Altitudine di 4,000 m: scarica parziale nei condensatori ad alta tensione

Altitudine di 4,000 m: scarica parziale nei condensatori ad alta tensione

Astratto

Negli ospedali dell'altopiano del Qinghai-Tibet, delle Ande e delle Alpi, le apparecchiature per la tomografia computerizzata (TC) sono utilizzate ad altitudini superiori ai 4,000 metri. L'aria rarefatta riduce il campo di scarica di circa il 40%, pertanto le intercapedini d'aria sulle superfici dei condensatori, tra i conduttori e all'interno dell'incapsulamento si scaricano a tensioni che passano a livello del mare. Questo articolo illustra le relazioni di pressione, i fattori di correzione per l'altitudine e le fasi di rivestimento, incapsulamento e test a bassa pressione che mantengono la scarica parziale (PD) al di sotto di 5 pC.

1. introduzione

Ospedali, posti di frontiera e unità mediche mobili operano al di sopra dei 4,000 metri sull'altopiano del Qinghai-Tibet, nelle Ande e nelle Alpi. L'aria in quelle zone è rarefatta, l'escursione termica tra il giorno e la notte è notevole e le radiazioni ultraviolette sono intense.

I generatori di corrente (CT) mantengono i condensatori ceramici, l'olio del trasformatore e le terminazioni dei cavi ad alta tensione. Tutti e tre sono più soggetti a scariche parziali a bassa pressione, e le scariche portano al deterioramento dell'isolamento e al guasto delle apparecchiature.

Una scarica parziale è una scarica non penetrante. Si verifica quando il campo elettrico locale supera la soglia di scarica del mezzo. Al livello del mare, l'aria ha una resistività di circa 30 kV/cm. A 4,000 m la pressione è di circa 61.6 kPa e lo stesso spazio intercapedine ha una resistività di circa 18 kV/cm.

Il corpo ceramico in sé non è sensibile alla pressione. Lo sono invece gli spazi d'aria sulla superficie, tra i conduttori, all'interno delle microfratture e attorno ai dispositivi di montaggio. Questo articolo fornisce i fattori di correzione e le fasi di progettazione e collaudo per i generatori di trasformatori di corrente a plateau.

2. Meccanismo fondamentale

2.1 Legge di Paschen e rottura dipendente dalla pressione

La tensione di scarica del gas dipende dal prodotto della pressione p e della distanza tra gli elettrodi d:

V_breakdown = f(p · d)

dove V_breakdown è la tensione di rottura e f la curva di Paschen per il gas.

La curva è alta per valori di pd molto grandi e molto piccoli e raggiunge un minimo tra questi due valori. Per un gap fisso, una pressione inferiore corrisponde a una tensione di rottura inferiore. Nell'intervallo ingegneristico, il campo di rottura segue direttamente la pressione:

E_breakdown(p) ≈ E_breakdown0 · (p / p0)

dove E_breakdown0 è il campo alla pressione di riferimento p0 = 101.3 kPa.

A 4,000 m la pressione è di circa 61.6 kPa, quindi il campo si riduce da 30 kV/cm a 18.2 kV/cm. La stessa distanza tra gli elettrodi può quindi sopportare circa il 40% di tensione in meno.

2.2 Scarica superficiale e scarica superficiale

Le superfici dei condensatori accumulano intercapedini d'aria, pellicola d'olio, condensa e polvere. A bassa pressione, il campo elettrico all'interno di questi difetti supera la tensione di rottura dell'aria e si innesca una scarica superficiale. Quando il canale si propaga lungo la superficie, si verifica una scarica superficiale.

La tensione di scarica superficiale si mantiene ben al di sotto della tensione di rottura del traferro puro. L'interfaccia ceramica-aria distorce il campo e i prodotti della scarica, ozono e ossidi di azoto, riducono la resistività superficiale.

V_flash ∝ L_creep · (p / p0)^m

dove V_flash è la tensione di scarica superficiale, L_creep la distanza di dispersione superficiale e m un esponente compreso tra 0.5 e 0.8 che dipende dalle condizioni della superficie e dalla contaminazione.

