высоковольтные импульсные конденсаторы разработки НИПКИ «Молния» НТУ «ХПИ» // Вісник Національного технічного університету «Харківський політехнічний інститут». - Харків: НТУ «ХПІ», 2002. - Т.1, №7. - С.47-58.

3. Беспалов В.Д., Рудаков В.В., Дубийчук О.Ю. Срок службы бумажно-касторовых конденсаторов в переходной области изменения рабочей напряжённости поля // Вісник Національного технічного університету «Харківський політехнічний інститут». - Харків: НТУ «ХПІ», 2003. - Т.1, №1. - С.96-101.

4. Рудаков С.В., Дубийчук О.Ю. Методика идентификации закона распределения случайной величины графоаналитическим методом // Системи обробки інформації.- Харків: ХВУ, 2003. - № 6.- С.79-85.

5. Рудаков В.В., Дубийчук О.Ю., Кравченко В.П. Предельные удельные характеристики высоковольтных импульсных конденсаторов // Вісник Національного технічного університету «Харківський політехнічний інститут». - Харків: НТУ «ХПІ», 2004. - Т.1, №7. - С.142-147.

6. Рудаков В.В., Дубийчук О.Ю., Рудаков С.В. Влияние технологического допуска по ёмкости на схему соединения секций высоковольтных импульсных конденсаторов // Вісник Національного технічного університету «Харківський політехнічний інститут». - Харків: НТУ «ХПІ», 2004. - Т.1, №35. - С.136-143.

Размещено на Allbest.ru