Аналитические и практические исследования последнего десятилетия, а также мировой опыт эксплуатации компенсирующих конденсаторов для коррекции коэффициента мощности и пусковых (рабочих и отключаемых пусковых) конденсаторов для асинхронных двигателе показали, что оптимальной конструкцией конденсаторных устройств такого назначения является мультислойная (MLP — Multilayer Polymer Capacitors) пленочная на базе соединяемых последовательно, параллельно или последовательно-параллельно конденсаторных элементов из обкладок из фольги металла или нанесенного на полимерную пленку металлизированного покрытия и промежуточного слоя (или слоев) из диэлектрика — полимерного или бумажно-полимерного. Большую популярность приобрели металлизированные пленочные конденсаторы — самовосстанавливающиеся после локального электрического или теплового пробоя, меньшую — фольговые, имеющие лучшие в сравнении с металлизированными тепловые характеристики, но не способные обеспечить самовосстановление емкости при пробое токопроводящего слоя фольги.
Наряду с этим большинство крупнейших производителей силовых высоковольтных конденсаторов в мире признают, что повышение эксплуатационных качеств металлизированных пленочных конденсаторных устройств возможно, как путем подбора оптимального (для конкретного использования) диэлектрика и превентивного формирования микроструктуры слоя, так и благодаря пропитке диэлектрических слоев специальными диэлектрическими жидкостями. Однако в силу особенностей намоточной технологии (winding technology) производства пленочных конденсаторов полная и качественная пропитка слоев диэлектрика становится возможной или при укладке между слоями полимерной пленки слоя конденсаторной бумаги, пористость которой позволяет выступать ей в качестве проводящего пропиточную жидкость канала, или в случае формирования на полимерной пленке шероховатой поверхности, что позволяет диэлектрической жидкости легче диффундировать к разным участкам по микрокапиллярным каналам и одновременно с этим предотвращает слипание слоев при намотке. В целом это обусловило востребованность производителями пленочных металлизированных конденсаторов полимерных пленок с шероховатой поверхностью — преимущественно полипропиленовых, для которых при сравнительно небольшой стоимости характерны хорошая электрическая прочность, теплостойкость, низкие диэлектрические потери, неплохие механические характеристики (высокая прочность, малое относительное удлинение при растяжении) и низкая диэлектрическая абсорбция, сравнимая с диэлектрической абсорбцией дорогих пленок из полиэтиленнафталата (PEN).
Таблица. Диэлектрическая абсорбция наиболее распространенных в производстве металлизированных конденсаторов полимерных пленок.
| Полимер | Диэлектрическая абсорбция |
|---|---|
| Полиэтилентерефталат, полиэстер (Polyethylenterephthalat, Polyester - PET) | От 0,2 до 0,5% |
| Полипропилен (Polypropylen - РР) | От 0,01 до 0,1% |
| Полифениленсульфид (Polyphenylensulfid - PPS) | От 1,0 до 1,2% |
| Полиэтиленнафталат (Polyethylennaphtalat - PEN) | От 0,05 до 0,1% |
Вместе с тем, в последние годы:
- международные и национальные органы стандартизации и производители пленочных конденсаторов все больше внимания уделяют вопросам старения диэлектриков, существенно влияющего на заявленный срок службы конденсаторных устройств и их эксплуатационную надежность;
Справка: Введенный в действие с 01.01.2015 ГОСТ IEC 61071-2014 «Конденсаторы силовые электронные» регламентирует: нестандартные условия функционирования конденсаторов, в том числе характерные для эксплуатации конденсаторных батарей компенсации реактивной мощности и моторных (рабочих и пусковых) конденсаторов асинхронных двигателей, и включающие механические нагрузки и вибрации, коррозионные, абразивные частицы и пыль в охлаждающем воздухе, взрывоопасную пыль и/или газ, масляные или водяные пары, ядерную, солнечную или иную ионизирующую радиацию, нестандартную влажность, быстрые изменения температуры (свыше 5°С/ч) или влажности (свыше 5%/ч), эксплуатацию в районе высотой более 1000 м выше уровня моря, наложение электромагнитных полей, избыточные перенапряжения; максимально допустимые напряжения при перегрузках;
Таблица. Максимально допустимые напряжения силовых конденсаторов при перегрузках согласно ГОСТ IEC 61071-2014.
| Перенапряжения | Максимальная длительность в течение одного дня |
|---|---|
| 1,1 U | 30 % длительности под нагрузкой |
| 1,15 U | 30 мин |
| 1,2 U | 5 мин |
| 1,3 U | 1 мин |
| 1,5 U | 30 мс 1000 раз в течение срока службы |
Испытания на усталость при температуре, не менее максимальной температуре корпуса в течение максимального непрерывного рабочего времени, что по факту является испытанием на старение диэлектрика, происходящее по ионизационному и тепловому механизму.