Poiché m è inferiore a 1, raddoppiare la distanza di dispersione superficiale non raddoppia la tensione di scarica. Il guadagno è comunque giustificato dallo spazio occupato in un progetto a plateau.

2.3 Vuoti interni e invecchiamento dell'incapsulamento

Microbolle, delaminazione e microfratture nella resina epossidica trattengono il gas a una pressione prossima a quella ambiente. Un vuoto che rimane inerte al livello del mare può scaricarsi a 4,000 m, perché il gas al suo interno mantiene la sua pressione mentre l'aria esterna si rarefà.

Una scarica prolungata erode la resina epossidica e la superficie ceramica, creando canali carbonizzati. Questi canali portano infine alla scarica. I dati pubblicati indicano che la tensione di innesco delle scariche parziali nei condensatori ceramici ordinari è inferiore del 25-45% a 4,000 m rispetto al livello del mare.

2.4 Calore, umidità e carico ultravioletto

Nelle zone di altopiano, le temperature variano di 20-30 °C tra il giorno e la notte. La condensa notturna deposita una pellicola d'acqua sulla superficie, che riduce la resistenza superficiale e la tensione di scarica. I raggi ultravioletti diurni invecchiano il rivestimento organico e provocano la formazione di microfratture.

La bassa pressione, le ampie escursioni termiche e i forti raggi UV, combinati insieme, rendono l'altopiano la situazione più difficile per l'isolamento ad alta tensione nelle applicazioni di diagnostica per immagini medicali.

2.5 Correzione dell'altitudine per i test di fabbrica

Gli standard PD a livello del mare utilizzano come valori di riferimento 101.3 kPa, 20 °C e 45% di umidità relativa. Il servizio in altopiano richiede una correzione della tensione di prova:

K_a = (p0 / p)^α

dove K_a è il fattore di altitudine, p la pressione del sito e α un esponente empirico compreso tra 0.5 e 0.7.

A 4,000 m con α = 0.6 il fattore risulta essere 1.30. I test di tenuta in fabbrica vengono quindi eseguiti a 1.3 volte la tensione a livello del mare, mentre la soglia PD rimane a PD ≤ 5 pC.

Figura 1 — Catena altimetrica da 61.6 kPa attraverso un campo di rottura inferiore del 40% fino a guasti ripetuti dei componenti.

3. Punti critici di ingegneria

Punto critico 1: i dati PD a livello del mare non coprono un plateau

I componenti superano i test PD ≤ 5 pC a 0.8 volte la tensione nominale in un laboratorio a livello del mare, a temperatura ambiente e bassa umidità. In esercizio a 4,000 m producono rumore di scarica e artefatti nelle immagini.

I test PD standard non riproducono né la bassa pressione né l'escursione termica giorno-notte. La scarica attraverso il micro-intercapedine d'aria rimane quindi nascosta durante l'intera fase di qualificazione.

Punto critico 2: Distanza di scorrimento riportata da un disegno a livello del mare

I generatori compatti riducono la distanza tra i componenti e la distanza di dispersione per risparmiare volume. Questo vale al livello del mare. In quota, i percorsi brevi provocano scariche elettriche.

In un ospedale in altopiano, una TAC ha lasciato tracce di carbonizzazione in diversi punti di contatto dei condensatori dopo due anni di servizio. La distanza di dispersione era stata progettata per il livello del mare e i percorsi superficiali non sono mai stati controllati a 60 kPa.

Punto critico 3: I componenti per le riparazioni a livello del mare si guastano di nuovo

Alcune riparazioni utilizzano gli stessi codici dei pezzi usati per i modelli a livello del mare, senza alcuna considerazione per il sito. I nuovi pezzi risultano normali per i primi mesi.

Entro uno o due anni, la portata dell'acqua esce nuovamente dai limiti consentiti e l'unità torna a presentare lo stesso problema. Ogni ciclo comporta un intervento di assistenza e lo smontaggio del serbatoio.

