Пленочные конденсаторы в силовой электронике и термическое старение, как фактор надежности и долговечности конденсаторов. Конденсаторы для теплиц: негативное влияние высокой температуры и влажности на процессы термической деградации (старения).
Металлизированные пленочные конденсаторы, а особенно на базе полипропилена благодаря их высокой прочности на пробой, хорошей диэлектрической стабильности и низкому коэффициенту диэлектрических потерь, широко используются в силовой электронике – конденсаторные установки, статические синхронные компенсаторы (STATCOM), электроприводы, осветительные установки на люминесцентных и других разрядных лампах, модульные многоуровневые преобразователи и т.д. В силовом оборудовании полипропиленовая пленка в конденсаторе должна выдерживать электрические и тепловые нагрузки, которые могут превышать (соответственно) 200 В/мкм и около 150 °C, однако повышенные температура и влажность при эксплуатации могут существенно сократить срок службы конденсаторов.
Термическое старение сегодня рассматривается, как один из наиболее критических факторов, приводящий к сильной деградации полипропиленовой пленки и, как следствие, выходу конденсатора из строя. В целом полипропиленовые пленки имеют очень низкие диэлектрические потери (около 10−4) при температурах до 85°C, но во время эксплуатации температура внутри конденсатора может достигать значений выше 200°C, что приводит к изменениям, как в самом материале диэлектрика, так и конструкции намотки с металлизацией.
Конденсаторы для теплиц: негативное влияние высокой температуры и влажности на процессы термической деградации (старения)
В тепличных хозяйствах, автономных теплицах и городских фермах пленочные металлизированные конденсаторы используются в системах отопления, вентиляции, кондиционирования, водоснабжения (иногда и водозабора), ирригации, фертигации, в приводах автоматического открывания окон, а также в звеньях постоянного и переменного тока ШИМ преобразователей и системах освещения (включая фотосинтетически активные установки с определенным диапазоном излучения для фотосинтеза, роста и развития растений).
Превалирующее большинство конденсаторов используются в качестве рабочих и/или пусковых для непрерывной работы и запуска двигателей переменного тока (ГОСТ IEC 60252-1/2) или входят в схемы комплектных преобразователей для электропривода переменного (или постоянного) тока с регулируемой скоростью. Следующими по объему применения в теплицах стали пленочные металлизированные полипропиленовые конденсаторы для цепей трубчатых люминесцентных и других разрядных ламп (ГОСТ IEC 61048-2011), используемых и для освещения, и для стимуляции фотосинтеза, роста и развития выращиваемых культур.
В то же время, если «моторники», комплектные преобразователи и сами электроприводы при правильном проектировании теплиц удается размещать в относительно «лояльных» по температуре и влажности местах, то конденсаторы для источников освещения и излучения определенного спектра волн работают буквально в экстремальных условиях, активизирующих и ускоряющих процессы термической деградации. Причем эти процессы дополнительно стимулируются наличием дефектов в конструкции при производстве пленочных металлизированных конденсаторов, что в совокупности может привести к значительному сокращению реального сорока службы, пробою конденсатора и аварийным ситуациям.
Полипропиленовые пленки, как правило, имеют микрометрический размер и металлизируются нанометровым алюминием, цинком или цинк-алюминиевым сплавом путем испарения в вакууме, а торцы намотки напыляют металлическими частицами (цинком или сплава цинка и олова) в процессе «шопировки» (Schoopage). Во время процесса намотки между слоев пленки попадает воздух, а поскольку алюминий обладает высоким сродством к кислороду, алюминиевый электрод начинает превращаться в аморфный глинозем (Al2O3), что нарушает свойства самого диэлектрика – полипропилена и способствует значительному увеличению диэлектрических потерь и емкости.
Справка: емкость используется в качестве надежного индикатора старения пленочных конденсаторов и в целом окончание срока службы полипропиленовых сборок определяется как потеря емкости на 5% от начального значения. В свою очередь потерю емкости связывают с тремя факторами: уменьшением диэлектрической проницаемости, потерей активной площади или уменьшением толщины полипропиленовой пленки.
Тем не менее, на разрушение конденсатора могут повлиять дефекты из-за процесса производства полипропиленовых пленок, металлизации и окончательной упаковки, приводящие к локальным пробоям (и самовосстановлению), падению емкости, к потере краевого соединения и электрохимической коррозии. Кроме того, разряд вызывается не только приложенным напряжением, но и распределением заряда в конденсаторе, а любые структурные изменения в намотке, примеси в металлизированных полипропиленовых пленках, даже незначительное количество воздуха и влаги между слоями, а также локальные факторы, усиливающие электрическое поле – температура и влажность рабочей среды – оказывают свое негативное влияние на реальный срок службы конденсатора.
Стоит отметить и противоречивое действие двух основных факторов, влияющих на емкость, из которых один связан с диэлектрической проницаемостью, а другой – с площадью алюминиевого электрода. Так, пленка PP при термическом старении продуцирует небольшое количество полярных фрагментов/групп, что увеличивает диэлектрическую проницаемость, и, по идее должно увеличить емкость. С другой стороны, алюминий окисляется после взаимодействия с кислородом с образованием непроводящего оксида, что уменьшает площадь обкладок конденсатора и, соответственно, емкость. Кроме того, гидрофильный оксид алюминия имеет тенденцию поглощать полярные фрагменты/группы состаренной полипропиленовой пленки и это приводит к неравномерной адгезии между слоями, что увеличивает частичные разряды и снижает напряжение пробоя (по данным исследований до 39,4% после 38 дней старения).
Поэтому уже сегодня признано, что:
- число частичных разрядов пропорционально времени старения и должно рассматриваться в качестве индикатора деградации, отражающего состояние конденсатора при термической деструкции вместо потери емкости;
- пленочные металлизированные конденсаторы для экстремальных (по температуре и влажности) условий эксплуатации не должны иметь никаких дефектов в намотке, металлизации и окончательной упаковке для исключения рисков быстрого термического старения, пробоя, выхода из строя оборудования.
Важно: Северо-Задонский конденсаторный завод (СКЗ) освоил de facto «бездефектный» способ производства металлизированных пленочных конденсаторов для цепей трубчатых люминесцентных и других разрядных ламп, в том числе используемых в теплицах, городских фермах, тепличных хозяйствах. Новое специализированное оборудование, жесткий контроль над всеми этапами производственно-технологического процесса и пакет прогрессивных приемо-сдаточных испытаний позволяют выпускать отечественный продукт, превосходящий по своим характеристикам и эксплуатационным свойствам именитые зарубежные бренды.