Таблица. Параметры испытаний конденсаторов на усталость согласно ГОСТ IEC 61071-2014.
| Тип конденсатора | U | Этапы испытания | Температура | Длительность или количество разрядов |
|---|---|---|---|---|
| Постоянный ток | 1,4 U | 1,4 U | Температура испытания | 250 ч |
| 1,4 I | Комнатная температура | 1000 раз | ||
| 1,4 U | Температура испытания | 250 ч | ||
| 1,3 U | 1,3 U | Температура испытания | 500 ч | |
| 1,4 I | Комнатная температура | 1000 раз | ||
| 1,3 U | Температура испытания | 500 ч | ||
| Переменный ток | 1,35 U | 1,35 U | Температура испытания | 250 ч |
| 1,4 I | Комнатная температура | 1000 раз | ||
| 1,35 U | Температура испытания | 250 ч | ||
| 1,25 U | 1,25 U | Температура испытания | 500 ч | |
| 1,4 I | Комнатная температура | 1000 раз | ||
| 1,25 U | Температура испытания | 500 ч |
ГОСТ IEC 60931-1-2013 «Конденсаторы шунтирующие силовые несамовосстанавливающегося типа для систем переменного тока на номинальное напряжение до 1000 В включительно. Часть 1. Общие положения. Рабочие характеристики, испытания и номинальные параметры. Требования техники безопасности. Руководство по установке и эксплуатации» формализует категории температуры окружающего воздуха с символьным буквенным обозначением для нормальных рабочих условий конденсаторов, а ГОСТ IEC 60931-2-2013 Конденсаторы шунтирующие силовые несамовосстанавливающиеся для систем с переменным током и номинальным напряжением до 1000 В включительно. Часть 2. Испытание на старение и испытание на разрушение» регламентирует два метода испытаний конденсаторов на старение — в воздушной атмосфере с принудительной циркуляцией и в жидкой ванне при наивысшей средней температуре за 24 ч таблицы категорий температуры окружающего воздуха ГОСТ IEC 60931-1-2013.
Таблица. Категории температуры окружающего воздуха для нормальных рабочих условий конденсаторов по ГОСТ IEC 60931-1-2013.
| Символ | Температура окружающей среды, °С | ||
|---|---|---|---|
| Максимум | Наибольшее среднее за любой период | ||
| 24 часа | 1 год | ||
| А | 40 | 30 | 20 |
| В | 45 | 35 | 25 |
| С | 50 | 40 | 30 |
| D | 55 | 45 | 35 |
- тренд перехода пропитывающих жидких диэлектриков с экологически опасных хлорированных дифенилов на ароматические жидкие углеводороды (диоктилфталатом (ДОФ), бензилнеокаприант (БНК), фенилксилилэтан (ФКЭ) и т.д.) обусловил появление новых механизмов разрушения диэлектрика при старении за счет термостимулированного взаимодействия твердой и жидкой фаз (постепенного растворения аморфной составляющей полимера в жидком диэлектрике), что приводит к снижению электрической и механической прочности полимера и росту диэлектрических потерь жидкого диэлектрика. Причем исследования последних лет показали, что при искусственно созданной шероховатости пленки растворение полимера в жидкой фазе происходит в среднем в 1.5 раза быстрее, чем растворение полимера гладкой пленки.
На текущий момент дилемму обеспечения максимально полной пропитки за счет формирования микро капиллярной системы на поверхности (шероховатости) и устранения негативов растворения полимера в жидком диэлектрике пропитки стараются решить применением модифицированных пленок со структурно ориентированными слоями на поверхности, а также совершенствованием технологий пропитки для снижения необходимости использования шероховатых пленок или промежуточных слоев конденсаторной бумаги.
