Передача, распределение и накопление электроэнергии

Высоковольтные силовые полупроводниковые модули с повышенными изоляционными характеристиками

22 июля 2019 г. в 12:50

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].

Рисунок 1 – Функциональная схема измерительной установки
Рис. 1 U - высоковольтное питание; Zmi - входное сопротивление измерительной системы; CC - соединительный кабель; Ca - испытываемый объект; Ck - соединительный конденсатор; CD - соединительное устройство; MI - измерительный прибор; Z - фильтр

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.
Рисунок 2
Визуализация результатов измерения характеристик ЧР прибора с критическим уровнем ЧР

Процесс измерения можно описать следующим образом:

Измерения характеристик ЧР производятся в конце второго интервала времени (рисунок 3).

Рисунок 3
Рис. 3 Режим измерения характеристик ЧР

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

Источник: С.Д. Антонов, А.А. Писарев, И.Ю. Савин

👉 Подписывайтесь на Elec.ru. Мы есть в Телеграм, ВКонтакте и Одноклассниках

Информация о компании

АО «Протон-Электротекс» — прогрессивное российское предприятие, которое выполняет полный цикл производства силовых полупроводниковых приборов — от разработки и создания опытных образцов до серийного изготовления. Производственная специализация предприятия «Протон-Электротекс» — это таблеточные и штыревые тиристоры, резисторы, лавинные и быстродействующие диоды, IGBT модули, тиристорные и диодные модули, охладители и мн. др.
Читайте также
Новости по теме
Объявления по теме

ПРОДАМ: Опорные изоляторы из эпоксидного компаунда 10-35кВ РФ

Литые изоляторы из эпоксидного компаунда предназначены для работы в электрических сетях с напряжением 6-10 кВ. Их главной особенностью является использование в качестве изоляции эпоксидного компаунда. Преимущество данного вида изоляции — обладая высокими электроизоляционными и физико-механическими свойствами, он обеспечивает высокую электрическую прочность изделия, являясь одновременно его несущей конструкцией, полностью герметизирует изделие, что повышает его надежность и сводит до минимума объем профилактических работ в процессе его эксплуатации. По сравнению с изделиями из фарфора, наши изделия имеют меньший вес и габариты и могут быть установлены в любом пространственном положении. Изоляторы выпускаются в климатическом исполнении УХЛ2.
Курамшин Финат · ООО "МС" · 25 марта · Россия · г Санкт-Петербург

ПРОДАМ: Опорные изоляторы из эпоксидного компаунда 10-35кВ

Литые изоляторы из эпоксидного компаунда предназначены для работы в электрических сетях с напряжением 6-10 кВ. Их главной особенностью является использование в качестве изоляции эпоксидного компаунда. Преимущество данного вида изоляции — обладая высокими электроизоляционными и физико-механическими свойствами, он обеспечивает высокую электрическую прочность изделия, являясь одновременно его несущей конструкцией, полностью герметизирует изделие, что повышает его надежность и сводит до минимума объем профилактических работ в процессе его эксплуатации. По сравнению с изделиями из фарфора, наши изделия имеют меньший вес и габариты и могут быть установлены в любом пространственном положении. Изоляторы выпускаются в климатическом исполнении УХЛ2.
Курамшин Финат · ООО "МС" · 8 апреля · Россия · г Санкт-Петербург
Опорные изоляторы из эпоксидного компаунда 10-35кВ

