Помимо электрических параметров силового конденсатора и его механических характеристик (габариты, вес, конструктивные особенности, способ коммутации в электрической сети) определяющим критерием выбора для потребителя является заявленный производителем срок службы, хотя в действительности реальный срок эксплуатации до отказа, как правило, существенно меньше задекларированного времени, поскольку зависит, как от внешних факторов, так и особенностей электрической сети/участка сети и физического ресурса диэлектрика.
Так, согласно статистическим исследованиям основных причин отказа конденсаторов батарей устройств компенсации реактивной мощности при общей доле вышедших из строя конденсаторов до окончания заявленного срока службы в 130000 часов (15 лет) до 12.5%: от 41 до 47% косинусных конденсаторов бракуется во время эксплуатации из-за потери герметичности, течи в сварных швах корпуса или в пайках, от 22 до 34% — из-за вздутия корпусов банок, от 3 до 8% — из-за срыва колпачка или трещин в опорных изоляторах, от 8 до 12% — из-за внутреннего пробоя с перегоранием плавких предохранителей, от 6 до 13% — из-за внутренних обрывов/повреждений. В то же время отмечается, что броски тока при включении/отключении батарей конденсаторов, а также высокие скорости нарастания переходного тока при наличии в сети высокочастотных составляющих значительно повышают интенсивность старения диэлектрика, идущего в силовых конденсаторах батарей компенсации реактивной мощности преимущественно по тепловому и ионизационному механизмам.
Более существенные различия в заявленном классе эксплуатации по ГОСТ IEC 60252-1-2011 и реальном сроке службы наблюдаются в сегменте моторных конденсаторов, как пусковых, так и рабочих, и обусловлено это в основном тем, что:
- сертификация на класс эксплуатации (минимальный полный срок службы) с регламентированным стандартом уровнем интенсивности отказов не более 3 % дает гарантию достаточной электрической прочности и небольшого (до критического значения тепловой устойчивости) уровня тангенса угла потерь только в случае эксплуатации в номинальном режиме работы , т.е. при номинальных значениях напряжения, температуры и частоты, а по факту моторные конденсаторы зачастую находятся в физическом контакте с электродвигателями, а значит работают при повышенных температурах, вибрации, в присутствии токов/напряжений высших гармоник, иногда в условиях сильного электромагнитного, радиоактивного излучения, характерного для некоторых технологических процессов производства;
- физический контакт рабочих и/или пусковых конденсаторов с двигателем, а особенно при жесткой связи двигателя и исполнительного механизма в приводе (через редуктор, муфту и пр.) вибрации на коммутационных клеммах и в конструктивных элементах конденсатора могут быть очень значительными, что приводит к отказу по механическим причинам, в том числе нарушению герметичности;
- на стойкость диэлектрика к старению (преимущественно ионизационному и тепловому, отчасти электрохимическому) оказывает влияние ряд факторов, ключевыми из которых считают состав и газостойкость пропитывающей среды (для пленочных конденсаторов) или заливки (для электролитических), материал, макро и микроструктуру диэлектрика, шероховатость пленки, наличие включений (при изготовлении и попадающих на пленку/бумагу и пленку при намотке) и т.д.
Так, даже брендовые пленки диэлектриков от известных в мире производителей имеют различную кинетику электрической прочности при термическом старении, а пропиточная среда оказывает прямое влияние на динамику изменения тангенса угла потерь и старение по ионизационному механизму (под воздействием частичных зарядов) в зависимости от числа перенапряжений при эксплуатации силовых конденсаторов.
Рис. Зависимость тангенса угла потерь пленочных металлизированных конденсаторов с комбинированным диэлектриком (2 слоя полипропиленовой пленки толщиной 12.5 мкм и один слой конденсаторной бумаги толщиной 10 мкм) и разной пропиткой в зависимости от числа перенапряжений при эксплуатации, где: 1 — пропитка диоктилфталатом (ДОФ), 2 — пропитка стабилизированным трихлордифенилом, 3 — пропитка бензилнеокаприантом (БНК), 4 — пропитка стабилизированным бензилнеокаприантом, 5 — пропитка фенилксилилэтаном (ФКЭ), 6 — пропитка стабилизированным фенилксилилэтаном, 7 — пропитка нефтяным конденсаторным маслом.
Рис. Кинетика кратковременной электрической прочности (Епр) полипропиленовой пленки толщиной 10 мкм, состаренной при температуре 100°С в контакте с фенилксилилэтаном (ФКЭ), имеющим максимальную газостойкость в сравнении (по нисходящей) с бензилнеокаприантом (БНК), диокстилфталатом (ДОФ) и нефтяным конденсаторным маслом, где: 1 — гладкая полипропиленовая пленка «Terfilm» (Финляндия); 2 — шероховатая полипропиленовая пленка «Terfilm» (Финляндия); 3 — гладкая полипропиленовая пленка «Bollore» (Франция); 4 — шероховатая полипропиленовая пленка «Bollore» (Франция).
В свою очередь, число твердых инородных включений в/на пленке/бумаге пленочных пусковых конденсаторов, как появляющихся в процессе производства пленки/бумаги или во время намотки за счет притяжения пылинок статическими зарядами электризованной пленки/бумаги, так и попадающих в/на элементы диэлектрика и/или электродов моторного конденсатора при пропитке (или наполнении газом) оказывает значительное влияние на интенсивность старения по ионному механизму под воздействием частичных зарядов.
Причем нередко и даже в самовосстанавливающихся пленочных металлизированных конденсаторах измерения сопротивления изоляции и/или тока утечки не дают реальной картины состояния диэлектрика и вероятности отказа конденсатора, поскольку в местах расположения точечных инородных включений, а также «залеченных» самовосстановлением мест локального пробоя и/или продуктов разложения диэлектрика/пропитки под воздействием частичных зарядов напряженность поля может достигать и превышать критические значения, что приводит к очередным пробоям и этот процесс может идти очень быстро и лавинообразно.
