Введение
Одним из основных параметров с точки зрения надежности и безопасности силовых полупроводниковых модулей является электрическая прочность изоляции. Пробой электрической изоляции приводит не только к отказу прибора, но и повреждению преобразователя в целом, что приводит к высоким финансовым потерям. В данной статье обсуждена текущая ситуация на рынке силовых биполярных модулей, актуальность повышения их изоляционных свойств, а также стабильности изоляционных свойств на протяжении всего срока эксплуатации. Компанией АО «Протон-Электротекс» проведён комплекс опытно-конструкторских работ по поиску конструктивно-технологических решений, обеспечивающих повышенную прочность изоляции до 7 кВ (AC) на протяжении всего срока эксплуатации.
Текущее ситуация на рынке и актуальность проблемы
Силовые полупроводниковые приборы являются одним из основных элементов преобразователей электрической энергии. Причём на рынке силовой электроники представлены приборы на различные диапазоны мощности в таблеточном, штыревом и модульном исполнениях. Каждый из конструктивов имеет свои преимущества и недостатки. Широкое применение силовых полупроводниковых модулей с изолированным основанием обусловлено их высокой монтажной готовностью и улучшенными массо-габаритными показателями.
Широкое применение на рынке нашли силовые модули с шириной основания 60 мм (в номенклатуре АО «Протон-Электротекс» это модули типа А2). На сегодняшний день для серийных модулей в данном конструктиве на рынке характерно напряжение изоляции на уровне 3-3,6 кВ (АС, 50 Гц, 60 секунд).
Однако на рынке также становятся востребованными модули с более высокими значениями напряжения изоляции до 7 кВ (АС, 50 Гц, 60 секунд). Известные на рынке силовой электроники конструктивы модулей, как правило, таких требований не обеспечивают. Основными причинами, ограничивающими допустимое значение электропрочности, являются:
- Пробой изоляции на основание либо из-за недостаточной ширины керамического изолятора, либо из-за наличия неоднородностей изоляционного геля (инородные включения или воздушные пузыри), либо из-за некорректной конструкции области, отвечающей за изолирование основания от элементов, находящихся под потенциалом.
- Перекрытие между элементами модулями, находящимися под разными потенциалами либо из-за наличия неоднородностей изоляционного геля (инородные включения или воздушные пузыри), либо из-за проникновения влаги, токопроводящей пыли или иных ионогенных материалов.
Стоит отметить ещё, что важно не только высокая электрическая прочность силового модуля, но также и её стабильность во времени на протяжении всего периода эксплуатации. Процесс деградации изоляционных свойств модуля является неизбежным в процессе их эксплуатации. Есть несколько факторов, влияющих на скорость деградации прочности изоляции, среди которых можно выделить:
- факторы, связанные с конструктивно-технологическими особенностями изготовления;
- факторы, связанные с микроклиматом среды, в которой происходит эксплуатация.
Среди первой группы факторов можно выделить изменение цепочек полимеризации изоляционного геля в процессе эксплуатации из-за протекающих тепловых процессов и влияние возникающих в изоляционных элементах частичных разрядов.
Среди второй группы факторов можно выделить попадание в силовой модуль влаги и/или токопроводящей пыли.
Одним из важнейших фактов, оказывающих влияние на деградацию электрической прочности изоляции, является возникновение частичных разрядов.
Объект исследований. Подход к проведению испытаний
Комплекс опытно-конструкторских работ по поиску конструктивно-технологических решений, обеспечивающих повышенную прочность изоляции до 7 кВ (AC) на протяжении всего срока эксплуатации, был проведён на беспотенциальных силовых модулях типа МД3-320-65-А2.
Для проверки электрической прочности на модулях с новыми конструктивно-технологическими решениями была использована усложненная методика испытаний, включающая в себя ряд следующих последовательных этапов:
- Проверка прочности изоляции при комнатной температуре на 7 кВ (АС, 50 Гц, 60 секунд).
- Испытания на воздействие статической пыли по ГОСТ 20.57.406 (после испытаний пыль не удалялась).
- Испытания на устойчивость к повышенной влажности воздуха ГОСТ 20.57.406.
- Обработка модулей соляным раствором.
- Измерение прочности изоляции.
Таким образом, испытания проводились в более жестких условиях, чем условия, на которые рассчитан прибор согласно установленному климатическому исполнению по ГОСТ 15150, что в свою очередь гарантирует надежность прибора в реальных условиях эксплуатации.
Установлено, что разработанные меры не только повышают прочность изоляции полупроводникового модуля, но и эффективно предохраняют его от поверхностных разрядов, шунтирующих по токопроводящей пыли.
С расширением диапазона блокирующих напряжений, особую важность представляет стабильность изоляционных свойств модуля во времени. Одной из такой характеристик является уровень частичных разрядов. Частичный разряд (ЧР) – это вид искрового разряда очень маленькой мощности, который образуется внутри изоляционных материалов, в оборудовании среднего и высокого классов напряжения [2].
