Металлобумажный конденсаторы

 

 

Рисунок 4.2 Секция металлобумажного конденсатора

1- первая лента металлизированной бумаги; 2-закраина цервой ленты; 3-вторая лента металлизированной бумаги; 4-закраина второй ленты; 5- контактная накладка, соединенная с металлическим слоем первой ленты; 6-припаянный к этой накладке выводной проводник;7-накладка, контактирующая с металлом второй ленты; 8- вывод от этой накладки.

 

При замене обкладок из фольги тонким слоем металла, в конденсаторе могут  возникать явления, которые не наблюдались  при обкладках из фольги: явление  мерцания ёмкости (у слюдяных и керамических конденсаторов с серебряными обкладками) и явление самовосстановления конденсатора при пробое.

4.3 Явление самовосстановления электрической прочности при пробое

Было обнаружено для металлоплёночных и металлобумажных конденсаторов. При коротком замыкании тонких металлизированных обкладок в момент пробоя по обкладкам проходит ток короткого замыкания, плотность которого возрастает по мере приближении к точке, в которой произошёл пробой. На участке наибольшей плотности тока вокруг места пробоя внутри окружности малого радиуса r выделяется достаточно тепла для расплавления тонкого металлического слоя. При этом появляются условия для возникновения между обкладками электрической дуги, которая разбрасывает расплавленный металл, создавая вокруг места короткого замыкания участок поверхности, свободной от металлического слоя. При увеличении радиуса изолированного участка дуги удлиняется, гаснет и процесс самовосстановления заканчивается. Место короткого замыкания оказывается изолированным от обкладок.

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 4.3 Процесс самовосстановления металлизированного конденсатора

 

Для того, чтобы процесс самовосстановления происходил успешно и удаление металла осуществлялось лишь на небольшом участке обкладки вокруг места пробоя, необходимо, чтобы толщина слоя не была чрезмерно мала и чтобы слой был однородным по всей поверхности. Явление самовосстановления при пробое металлобумажного конденсатора не обеспечивает возможность длительной работы такого конденсатора при напряжении, превышающем . При длительном приложении такого напряжения начнутся систематические пробои и самовосстановления, число которых растёт с увеличением напряжения; удаление части обкладок при каждом пробое, хотя и небольшое, постепенно приводит к снижению ёмкости. В конечном счёте, если часть обкладки, прилегающая по всей длине к одной из торцовых, будет разрушена, то конденсатор “потеряет ёмкость”, то есть между выводами будет “обрыв” (сопротивление между выводами - бесконечность). Таким образом, металлобумажный конденсатор низкого напряжения отказывает в работе при повышении напряжения не вследствие пробоя и короткого замыкания, как обычный конденсатор, а вследствие появления обрыва.

4.4 Конденсаторная бумага

Для изготовления металлобумажных  конденсаторов применяют специальную бумагу, отличающуюся весьма малой толщиной и малым содержанием неорганических примесей и выпускаемую с различным значением плотности. При уменьшении толщины бумаги стоимость её резко возрастает, как из-за необходимости увеличивать время размола бумажной массы, что связано с расходом электроэнергии, так и вследствие уменьшения выхода годной бумаги. Для конденсаторов постоянного напряжения выпускается бумага плотностью 1,2 . Доброкачественная конденсаторная бумага имеет малую воздухопроницаемость (ниже 2-3 ). Реакция водной вытяжки должна быть слабощелочной и близкой к нейтральной. Бумага должна быть однородной и содержать минимальное количество структурных дефектов. Недостатком бумаги является неизбежное присутствие в ней некоторого количества токопроводящих включений в виде частиц угля, а также железа и меди или их окислов. Непропитанная конденсаторная бумага в воздушно- сухом состоянии содержит 20-50% воздуха (по объёму) и 6-10% воды (по весу). Для улучшения её электрических свойств необходимо проводить сушку - для удаления воды и пропитку для замены воздуха, находящегося в порах бумаги, твёрдым или жидким диэлектриком, обладающим более высоким, чем у воздуха, значениями и ε. Операции сушки и пропитки проводят после намотки конденсаторных секций. По ГОСТу предусматривается изготовление двух сортов конденсаторной бумаги КОН-1 с объёмным весом 1,0 и толщиной 7,8,10,12,15,22,30 мк и КОН-2 с объёмным весом 1,16-1,25 , толщиной 5,6,7,8,10,12,15,22,30 мк.