ПРОДАМ: Изолирующие крышки для силовых выводов

Критерий безопасности имеет первостепенное значение при проектировании и монтаже сетей электроснабжения. Один из способов достижения этой цели - недопущение прямого контакта человека и силовых линий. Поражение электрическим током может привести к серьезным последствиям для жизни и здоровья, к основным его признакам можно отнести наличие ожогов, шоковое состояние и нарушение сердечного ритма. Также, помимо неосторожных действий человека, возможен контакт с силовыми линиями различных животных. Любые живые организмы являются хорошими проводниками электрического тока, и в результате прямого контакта происходит короткое замыкание или существенный ток утечки. Это приводит к нарушению в работе электрооборудования вплоть до возгорания и выхода его из строя. Наша компания с 2005 года профессионально решает задачи на электротехническом рынке в области поставок низковольтного оборудования партнерам по всей России. Сегодня "Элснаб" является крупнейшим дистрибьютором и сервис-партнером чешского завода OEZ (Siemens AG) в России. Наши технические специалисты проводят обучающие семинары и презентации по всему оборудованию, осуществляют полную техническую поддержку и сервисное обслуживание. Электротехническое оборудование "Элснаб" приобретают крупнейшие предприятия и организации страны, работающие в различных отраслях хозяйства: электроэнергетике, атомной, лесной и химической промышленности, агропромышленном комплексе, машиностроении и судостроении, сферах связи и IT. Тщательно продуманная логистика, высокий сервис, надежные поставки, оперативная обработка клиентских запросов - все эти исключительные качества «Элснаб» помогают нашим партнерам реализовать крупные проекты и решать важные задачи в области электротехники. Благодаря собственному складу и сотрудничеству с ведущими транспортными компаниями, мы обеспечиваем быструю отгрузку и высокую скорость поставок в любой регион страны.
Отдел продаж · Элснаб · 16 апреля · Россия · г Москва
Изолирующие крышки для силовых выводов

ПРОДАМ: Изолента ПВХ HLT Electric

Назначение – Предназначена для электрической изоляции, сращивания,маркировки,защиты от воздействия агрессивных сред проводов и кабелей. Область применения – Промышленные и строительные организации. Материалы – Поливинилхлорид, клеевой слой изготовлен на основе каучука. Преимущества: – Высокая герметичность электроизоляции; – Стойкость к воздействию факторов внешней среды: влажности и ультрафиолету,солям, химическим растворителям,коррозии металлов; – Высокий коэффициент растяжения ленты; – Обширная цветовая гамма.
Отдел продаж · ФАТО ЭЛЕКТРИК · 16 апреля · Россия · г Москва
Изолента ПВХ HLT Electric

ПРОДАМ: Вилки и розетки силовые Энергия TS

Силовые разъемы предназначены для подключения мобильного или стационарного электрооборудования к сети переменного тока. Корпуса силовых разъемов, изготовленные из высококачественного искусственного материала полиамид-6 практически неразрушаемы. У этого материала хорошая электрическая изоляция, ударопрочность, стойкость к изнашиванию, формоустойчивость, самозатухание (не поддерживает самостоятельного горения), устойчивость к воздействию жары и холода, стойкость к дисперсионному твердению, а также воздействию морской воды, масел и бензина. Особенности: Цвет корпуса зависит от рабочего напряжения. Синий — от 200 В до 250В. Красный — 380 В до 400 В. Гнезда и штифты контактов силовых разъемов производятся из латуни. Винты и пружины изготавливаются из нержавеющей стали, а их поверхность защищена от контакта с токопроводящими частями. Преимущества: Силовые, промышленные и кабельные разъемы марки «Энергия» высококачественны и разработаны для применения в сложных условиях. Они просты в установке и эксплуатации, надежны и имеют длительный срок эксплуатации, что делает их особенно ценными. Все силовые разъемы изготавливаются в настенном и кабельном исполнении и обладают степенью защиты IР44 или IР67. Применение: — в промышленности для подключения оборудования; — на пожароопасных производственных объектах; — ремесленной отрасли; — на сельскохозяйственных и садоводческих предприятиях; — на строительных площадках; — на вокзалах, гостиницах, турбазах; — в торговых точках, бытовках и киосках; — на кораблях, лодках и яхтах; — для прицепа, кемпинга или мобильного дома; — в подвесных конструкциях.
Рыжов Сергей · ЭТК Энергия · 15 апреля · Россия · г Москва
Компания «ФАТО Электрик» является производителем и прямым поставщиком низковольтной электротехнической продукции торговой марки HLT. На сегодняшний день ассортимент продукции бренда HLT уже включает в себя более 4000 наименований продукции. Офис и склад общей площадью свыше 1000 м2 находятся в Москве для удобства развития региональной сети дистрибьюции бренда. Фато Электрик осуществляет поставки не только по всей территории Российской Федерации, но и тесно сотрудничает с Республикой Беларусь.