Обзор публикаций подтверждает значимость проблемы частичных разрядов в изоляции высоковольтного оборудования, однако материалов, связанных с биполярными полупроводниковыми приборами крайне мало. Обычно разрушение изоляции от воздействия ЧР происходит в течение многих месяцев и даже лет. В большинстве случаев анализ причин таких отказов не проводится и тема остается без должного внимания.
Другими словами, чем ниже напряжение изоляции, тем дольше дефект не проявится, а при напряжении изоляции ниже 3000 В - ЧР не возникают вовсе. Количество силовых биполярных модулей с блокирующим напряжением выше 3,6 кВ на рынке невелико, а количество отказов в следствии иных причин - достаточно большое, поэтому отказы приборов, связанные с деградацией изоляции из-за возникновения ЧР, не являются преобладающими. Однако ситуация меняется если, речь идёт о силовых модулях с блокирующим напряжением до 6,5 кВ, так как время до наступления критической деградации изоляционных свойств из-за ЧР сокращается в разы. Поэтому, при проектировании и производстве силовых модулей с напряжением изоляции до 7 кВ крайне важно вести мониторинг характеристик ЧР.
В настоящее время известно большое количество методов измерения параметров ЧР, к которым относят:
- электрический;
- электромагнитный, или дистанционный, СВЧ-метод;
- акустический;
- химический;
- оптический, или оптоэлектронный;
- термический [1].
АО «Протон-Электротекс» ведет работу над изучением характеристик ЧР, возникающих в силовых модулях с шириной основания 60 мм с напряжением изоляции до 7 кВ, и выявлением механизмов их образования.
Рабочее место, необходимое для измерения ЧР, состоит из:
- Измерительной системы Omicron MPD 600.
- Высоковольтного трансформатора.
- Соединительного конденсатора, обладающего минимальной индуктивностью.
- Калибратора Omicron CAL 542 1 – 100 пКл.
- Датчика тока частичных разрядов.
- Системы обработки результатов измерений.
Для снижения уровня помех, вызванных внешними электрическими полями, вся измерительная система помещена в клетку Фарадея. Измерения всех опытных образцов проводятся по электрическому методу, соответствующему ГОСТ Р 55191 (МЭК60270:2000). Функциональная схема системы представлена на рисунке 1 [3].
Программное обеспечение, с помощью которого обрабатываются результаты измерений, обеспечивает дополнительные возможности:
- визуальную фиксацию (рисунок 2) ЧР в режиме реального времени с привязкой к фазе испытательного воздействия;
- измерение заряда в течение времени;
- подсчет количества ЧР, интенсивность которых превышает заданный уровень;
- формирование интегральной картины ЧР за все время испытаний. Интегральная картина позволяет идентифицировать не только ЧР, но и поверхностную утечку, коронные разряды и др.
Процесс измерения можно описать следующим образом:
Измерения характеристик ЧР производятся в конце второго интервала времени (рисунок 3).
Для каждого образца определяется:
- Количественная характеристика ЧР - значение «кажущегося заряда» в пкКл при U = 2860 В.
- Значение напряжения, при котором ЧР отсутствует.
- Значение напряжения, при котором возникает ЧР.
Данный режим измерений соответствует стандарту ГОСТ Р МЭК 60664.1-2012 «Координация изоляции для оборудования в низковольтных системах», часть 1.
Результаты исследований и выводы
Решение проблемы, связанной с ЧР, в силовых полупроводниковых модулях осложняется рядом факторов, связанных с его конструктивными особенностями. Одним из таких факторов является наличие внутри прибора нескольких межпотенциальных зон, в которых и способны возникать ЧР. Это в значительной степени усложняет работу по локализации дефектов на начальных этапах исследования. Также задача усложняется из-за наличия в модуле различных видов изоляционных материалов с разными свойствами.
В настоящее время компания АО «Протон Электротекс» по средствам дифференцированного анализа конструкции смогла локализовать зоны возникновения частичных разрядов, что позволяет принимать меры по снижению уровня их интенсивности (рисунок 4). В комплексе с мерами по повышению прочности изоляции до 7 кВ внедренные меры позволяют повысить безопасность и надежность конструкции высоковольтных приборов с напряжением изоляции до 7 кВ (AC) на протяжении всего срока эксплуатации.
Рисунок 4 – Визуализация результатов измерения характеристик ЧР прибора без ЧР
Список использованной литературы:
- Андреев, А. М. «Методы испытаний диэлектриков. Измерение характеристик частичных разрядов в электрической изоляции учебное пособие для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки магистров „Техническая физика“». Изд-во Политехнического ун-та.
- Русов, В. А. Измерение частичных разрядов в изоляции высоковольтного оборудования. — Ек.: УрГУПС, 2011.
- ГОСТ Р 55191-2012 (МЭК 60270:2000) Методы испытаний высоким напряжением. Измерения частичных разрядов. - М.: Стандартинформ, 2014
- ГОСТ Р МЭК 60664.1-2012 Координация изоляции для оборудования в низковольтных системах. Часть 1. Принципы, требования и испытания - М.: Стандартинформ, 2014