Компенсационные конденсаторы с эффектом самовосстановления (Self-Healing)

Эффект самовосстановления пленочных металлизированных компенсационных конденсаторов и комбинированных фольгово-металлизированных конденсаторов. Self-Healing, «живучесть» и пригодность пленочных конденсаторов. Факторы, влияющие на долговечность самовосстанавливающихся компенсационных конденсаторов.

Эффект самовосстановления (Self-Healing) — характерная особенность пленочных металлизированных конденсаторов и отчасти — комбинированных фольгово-металлизированных в терминологии DIN 41 379 и DIN IEC 60384, причем «самозаживление» локального места пробоя электрода тем эффективней и надежней, чем больше разница толщин пары электрод-диэлектрик и больше пластичность полимера, используемого в качестве диэлектрического слоя между электродами.

«Стандартное» самовосстановление характерно для всех без исключения популярных типов по диэлектрику металлизированных конденсаторов, в том числе косинусных конденсаторов мощности — MKP на базе полипропилена (Polypropylen), МКС на базе поликарбоната (Polycarbonat), MKU на базе ацетата целлюлозы (Celluloseacetat), MKT и MKS на базе полиэтилентерефталата и полиэстера (Polyethylenterephthalat, Polyester), MKN на базе полиэтиленнафталата (Polyethylennaphtalat) и MKI на базе полиэтиленсульфида (Polyphenylensulfid) — в которых толщина электродов измеряется в ангстремах, а толщина диэлектрика — в микронах. Т.е. при локальном пробое электрода объема близлежащего участка диэлектрика достаточно для заполнения места пробоя без сколь-значимого ухудшения диэлектрических свойств остального слоя, а физико-химические свойства полимера позволяют диэлектрику в локальном месте перейти в текучее состояние под воздействием температуры дуги и плотно заполнить поврежденный участок электрода.

Схема самовосстановления Self-Healing металлизированного конденсатора, где: 1 — диэлектрик; 2 — диэлектрик с двухсторонним металлизированным покрытием; 3 — пробой; 4 — «развязывающая» изоляционная зона с заполнением расплавленным полимером

Эффект самовосстановления не наблюдается в фольговых конденсаторах, где толщина слоя фольги (до 25 микрон) соизмерима с толщиной слоя диэлектрика, в бумажных конденсаторах, а также считается предельно условным в многослойных конденсаторах со смешанным диэлектриком (Misch-Dielektrika — металлизированной бумагой и полимером), в которых функционирование конденсаторного блока после локального пробоя слоя электрода сохраняется только при определенной схеме подключения конденсаторных элементов. Следует отметить, что самозаживление комбинированных фольгово-металлизированных конденсаторов происходит исключительно в местах слоев диэлектрика с вакуумным напылением электрода и теоретически является условным, поскольку несмотря на превалирующую вероятность пробоя в «слабом» месте — тонком слое напыленного электрода, всегда существуют риски пробоя электродов из фольги, которое если и не приводит к выходу конденсатора из строя при грамотной схеме подключения конденсаторных элементов, то вызывает достаточно значительные потери емкости и повышение значений протекающих по электродам токов, а следовательно риски лавинообразных пробоев и сокращение сроков службы компенсационного конденсатора, будь то единичный конденсатор или конденсаторная батарея.

Важно: Эффект самовосстановления повышает «живучесть» конденсатора/конденсаторной батареи, но не является определяющим фактором долговечности и пригодности конденсаторного блока и/или конденсаторной батареи для выполнения поставленных задач, поскольку:

• каждый единичный пробой пусть и незначительно (до 0.1%), но снижает емкость конденсатора и его (конденсатора) пригодность в итоге будет определяться количеством пробоев и величиной потерь в емкости;
• в результате каждого пробоя происходит небольшое увеличение суммарного объема диэлектрика и повышение внутреннего давления в корпусе, что при достижении критических значений приводит к разрыву внутренних предохранительных вставок;
• на срок службы конденсаторов помимо количества пробоев и повышения внутреннего давления в корпусе влияет ряд иных факторов, зависящих от условий эксплуатации, состояния и параметров конкретной электрической сети/участка сети и т.д.

Факторы, влияющие на долговечность самовосстанавливающихся компенсационных конденсаторов

К ключевым факторам, влияющим, как на долговечность конденсаторов, так и на их электрические свойства относят температуру, причем в отношении металлизированных конденсаторов и комбинированных фольгово-металлизированных конденсаторов с сравнительно тонкими слоями диэлектрика и очень тонкими слоями металлизированного покрытия температурный фактор считают определяющим, поскольку предельно существенно влияет на свойства полимеров в тонких слоях.

По факту на рабочую температуру конденсатора влияет окружающая температура воздуха, избыточные токи, величина которых может быть очень значительной во время заряда/разряда при коммутации конденсаторных ячеек вакуумными контакторами в конденсаторных батареях и/или при протекании по электродам токов высших гармоник, а также избыточное напряжение на зажимах, появляющееся в плохо регулируемой сети/на участке сети в моменты подключения/отключения мощной нагрузки и во время коммутации конденсаторных ячеек.

John Houdek, президент Allied Industrial Marketing, Inc. и Cesar Chavez, технический руководитель, ARTECHE / Inelap в своем обзоре «EXTENDING THE LIFE OF POWER FACTOR CAPACITORS» показывают уменьшение/увеличение долговечности самовосстанавливающихся конденсаторов MKP с диэлектриком из полипропилена вдвое при увеличении/уменьшении рабочей температуры на каждые 10 градусов Цельсия.

Долговечность конденсатора с расчетной температурой 70 градусов Цельсия при различных значениях рабочей температуры

Почти аналогично на долговечность металлизированных и комбинированных фольгово-металлизированных конденсаторов влияет превышение напряжения на зажимах, причем в значительно большей степени, чем это было отмечено в отношении алюминиевых электролитических конденсаторов.

Долговечность металлизированных конденсаторов при различных значениях напряжения на зажимах

Через повышение рабочей температуры на долговечность конденсаторов влияет конструктивное исполнение (El-Husseini, Venet, Rojat и Joubert в статье «Thermal Simulation for Geometric Optimization of Metallized Polypropylene Film Capacitors») – более высокие конденсаторы за счет увеличения пути тока показывают повышение рабочей температуры на электродах и диэлектрике, а следовательно и имеют меньшую долговечность.

К критическим по снижению долговечности параметрам относят «пусковые» токи при коммутации ячеек конденсаторной батареи, значение которых может на порядок превышать величину рабочего тока, а также токи высших гармоник. «Пусковые» токи, возникающие при включении/отключении конденсатора, повышают величину рассеянной мощности, в основном уходящей на разогрев электродов и диэлектрика (10%-ное увеличение тока может привести к 21%-му увеличению температуры). Гармонические токи при увеличении частоты и соответствующем снижении вследствие этого емкостного реактанса имеют очень большие величины и влияют на долговечность конденсатора аналогично пусковым токам.