4. Fasi di progettazione

Strategia 1: Correggere la tensione di tenuta e la dispersione superficiale in base all'altitudine.

La norma IEC 60664-1 applica un fattore di altitudine alla distanza di isolamento e alla distanza di dispersione superficiale. A 4,000 m, aumentare la tensione di tenuta del 25-30% e la distanza di dispersione superficiale del 30-40%.

Definisci l'altitudine target già in fase di progettazione, sul primo disegno. Un generatore progettato secondo le regole universali del livello del mare non lascia spazio a successive correzioni.

Strategia 2: Testare la PD e resistere in una camera a bassa pressione

Eseguire test di scarica parziale (PD) e di tenuta in corrente alternata (AC) sui condensatori e sul serbatoio ad alta tensione assemblato all'interno di una camera a pressione impostata all'altitudine di destinazione. Le condizioni operative impostate sono 60 kPa, 25 °C e 50% di umidità relativa.

Mantenere il limite PD a 5 pC e scalare la tensione di prova con il valore di tenuta corretto. Eseguire la prova alla pressione della camera per almeno l'intero periodo di immersione, in modo che il gas all'interno di ogni cavità raggiunga l'equilibrio.

Strategia 3: Proteggere la superficie e renderla idrofobica

Rivestire la superficie ceramica e i conduttori con gomma siliconica, Parylene o una pellicola di fluorocarburi. Il rivestimento riempie i micro-spazi, aumenta la resistenza superficiale ed elimina la condensa.

Il trattamento idrofobico aumenta la tensione di scarica superficiale del 20-40% e mantiene il guadagno durante il ciclo di condensazione notturno.

Strategia 4: Eliminare i vuoti interni mediante impregnazione sottovuoto

Utilizzare l'impregnazione sottovuoto o l'incapsulamento sottovuoto per evitare la formazione di bolle nella resina epossidica. Controllare il profilo di polimerizzazione per evitare crepe da ritiro nell'incapsulamento.

I componenti del plateau HVC vengono sottoposti a degassamento sottovuoto e a una polimerizzazione a fasi che mantiene il rapporto di vuoti interni al di sotto dello 0.1%.

Strategia 5: Allungare il percorso di superficie con barriere

Aggiungere barriere isolanti attorno ai conduttori ad alta tensione e agli elettrodi terminali. I corpi a gola profonda svolgono la stessa funzione all'interno del componente.

Una barriera divide un lungo arco in diverse brevi interruzioni, e ogni interruzione necessita di un proprio campo di innesco. La tensione di scarica superficiale aumenta con il numero di interruzioni.

Strategia 6: Registrare i dati operativi del plateau

Eseguire controlli periodici del PD e test dell'olio su ogni CT impiegato al di sopra dei 4,000 m. Memorizzare in un'unica tabella l'altitudine, la temperatura del serbatoio, l'umidità, gli anni di servizio e il livello del PD.

Tale registrazione trasforma un guasto del sito in un input di progettazione per la costruzione successiva.

Parametro del componente	Valore tipico	Condizione di test
Potenza nominale (serie HVR)	50 W a 70 °C	alloggiamento in alluminio, aria libera
Valore di resistenza	10 kΩ ±5%	25 °C di riferimento
Tensione di funzionamento	10 kV CA/CC	continuo
Resistenza agli impulsi	30 kV a 10 µs	10 impulsi, classe IEC 60110
Coefficiente di temperatura (resistivo)	±50ppm/°C	da -55 °C a +155 °C
resistenza di isolamento	superiore a 1 GΩ a 1000 V CC	distanza di dispersione minima 25 mm
Capacità di corrente di picco	100 A a 1 ms	filo avvolto non induttivo

5. Condensatori HVC per generatori di trasformatori di corrente a plateau

Il servizio di plateau impone a un condensatore due requisiti: percorsi superficiali che mantengono una tensione di 60 kPa e un incapsulamento privo di vuoti. HVC produce componenti per plateau per entrambi i casi, in uno stabilimento di proprietà di 6,000 m² a Dongguan, per una gamma di tensioni da 1 kV a 150 kV.