4.5 Пропиточные массы

Пропиточные массы можно разделить  на жидкие и мягкие. Основным преимуществом жидких пропиточных масс является полное заполнение всех пор в бумаге, если пропитка проводится при высоком вакууме, в отличие от твёрдых масс, которые обладают усадкой, вызывающей образование остаточных газовых включений в диэлектрике конденсатора. При переходе от твёрдой пропитки к пропитке жидким диэлектриком обеспечили жидким пропитывающим массам преимущественное применение в производстве высоковольтных бумажных конденсаторов, как при переменном, так и при постоянном напряжении. Твёрдые пропиточные массы применяются при изготовлении конденсаторов постоянного напряжения при не выше 600-1000В. Основным преимуществом твёрдых пропиточных масс является возможность упрощения конструкции конденсатора, если от него не требуется работа в условиях высокой влажности. При жидкой пропиточной массе требуется герметизация конструкции, чтобы устранить возможность вытекания жидкой массы из конденсатора.

4.6 Твёрдые неполярные массы

Воскообразные вещества, представляющие собой смеси предельных твёрдых  углеводородов типа , где n- порядка 20 или выше, теперь находят лишь ограниченное применение в конденсаторостроении.

Церезин- продукт очистки ископаемого воскообразного вещества- озокерита (образующегося при естественном перерождении нефти) имеет высокую температуру плавления, чем парафин, и отличается от него повышенной устойчивостью к окислению. Находит себе преимущественное применение в производстве металлобумажных конденсаторов.

4.7 Лакировка бумаги перед металлизацией

Имеющиеся в бумаге частицы угля, металлическая пыль могут иметь  как высокую проводимость, так  и относительно низкую. Поэтому при  изготовлении однослойных металлобумажных конденсаторов из нелакированной бумаги трудно получить постоянную времени выше нескольких , так как оставшиеся неизолированными частицы полупроводникового характера будут шунтировать обкладки, создавая большую утечку. Наличие лаковой плёнки изолирует такие частицы от обкладок. Кроме того, эта плёнка заметно улучшает электрическую прочность бумажного диэлектрика, закрывая случайные сквозные отверстия в бумаге. Недостатком лакировки является то, что она затрудняет использование особо тонких бумаг для изготовления металлобумажных конденсаторов, поскольку прочность этих бумаг в смоченном состоянии оказывается недостаточной и приводит к чрезмерному числу обрывов на лакировочной машине.

4.8 Технология изготовления металлобумажных конденсаторов

Первой операцией в производстве металлобумажных конденсаторов  является намотка конденсаторных секций, которую проводят на специальных намоточных станках из лент металлизированной бумаги, сматывающихся с рулоны, закреплённых на осях станка.

 

 

 

Рисунок 4.4 Схемы намотки бумажных конденсаторов а)- со смещенной фольгой; б)- с вкладными выводами; 1 - фольга; 2 - конденсаторная бумага; 3 - выступающие края фольги; 4 - вкладные выводы.

 

Для обеспечения нужного натяжения используют тормозные устройства. Осевое положение рулона можно регулировать, чтобы обеспечить совпадение краёв бумажных лент. Намотка конденсаторных секций ведётся на оправку, вставленную в отверстие в шпинделе станка; оправка должна иметь устройства для закрепления концов бумажных лент. Обычно намоточный станок представляет собой полуавтомат; шпиндель приводится во вращение от электродвигателя; намотчица заправляет концы бумажных лент в оправку, пускает в ход станок и он ведёт намотку автоматически до получения требуемого числа витков, установленного заранее на специальном счётчике, работающем на механическом или электромеханическом принципе; после намотки нужного числа витка станок автоматически останавливается, и намотчица обрезает бумагу, кроме одной- двух лент, с помощью которых она наматывает перед обрезкой холостые защитные витки. После этого намотчица заклеивает секцию, чтобы избежать её разматывания, и снимает её с оправки. При изготовлении конденсаторов с небольшими значениями номинальной ёмкости применяют цилиндрические секции, намотанные на оправки малого диаметра (1,5-3 мм) и сохраняющие цилиндрическую форму после снятия с оправки.

 

 

Рисунок 4.5 Поперечное сечение цилиндрической секции металлобумажного конденсатора.

 

Намотка представляет собой ответственную  операцию, в значительной степени влияющую на надёжность конденсатора. Брак при намотке (резкие складки и морщины, перекосы лент и т.д.) может легко стать причиной пробоя одной из секций конденсатора в условиях эксплуатации и вывести его из строя. Цилиндрические секции после намотки поступают на сборку в корпусах.

 

5. УПЛОТНЁННЫЕ КОНСТРУКЦИИ

Первым мероприятием для влагозащиты  конденсаторов с помощью органических материалов явилась пропитка, то есть заполнение пор в диэлектрике и зазоров между слоями диэлектрика и обкладками какой- либо влагостойкой пропиточной массой. Пропитка может обеспечить только временную защиту конденсатора от действия влаги, лишь задерживая проникновение влаги в конденсатор на относительно небольшой срок, но не исключая возможности этого проникновения с течением времени. Пропитка полезна как вследствие того, что пропитанные конденсаторные секции при умеренной влажности сохраняют свои электрические свойства в течение того небольшого времени, которое необходимо для процесса сборки конденсатора, так и потому, что после пропитки заметно возрастает электрическая прочность конденсатора. Простейшим дополнительным средством влагозащиты пропитанной конденсаторной секции является покрытие её слоем изоляционного лака. Шагом вперёд в направлении улучшения влагостойкости конденсаторов явилась заливка влагоупорным компаундом пропитанных конденсаторных секций, помещаемых в металлический или изоляционный корпус, открытый с одной или с двух торцов (рисунок 5.1 а), б)).