Sei parametri importanti in questo caso

• Validazione delle scariche parziali a bassa pressione. Le scariche parziali vengono misurate in una camera a 60 kPa e si mantengono pari o inferiori a 5 pC a 0.8 volte la tensione nominale, rispetto a una pressione di riferimento a livello del mare di 101.3 kPa.
• Corpi costruiti per l'altitudine. HVCT8G e HVCT9G Le confezioni presentano un design a propagazione di corrente estesa, con percorsi superficiali più lunghi di oltre il 30% rispetto ai componenti standard.
• Rapporto di vuoti inferiore allo 0.1%. L'impregnazione sottovuoto e una polimerizzazione a fasi eliminano le fessure di gas interne che si disperdono per prime in quota.
• Dielettrico N4700 di classe I. Condensatori a disco ceramico N4700 mantengono il loro valore in un'escursione termica giorno-notte di 20-30 °C, con un DF effettivo inferiore allo 0.2%.
• Rivestimento superficiale composito. Uno strato di parilene e silicone aumenta la resistenza superficiale ed elimina la pellicola di condensa notturna.
• Resistenze e diodi accoppiati. HVR-BSP resistori a film spesso per le posizioni di divisore e smorzatore sono disponibili con spaziatura dei conduttori estesa e la stessa validazione a bassa pressione.

Consegna e supporto

I componenti standard vengono spediti in 4-8 settimane, mentre i set per plateau con rivestimento e test di resistenza allo scorrimento prolungato vengono spediti in 6-10 settimane, rispetto alle 20-30 settimane standard dei marchi sopracitati. L'ingegneria applicativa di HVC fornisce supporto per la riduzione della portata in altitudine, la revisione della resistenza allo scorrimento e la pianificazione dei test a bassa pressione.

Inviare l'altitudine target, la tensione del rail, il disegno della dispersione superficiale e il limite PD. HVC restituisce un foglio di corrispondenza con i codici articolo, i dati PD a bassa pressione e un kit di valutazione a due campioni entro cinque giorni lavorativi. Corrispondenza diodi raddrizzatori and Resistori di campionamento HVRGHP provengono dalla stessa fabbrica.

dati di riferimento incrociato rispetto a Murata Le serie DHS/DHR e TDK UHV sono disponibili su richiesta.

6. Domande frequenti

D1: Perché i condensatori ceramici si scaricano in quota?

Perché l'aria circostante si rarefà. A 4,000 m la pressione è di circa 61.6 kPa e il campo di scarica dell'aria scende da 30 kV/cm a 18.2 kV/cm, circa il 40% in meno. Gli spazi d'aria sulla superficie, tra i conduttori e all'interno dell'incapsulamento attraversano quindi il loro campo di innesco a tensioni che erano sicure al livello del mare.

Q2: Di quanto deve variare la tensione di tenuta a 4,000 m?

Aumentare la tensione di tenuta di fabbrica di circa il 25-30% e utilizzare K_a = (p0 / p)^α per impostare il fattore. A 4,000 m con α = 0.6 il fattore è 1.30, quindi il test viene eseguito a 1.3 volte il valore a livello del mare. La soglia PD rimane a 5 pC, il che mantiene il margine di sicurezza uguale al caso a livello del mare.

D3: Di quanta distanza di strisciamento ha bisogno un progetto a plateau?

Aggiungere il 30-40% rispetto al disegno a livello del mare, seguendo il fattore di altitudine specificato nella norma IEC 60664-1. Tenere presente che la tensione di scarica superficiale segue L_creep elevato a un esponente inferiore a 1 attraverso il termine di pressione, quindi il guadagno derivante dalla maggiore distanza è reale ma meno che proporzionale.

D4: Il rivestimento superficiale è sufficientemente efficace da giustificarne l'applicazione?

Sì. Le pellicole di silicone, parilene e fluorocarburi riempiono i microspazi sulla ceramica e sui conduttori, aumentano la resistenza superficiale ed evitano la formazione di condensa. La tensione di scarica superficiale misurata aumenta del 20-40% e il rivestimento mantiene la superficie asciutta anche durante la parte notturna del ciclo di plateau.

D5: Posso qualificare un componente per il livello del mare testandolo a 4,000 m?

Eseguite la prova alla pressione, non all'altitudine. Una camera a vuoto impostata a 60 kPa riproduce le condizioni di 4,000 m a una temperatura fissa di 25 °C e un'umidità relativa del 50%, e il risultato si ripete. Una prova sul campo in un sito di altopiano non consente di separare l'effetto della pressione da quello del calore, dell'umidità e dell'invecchiamento dovuto ai raggi ultravioletti.

D6: Come posso evitare che si verifichino guasti ripetuti nello stesso sito?

Cambiare il componente, non solo il codice. Un condensatore a livello del mare installato come ricambio presenta gli stessi traferri e la stessa ridotta dispersione superficiale, quindi si guasterà di nuovo entro uno o due anni. Specificare un componente per alta quota con dati PD a bassa pressione, un rapporto di vuoto inferiore allo 0.1% e una dispersione superficiale superiore del 30%, quindi registrare i dati del sito.

7. Riferimenti

1. IEC 60601-1:2005+AMD1:2012, Apparecchiature elettromedicali — Parte 1: Requisiti generali per la sicurezza di base e le prestazioni essenzialiGinevra: IEC, 2012.
2. CEI 60601-2-54, Apparecchiature elettromedicali — Parte 2-54: Requisiti particolari per la sicurezza di base e le prestazioni essenziali delle apparecchiature a raggi X per radiografia e radioscopiaGinevra: IEC, 2018.
3. CEI 60384-8, Condensatori fissi per impiego in apparecchiature elettroniche — Parte 8: Condensatori fissi a dielettrico ceramico, Classe 1Ginevra: IEC, 2015.
4. CEI 60270, Tecniche di prova ad alta tensione — Misurazioni di scariche parzialiGinevra: IEC, 2015.
5. Erickson, RW, e Maksimović, D., Fondamenti di elettronica di potenza, 3ª ed. Cham: Springer, 2020.
6. Mohan, N., Undeland, TM e Robbins, WP, Elettronica di potenza: convertitori, applicazioni e progettazione, 3ª ed. Hoboken, NJ: Wiley, 2003.
7. A. Boudiaf, S. Bouazabia, N. Harid e ML Amrani, Calcolo analitico della soglia di scarica parziale in una cavità gassosa all'interno dell'isolamento di un cavo ad alta tensione.Ingegneria elettrica, vol. 104, n. 2, pp. 555-565, 2021. https://doi.org/10.1007/s00202-021-01310-9
8. Note tecniche sulla progettazione e l'affidabilità dei condensatori (indice incl. stagione degli archi elettrici, effetti corona e impatto del layout del circuito stampato sui guasti HiPot), Johanson Dielectrics, Inc., https://www.johansondielectrics.com/tech-notes/capacitors-all/ .
9. Utilizzo di condensatori ceramici 3 kV (Discussione sulla stabilità di C0G/NP0 vs X7R/Y5S), Forum Retrotechnique, https://forum.retrotechnique.org/t/utilisation-des-condensateurs-ceramiques-3kv/115858 .
10. Linee guida per la misurazione delle scariche parziali secondo la norma IEC 60270, P. Mraz, S. Abdul Madhar, P. Treyer e U. Hammer (Haefely AG), TU Delft Repository, https://repository.tudelft.nl/record/uuid:81049202-9bf5-4b75-87aa-2b16842fd956 .
11. Team di ingegneria applicativa HVC, Condensatore ceramico ad alta tensione Risorse tecniche, https://www.hv-caps.com