а)       в) б)       

 

Рисунок 5.1 уплотнённые конструкции с применением органических влагозащитных веществ: а)- изоляционная трубка, заливка; б)- металлическая трубка, заливка, изоляционные шайбы; в)- окукливание компаундом.

 

Недостатком таких конструкций  является их пониженная морозостойкость, так как при низких температурах возможно растрескивание заливочного компаунда с последующей потерей влагостойкости конденсатора. Существуют и другие методы влагозащиты конденсаторов: опрессовка пластмассой, метод облицовки влагозащитным компаундом (5.1 в)), метод кипящего слоя. Все эти конструкции также не могут обеспечить достаточно надёжной работы в условиях высокой, особенно тропической влажности. Это обусловлено тем, что в этих конструкциях используется органическая изоляция, хотя и в относительно небольших количествах. Недостатком применения органических материалов для целей влагозащиты является присущая всем материалам влагопроницаемость. Даже когда не нарушена сплошность влагозащитного слоя, органический материал всё равно будет постепенно пропускать через себя влагу. Органические вещества в условиях повышенной влажности и температуры, характерных для тропиков, могут служить питательной средой для развития на них поверхности колоний грибков. Это приводит к возможности отказов в связи с резким возрастанием поверхностной утечки. Развитие грибков может вызвать также коррозию металлов и разложение изоляции. Для повышения грибоустойчивости изоляции было предложено покрывать её антигрибковыми лаками, содержащими токсичные для грибков веществ.

 

6. РАСЧЁТ МЕТАЛЛОБУМАЖНОГО КОНДЕНСАТОРА

Расчёт конденсатора нужно начинать с выбора диэлектрика. В металлобумажном конденсаторе диэлектриком является конденсаторная бумага. Согласно ГОСТу выберем бумагу КОН-2 с объёмным весом 1,2 . Пропиточную массу выберем церезин, поскольку он является твёрдой пропиточной массой и соответственно конструкция не требует герметизированной конструкции. Твёрдые массы выбираются для работы при постоянном напряжении. В отличие от парафина, церезин имеет более высокую температуру плавления и отличается повышенной устойчивостью к окислению. Исходя из этого, определим по таблице электрическую прочность пропитанной конденсаторной бумаги: В таблице имеются значения только для бумаги, пропитанной вазелином (40 кВ/мм) и для бумаги, пропитанной маслом (35 кВ/мм). Эти значения не имеют особого отличия, поэтому примем величину электрической прочности для бумаги, пропитанной церезином 38 кВ/мм. Теперь мы можем рассчитать толщину диэлектрика:

где k- коэффициент запаса для металлобумажного конденсатора, который лежит в пределе от 2 до 3. Толщина бумаги стандартизована, поэтому мы не можем взять толщину диэлектрика 0,98 мк. Берём толщину диэлектрика 10 мк.

Рассчитаем  площадь обкладок конденсатора:

при использовании плотной конденсаторной бумаги КОН-2 для однослойного бумажного конденсатора при пропитке церезином ε=4,5.

Зная площадь ленты конденсаторной бумаги, мы можем рассчитать габаритные размеры:

Пусть ширина бумаги равна 3 см, тогда её длина будет равна 83,3 см.

Теперь нам необходимо определить величину закраин конденсаторной бумаги. Закраины необходимы для того, чтобы  избежать пробоя конденсатора по закраине. Величину закраин для металлобумажных конденсаторов при номинальном напряжении до 400 В принимают равной 2 мм.

 

 

Рисунок 6.1 Конденсаторная бумага

 

Намотав конденсаторную секцию из бумаги такой длины, мы получим конденсатор  больших габаритных размеров (толщиной 3 см и длиной 10 см). Такие конденсаторы в производстве не выпускаются. Поэтому  возьмём для удобства 4 параллельно  соединённые конденсаторные секции не цилиндрической формы, а прессованные. Тогда длина конденсаторной бумаги одной конденсаторной секции будет равна 20,8 см.

Для цилиндрических конденсаторов  диаметр намоточной оправки выбирается порядка 0,1 мк. Для прессованных конденсаторов диаметр намоточной оправки должен быть сопоставим с внешним диаметром.

Выберем диаметр намоточной оправки  . Тогда внешний диаметр найдём по формуле: