автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.02, диссертация на тему:Работоспособность металлопленочных конденсаторов в формированных электротепловых режимах

Емельянов Олег Анатольевич

РАБОТОСПОСОБНОСТЬ МЕТАЛЛОПЛЕНОЧНЫХ КОНДЕНСАТОРОВ В ФОРСИРОВАННЫХ ЭЛЕКТРОТЕПЛОВЫХ РЕЖИМАХ

Специальность 05.09.02 - Электротехнические материалы и изделия

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2004

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет»

Научные руководители: доктор физико-математических наук,

профессор ГКойков Сергей Николаевич]

доктор физико-математических наук, профессор Сажин Борис Иванович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук,

профессор Кучинский Георгий Станиславович

доктор физико-математических наук, профессор Слуцкер Александр Ильич

Ведущая организация:

ОАО «НИИ «Гириконд» (г. Санкт-Петербург)

г. в /д;

Защита состоится «<*'»£<"Vе'"720и4 г. в '/'часов на заседании диссертационного совета К 212.229.03 в ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет» по адресу: 195251, г. Санкт-Петербург, ул. Политехническая, 29, Главное здание, ауд. Щ

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке ГОУ ВПО «Санкт-Петербургского государственного политехнического университета».

Отзывы на автореферат в одном экземпляре, заверенный печатью, просим направлять по адресу: 195251, Санкт-Петербург, ул. Политехническая, 29. Санкт-Петербургский

государственный политехнический Диссертационный совет К 212.229.03

университет.

Электромеханический факультет.

Автореферат разослан

Ученый секретарь

диссертационного совета, к.т.н., доцент

Гумерова Н.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В технических условиях (ТУ) на серийно-выпускаемые конденсаторы указываются режимы нагрузок, соответствующие срокам службы (1Сл) на уровне 5-10 тыс.часов. Вместе с тем, определенные разновидности электронной и электротехнической аппаратуры в ряде случаев эксплуатируются в течение относительно коротких сроков службы. Металлопленочные электрические конденсаторы (МПК), входящие в состав указанной аппаратуры, используются в однократных или повторно-кратковременных режимах работы, длительность которых может исчисляться десятками-сотнями секунд. Исходя из практических соображений, за счет существенного сокращения То, можно резко увеличить (форсировать) нагрузку на конденсатор относительно режимов, предусмотренных ТУ. Основным механизмом выхода конденсаторов из строя в некоторых ФР может являться развитие тепловой неустойчивости (ТНУ), заканчивающейся тепловым пробоем (ТП). Поскольку этот существенно нестационарный процесс в конденсаторах протекает не мгновенно, а составляет величины порядка десятков секунд-часов, срок службы в этом случае может быть ограничен временем развития ТП: Оптимальный выбор конденсаторов для работы в форсированных режимах (ФР) с учетом малых

позволяет существенно повысить технико-экономические и снизить массо-габаритные характеристики конденсаторов и аппаратуры в целом.

В связи с невозможностью использования ТУ для прогнозирования работоспособности МПК в форсированных режимах в условиях развивающейся тепловой неустойчивости необходимо привлекать дополнительные оценки и методы расчета. В силу специфики рассматриваемых ФР в литературе практически отсутствуют системные данные экспериментальных исследований. Большинство расчетных методов электротеплового состояния конденсаторов используется при анализе стационарных режимов нагрузки. Нестационарные методы расчета, как правило, применимы в регулярных температурных режимах, при которых длительность воздействия нагрузки значительно превышает тепловую постоянную времени конденсаторов в то время, как в рассматриваемых Наиболее полное исследование теплового состояния

конденсаторов возможно на основе применения численных методов расчета с использованием ЭВМ. Однако в известных литературных источниках подобные исследования работоспособности МПК в ФР не проводились. Таким образом, для оценки работоспособности конденсатора необходимы методы теплового расчета, учитывающие существенную нестационарпость развития ТНУ в условия интенсивных электротепловых нагрузок. Сложность анализа электротеплового состояния конденсаторов в указанных режимах обусловлена, в первую очередь, трудностью решения базовой системы уравнений нестационарной теплопроводности. Как известно, развитие ТП связано с резкой зависимостью роста тепловыделении

потерь qv)

БИБЛИОТЕКА |

СПетербтог . _ , I

ОЭ ТОО '

от температуры. Кроме того, для ряда диэлектриков характерна немонотонность указанного тепловыделения, связанная с температурным максимумом диэлектрических потерь (полярные диэлектрики, сегнетокерамика). Таким образом, нестационарное уравнение теплопроводности содержит существенно нелинейный источник тепла. Общих методов решения подобных систем на сегодняшний день не существует, однако за последние 15 лет в нелинейной физике и синергетике были найдены некоторые частные классы решений нелинейных систем, отражающие определенные фундаментальные процессы природы. С этой, синергетической точки зрения, диэлектрик конденсатора представляет собой температурную активную среду (АС), где тепловые поля обусловлены диссипацией энергии электромагнитного поля. Для активных сред найдено множество универсальных процессов: существование диссипативных структур (ДС) стационарного и нестационарного характера, явления локализации тепла, бифуркаций, хаоса, фрактальности в самых широких областях исследования: от физики горения и взрыва до биологии. Общим во многих указанных случаях является идентичность нелинейных дифференциальных уравнений, описывающих различные эволюционные процессы. Важность дальнейшего изучения процессов ИГУ и ТП в диэлектриках подтверждается также рядом публикаций последних лет (работы Ю.Н. Вершинина, М Д. Носкова, В.Ф. Хирного, У. Мшато1о, Ь. БвваЛо и др.).

В связи со сказанным представляется актуальным дальнейшее экспериментальное и теоретическое изучение электротеплового состояния конденсаторов в нестационарных условиях воздействия интенсивных электротепловых нагрузок.

Цель работы: Разработка научно-технических основ определения работоспособности и оптимального выбора электрических конденсаторов для их использования в форсированных электротепловых режимах эксплуатации.

Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:

1. Дальнейшее развитие теоретических представлений о состоянии конденсаторных структур, находящихся в условиях интенсивного электротеплового разогрева.

2. Разработка испытательного стенда и соответствующих методик для экспериментального изучения работоспособности МПК в ФР.

3. Экспериментальное исследование работоспособности МПК в ФР и сравнение полученных результатов с данными расчетов.

4. Разработка на основе полученных экспериментальных и теоретических результатов инженерной методики определения работоспособности и оптимального выбора МПК в ФР.

Методы исследования Экспериментальные исследования работосцособности конденсаторов в ФР проводились на серийно-вьшускаемых конденсаторах марки К73 с полиэтилентерефталатным (ПЭТФ) диэлектриком. При проведении испытаний использовалась специально разработанная аппаратура и ряд методических подходов, направленных на оптимизацию эксперимента. Теоретические оценки электротеплового состояния конденсатора выполнены на основе аналитических решений

соотвегствующих модельных задач. Для проверки и оценки точности полученных аналитических решений проводились контрольные численные расчеты на ЭВМ. Результаты экспериментальных исследований подвергались статистической обработке и сравнивались с результатами расчетов.

Научная новизна

1. В результате ресурсных испытаний металлопленочных конденсаторов на основе ГОТФ диэлектрика получен комплекс экспериментальных данных, определяющий работоспособность конденсаторов в форсированных режимах эксплуатации, соответствующих срокам службы на уровне 50-350 секунд.

2. На основе точных решений ряда нелинейных модельных задач электротеплового состояния конденсаторного диэлектрика рассмотрен общий случай стационарной теории теплового пробоя диэлектрика с учетом релаксационных и джоулевых потерь.

3. Предложен новый метод осреднения нестационарной нелинейной задачи теплопроводности для оценки температурной динамики электротеплового состояния диэлектрика.

4. Впервые экспериментально обнаружен и теоретически обоснован автоволновой механизм переноса тепла в протяженных конденсаторных структурах на основе диэлектриков, обладающих температурным максимумом фактора диэлектрических потерь.

Практическая значимость

1. Результаты экспериментальных исследований могут быть использованы для прогнозирования работоспособности и оптимального выбора МПК с целью их применения в форсированных режимах эксплуатации (ФР).

2. Ряд результатов теоретических исследований имеет общий характер и применим к анализу динамики электротеплового состояния конденсаторов и изоляции на основе оксидных, керамических и других типов рабочего диэлектрика.

3. На основе проведенных исследований разработана инженерная методика расчета электротеплового состояния МПК и их оптимального выбора для эксплуатации в ФР.

4. Полученные результаты могут использоваться для оценки устойчивости работы конденсаторов, находящихся при обычных условиях эксплуатации, в случае возникновения кратковременных электротепловых перегрузок.

5. На основе обнаруженного автоволнового эффекта переноса тепла и явления ограниченной тепловой неустойчивости в диэлектриках возможно создание специальных приборов и устройств, использующих эффекты теплового переключения.

Реализация результатов работы. Диссертационная работа является частью работ по научно-техническим договорам с предприятиями отечественной промышленности, экспериментальные установки использовались при проведении учебных лабораторий на кафедре ЭИКК СПбГПУ. Ряд результатов внедрен на 3 отечественных предприятиях: ОАО "НИИ Гириконд" и ФГУП " ЦНИИ Гидроприбор" (г. Санкт-Петербург); АОЗТ "Амфи-Лаконд" (г. Новая Ладога), о чем прилагаются соответствующие акты о внедрении.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Работоспособность и срок службы конденсаторов в исследованных форсированных режимах эксплуатации обусловлены процессом развития теплового пробоя.

2. Время развития теплового пробоя в ПЭТФ конденсаторах в основном определяется характером температурной зависимости фактора релаксационных потерь в рабочем диэлектрике.

3. Предложенные аналитические оценки и инженерная методика расчета динамики электротеплового состояния конденсаторов позволяют осуществить их оптимальный выбор с целью использования в форсированных режимах эксплуатации.

4. Дальнейшая разработка положений теории теплового пробоя в диэлектриках позволяет количественно оценить электротепловые эффекты ограниченной тепловой неустойчивости и динамику развития теплового пробоя в электрических конденсаторах.

5. В конденсаторных структурах с диэлектриком, обладающим немонотонной температурной зависимостью фактора потерь, возможно существование автоволнового процесса переноса тепла.

Достоверность полученных результатов подтверждается хорошим соответствием данных эксперимента, численных и аналитических расчетов, большим количеством исшаганных конденсаторов и корректной статистической обработкой опытных данных, а также сравнением результатов исследований с результатами, полученными другими авторами как в России, так и за рубежом.

Личный вклад автора определяется участием в постановке задачи исследований, самостоятельной разработке и создании экспериментальных установок, проведении экспериментальных и теоретических исследований; их обработке и анализе полученных результатов. Основные результаты работы получены автором лично. В процессе работы автор пользовался научными консультациями к.т.н. Бондаренко П.Н. и к.ф.-м.н. Лопуляка С.Г.

Апробация работы

Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: Всесоюзных научных конференциях «Физика диэлектриков» (г. Баку,1982 г., г. Томск,1988 г.); V Всесоюзном научно-техническом совещании "Повышение качества и улучшение технико-экономических показателей силовых конденсаторов" (г. Серпухов, 1983 г.), Ш Всесоюзной научно-технической конференции "Совершенствование экспериментальных методов исследования физических процессов" (г. Ленинград, 1989г.), IV Международной конференции ICEMC-2001 (г. Москва, 2001 г.), Ш Международной конференции «Электрическая изоляция - 2002» (г. Санкт-Петербург, 2002 г.), Международной конференции 2003 ШЕЕ Conference on Electrical bisulationand and Dielectric Phenomena (USA, New Mexico, 2003).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 отчетов по ИИОКР и 15 печатных работ.

Структура и объем диссертационной работы Работа состоит из списка основных сокращений и обозначений, введения, пяти глав, заключения, списка литературы (175 наименований) и четырех приложений. Диссертация изложена на 224 страницах машинописного текста, содержит 72 рисунка и 14 таблиц.

-5-

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы, определена цель диссертационной работы, приведены основные научные и практические результаты исследований.

В первой главе определяется область форсированных режимов (ФР) эксплуатации конденсаторов. На рис.1 приведена ориентировочная зависимость предельно допустимого значения рабочего напряжения ипрА МПК от частоты в соответствии с ТУ. Область ФР (заштрихована)

и,

прд

находится выше указанной зависимости и ограничена сверху электрической прочностью диэлектрика и частотным диапазоном, определяемым слева работоспособностью в условиях электрического старения (Г), а справа — максимальным значением тока через электроды и контактные узлы конденсатора (Ш). Далее проведен литературный обзор основных методов расчета теплового состояния конденсатора и анализ современных представлений о развитии тепловой неустойчивости в активных средах. В заключении главы поставлены задачи дальнейшего исследования.

Во второй главе изложены методические подходы, применявшиеся при экспериментальном изучении работоспособности конденсаторов в ФР, обработке опытных данных и проведении численных расчетов. В качестве объектов испытаний использовались серийно выпускаемые конденсаторы марки К73 цилиндрической формы на основе ПЭТФ диэлектрика. Испытания конденсаторов проводились в специальных камерах, обеспечивавших режимы свободного и вынужденного теплоохлаждения. Был создан испытательный стенд в состав которого вошла специально разработанная аппаратура многоканатьной регистрации температуры, автоматического подъема, стабилизации и отключения испытательного напряжения. Реализован ряд методических подходов, направленных на сокращение времени эксперимента, снижение погрешностей измерения динамики температуры и автоматизацию измерений. Максимальная мощность водоохлаждаемого генератора стенда составлляла ~ 3,9 кВт в диапазоне испытательных напряжений В и частот В ходе экспериментального изучения развития

тепловой неустойчивости и теплового пробоя в конденсаторах осуществлялась непрерывная регистрация времени испытаний, электрофизических и тепловых параметров нагрузки: напряжения, тока, частоты, температуры корпуса, в ряде экспериментов - температуры центра испытуемых конденсаторов. Измерение динамики температуры корпуса и центра исследованных конденсаторов проводилось с помощью температурных датчиков специальной конструкции. В качестве температурных датчиков использовались термопары, изготовленные методом напыления Си-№ слоев на полиимидиую подложку. Площадь зоны контакта термопары составляла величину

порядка ~ 0,15 мм2 и толщиной ~ 0.04 мкм. Такая конструкция термопары имеет весьма малую инерционность (менее 100 мкс), а погрешность измерения не превышает 0,2%, так что при максимальных уровнях температуры абсолютная погрешность измерения составляла ± 0,4 °С. Для измерения температуры центра испытуемого конденсатора в нем просверливалось отверстие в радиальном направлении диаметром 0,5 мм. Глубина отверстия равнялась радиусу конденсатора. Во избежании замыкания металлизированных обкладок конденсатора проводилась его тренировка путем разряда на испытуемый конденсатор второго конденсатора, заряженного до ин, при этом изменение емкости С и тангенса угла потерь tg5 практически не наблюдалось. Помещаемая в центр конденсатора термопара с помощью аппликатора была изолирована от слоев диэлектрика слоем кремнийорганического лака, запеченного при 250 °С. Температурные зависимости напряжения электрического пробоя конденсаторов и на частоте 1000Гц изучались с помощью аппаратуры испытательного стенда, а С и tg5 — с помощью стандартных методик. На моделях конденсаторной изоляции изучалась зависимость среднего воздушного зазора от давлений, характерных для конструкции реального конденсатора, что позволило в дальнейшем уточнить влияние воздушных прослоек на теплофизические параметры конденсаторной секции. Для определения величины напряжения теплового пробоя итпр использовалась методика и аппаратура квазистационарного режима теплового состояния конденсатора, обеспечивавшая линейный временной рост температуры поверхности объекта испытания вплоть до наступления теплового пробоя. В главе приведены численные схемы решений уравнения теплопроводности в плоском и цилиндрическом случаях, применявшихся для проверки и оценки точности полученных аналитических результатов. При анализе экспериментальных данных сроков службы конденсаторов применялись стандартные методы обработки с использованием известных статистических критериев.

Третья глава посвящена развитию теоретических представлений о состоянии конденсаторного диэлектрика в условиях интенсивных электротепловых нагрузок. Математическая постановка задачи электротеплового состояния конденсатора включала в себя следующую связанную систему уравнений :

<Н\В = р ;

¡Ну Л &ъс1Т+ду

¿МПр =

; Ё = -&гайТ} ; )п = ГЕ

дБ

(1род) (гТп-г.) (III род) Г

а = / (Ш); № = Ыи^г, Рг.Же); ¿ = ¿(о>, Т),

определяюшаюся уравнениями электродинамики; уравнением теплопроводности с соответствующими граничными условиями I ( Ш ) рода на поверхности конденсатора П,щер,СрИ Х-плотность, теплоемкость и коэффициент теплопроводности активного объема конденсатора ; критериальной зависимостью коэффициента теплоотдачи а и частотно-температурной зависимостью комплексного значения диэлектрической проницаемости Комплексные величины общепринятых обозначений полевых характеристик отмечены сверху точкой. В первом разделе главы проведен анализ теплового состояния плоского конденсатора с диэлектриком, характеризующимся дебаевской релаксацией. Рассмотрены случаи больших градиентов температур, которые могут быть обусловлены как внешним источником тепла, так и собственным разогревом диэлектрика вследствие релаксационных потерь. В обоих случаях зависимости £" " / (¿) для такого конденсатора отличаются от известных полуокружностей диаграммы Коул-Коула. Отмеченные обстоятельства в случае электротеплового разогрева, обусловленного диэлектрическими потерями, приведены на рис.2, где значение перегрева центр - поверхность соответственно: 1—0К,2 — 100КиЗ — 150К.При этом диэлектрик характеризуется одним релаксационным процессом модели Дебая. Полученные различия могут быть формально истолкованы появлением спектра времен релаксации, хотя они проявляются исключительно благодаря внутренней температурной неоднородности распределения поля и основных алектрофизических характеристик среды Далее, па

основе соотношения Кирквуда, удовлетворительно описывающего зависимость для широкого класса полярных диэлектриков (например, полимеры ПЭТФ, ПВА и др.), получены точные решения нелинейной модельной задачи тепловой устойчивости диэлектрика толщиной в однородном переменном электрическом поле. С учетом безразмерных параметров задачи:

где со- частота приложенного п§л|я р- параметр распределения времен релаксации, IV- энергия активации, и Тс — температуры окружающей среды и максимума фактора потерь £", к - постоянная Больцмана, X — коэффициент теплопроводностидиэлектрика, точное аналитическое решение для максимальной температуры

является многозначной функцией параметров нагрузки и безразмерной температуры поверхности (рис. 3) Восходящие ветви сечения отвечают устойчивым температурным состояниям системы, а нисходящая — неустойчивому. При плавном увеличении нагрузки Р, например, за счет увеличения рабочего напряжения Ц^ЕОИ, система из состояния (2) скачком переходит в состояние (3), при уменьшении нагрузки осуществляется обратный переход из соск|яниг(1Х что определяетсяявлением ограниченнойтепловой неустойчивости(ОТНУ).

0,00 —£—----—з-

3,44 3,46 3,48 3,50 3,52 3,54 3,56

Рис.2. Диаграмма Коул-Коула

р

При значении параметра многозначность исчезает. В пространстве указанных параметров температура в центре диэлектрика характеризуется многозначной поверхностью имеющей топологическую особенность типа «сборка», что является определенной «универсальностью», характеризующей некоторые нелинейные процессы. Учитывая решения для температурного поля в условиях релаксационных потерь и используя известные решения в области

|1

25 уг

Рис.3. Поверхность стационарных состояний

высоких температур для джоулевых потерь (Фок ВА., Койков С.Н., Харитонов Е.В. и др.) расмотрен общий случай теплового состояния конденсатора. На рис. 4 представлена зависимость значения максимальной температуры центра от параметра нагрузки где

Здесь же показаны области, соответствующие тепловому состоянию, обусловленному в основном либо релаксационными потерями (I), либо потерями на проводимость (П). Спадающие ветви отвечают неустойчивому состоянию, при этом верхняя ветвь характеризует развитие

неограниченной тепловой неустойчивости теплового пробоя а нижняя

отражает явление ограниченной тепловой неустойчивости (ОТНУ), (ветвь Ь-а). В зависимости от соотношения температурных диапазонов I и П зависимость может иметь в верхней части вид, показанный штриховой кривой. Этот случай соответствует сдвигу максимума в сторону более высоких

температур. Возможные стационарные состояния отмечены цифрами 1-4 при одной и той

£00

550

500

400

350

300

V4 1 '

1 / I

1 ч,____с

* — 2

ь Ч^ ! 3

4ч I

¡¡сад

80

120

160

200

240

Рис.4. Зависимость температуры цептра о г параметра нагрузки

же величине нагрузки Максимальное число стационарных состояний в системе равно 4, при

этом все они могут быть устойчивыми в случае ограничения подводимой мощности за счет внешней цепи. Для конденсаторных структур, в которых толщина диэлектрика значительно меньше длины и ширины, применимо одномерное безразмерное уравнение теплопроводности:

З2» „

где qv = Р • 8* )и g,J=Bj¡'9— плотности тепловыделения и теплоотвода, у =¡ X / h — безразмерная координата; Э = (Т — То)" температура перегрева; Bi = dh / А. - критерий Био;

р = ^—--параметр нагрузки; х :

tQ = масштаб времени. Уравнение (1)

ТО ' ^

допускает 4 пространственно - однородных решения в случае (¡¡ = (Цу,2 из которых и йз являются устойчивыми. Сосуществование этих решений возможно в виде движущегося фронта - автоволны температуры (АВТ) с амплитудой (Эз - Эл) и постоянной скоростью V, являющейся собственным значением нелинейной задачи. Экспериментальное изучение этого явления проводилось на пленке поливинилацетата (ПВА). Исследуемая пленка получалась методом отлива из раствора ПВА в ацетоне на подложку, представлявшую собой алюминиевую фольгу толщиной 3 мкм. Толщина пленки составляла 25 мкм, длина - 45 мм, ширина - 8 мм. Верхняя поверхность пленки металлизировалась алюминием, обеспечивая второй электрод протяженного плоского конденсатора Над левым краем образца на высоте ~1 мм размещалась тонкая нихромовая нить, которая разогревалась импульсом тока от генератора Г5-54. Разогрев нити обеспечивал начальный прогрев края пленки до что создавало своеобразную тепловую

флуктуацию в образце. Измерение начального скачка температуры осуществлялось 1-й термопарой, остальные 7 термопар размещались по центру вдоль пленки с шагом 1 мм. В момент начального импульса "поджига" запускалась схема многоканального считывания температуры и результаты температурного

распределения фиксировались с

т,к

J4S

343 338 333 328 323 318 313 308 303 298

г М ¡-IJ- L М : i 1 . 1 1 ; ¡ —— I- t - J 1 ! 1 ^ A ! 1 !

\ ' ^N. г-ч

\ i гкг _ilL 1

1\ ! М ! ! \

V\ \ \ 1-0 S-.4 ь- i ■ " П ' ■ v! : i v i ^ ' _ ir- 4 \ 4.

1 ! ¡ j ! i ¡

i i i i ¡ M ! 1 1 !

выбранным шагом по времени. На рис. 5 представлены экспериментальные данные распространения разогрева вдоль пленки. Точки соответствуют выбранным местам расположения термопар. Интерполяция данных (штриховые кривые) наглядно свидетельствует о распространении автоволнового фронта

05 I 13 2 2 5 3 3 5 4 45 5 55 6 65 7 75 8 х, ММ температуры со скоростью Val ММ/с.

Рис.5. Автоволна температуры в пленке ПВА Точки у^йч^ых гацтотартк

тепловых состояний соответственно равны Ti« 308 К И Гз« 338 К. При величине испытательного напряжения U = 140 В, частоте f = ЮОкГц и указанных температурах величина qv~ q,— 10 МВт/М3. Рассчитанные значения V— 0,74 мм/с, длина фронта Д = 4мми экспериментальные з н а ч^^н ^fcai/н Шй я т с я по порядку величины в хорошем соответствии друг с другом. Экспериментальные данные подтверждают существование автоволнового процесса переноса тепла в пленке ПВА в условиях электротеплового разогрева

Полученные аналитические решения зависимости температуры в центре конденсатора 9т от безразмерных параметров нагрузки Р и температуры поверхности строго обосновывают возможность существования нескольких стационарных тепловых состояний слева и справа от максимума в^Ф). Оценку динамики перехода между этими состояниями и развитие теплового пробоя можно провести на основе временного поведения температуры наиболее нагретой точки Ощ^), обычно - в центре конденсатора. Зная зависимость ®т0) и задаваясь предельно возможной температурой диэлектрика 9)ф (температура теплового пробоя), можно определить в процессе развития тепловой неустойчивости, возникающей не только при увеличении нагрузки, но и вследствие кратковременных локальных процессов тепловыделения в объеме конденсатора (тепловых дефектов конструкции, явлений самовосстановления и т. п.), которые можно охарактеризовать неоднородным пространственным распределением температуры в начальный момент времени 9о(х). Для оценки динамики температурного состояния предложен метод осреднения уравнения теплопроводности, связывающий значения средней температуры [/ и максимальной 11т через параметрическую зависимость найденную из решения соответствующей стационарной

задачи. Безразмерной модельной задаче в области активного объема конденсатора:

. „ /•„ о • „ 59

дх

= 0

±1

ставится в соответствие линейная задача Штурма-Лиувилля для 1-ой собственной функции Уд и

и вводится операция осреднения :

Тогда для средней температуры имеем следующее нелинейное дифференциальное уравнение1-го порядка: = р. д [и) — ЯдЁ?' Оценка источника тепла для максимальной температуры производится с

учетом р (ит ) • д (ит ) = >, где параметр Р(Цц) и время развития тепловой неустойчивости Т I

Срок службы (время теплового пробоя) определяется как'Гспя'т(1/||1—Эф), а температурная динамика центра-из анализа функции, обратной к Т(!Ут ). В главе 3 приводятся удовлетворительные результаты сопоставления данных расчета по предлагаемому методу с результатами численных расчетов и точных аналитических решений для экспоненциалыюй и линейной зависимостей тепловыделения от температуры.

Чегвертая глава содержит основные результаты экстериментальных исследований работоспособности конденсаторов в ФР. Отсутствие детальных справочных данных по температурным зависимостям и

конкретпых типов конденсаторов в заданном температурном диапазоне обусловили проведение соответствующих экспериментальных исследований. На основе этих результатов рассчитывалось эффективное значение фактора потерь:

где Сто - емкость конденсатора при 20° С. На рис.6 штриховкой приведены зоны разброса и сплошной линией - среднее значение полученных экспериментальных зависимостей для различ-

ных типономиналов конденсаторов К73-11 в диапазоне 20^190 0С. При дальнейшем нагреве наблюдалось тепловое разрушение конденсаторов, начинавшееся, как правило, с отслаивания изатяционных крышек выводов и контактных узлов и заканчивающееся плавлением корпуса

Зависимость пробивного напряжения от температуры изучалась в диапазоне 20^-190 "С при частоте 50 Гц и 1000 Гц. Экспериментально установлено, что электрическая прочность ПЭТФ диэлектрика конденсаторов К73 существенно снижается в области температур, превышающих Таким образом, за температуру

начала теплового разрушения (с некоторым

в.К I6j

150 J3S 120

105 90 75 60 45 30 15 0

//

, У / *

/ / / Г

1 // //

Ii и /

Ш

2

щ ,

30 60 90 ' 120 150 110 210 240 270 300 с

Рис.7. Динамика перегрева центра

ратуры перегрева центра или корпуса конденсатора относительно окружающей среды вплоть до наступления

запасом) следует принять 7^p'--185 °С. Разброс эксперименгальньк значений в указанных случаях подчиняется вейбулловскому закону распределения (коэффициент вариации 18 % в диапазоне 20 + 175 °С и 25 % в области более х температур). При экспериментальном изучении работы конденсаторов диапазон нагрузок составлял по действующему значению напряжения Ди=120г930В, по частоте Af= 0,2+5 кГц. Сроки службы составляли 50*350 С. В ходе эксперимента регистрировалась динамика роста темпе-

теплового пробоя, который и определял величину срока службы На рис 7 приведены типичные опытные данные (точки) для конденсаторов К73-11-0.47-400В: 1 - U = 700 В, 2 - U = 550 В , частота f = 1000 Гц. Значительная доля времени роста температуры обусловлена диапазоном релаксационных потерь (ДЭ=0т140°С)

и составляет 85-90% от общего времени пробоя. Анализ экспериментальных данных свидетельствует о корреляционной зависимости времени теплового пробоя от произведения 2 в области частот АС— 0,4— 2 кГц; распределение сроков службы конденсаторов соответствует лагарифмически-нормальному закону. Ряд экспериментов показат, что для случая 3 кГц наблюдается как развитие теплового пробоя, так и параметрический отказ конденсаторов, вследствие разрушения контактных узлов (потеря емкости). Причем в ~ 30 % случаев теплового пробоя наблюдается зона его развития в непосредственной близости от области контактного узла конденсатора. В области частот К 0,2 кГц форсирование нагрузок ограничено величиной кратковременной электрической прочности. Испытания проводились в условиях свободно-конвективного и вынужденного теплообмена.. Максимальное увеличение срока службы конденсаторов в условиях вынужденного воздушного и масляного охлаждения при значительном увеличении коэффициента теплоотдачи (с 20-30 до 120-130 ВТ/М2К) составило ~ 17 %, отмечено возрастание коэффициента вариации с 18% до 26 %. Получены экспериментальные данные для различных типономиналов, уровней испытательного напряжения и частот с целью практического выбора конденсаторов для использования в ФР. На основе экспериментально изученных зависимостей срока службы конденсаторов от величины воздействующего напряжения были рассчитаны функциональные зависимости величины удельной реактивной мощности от срока службы для каждого типономинала (для области одноминутных сроков службы данные приведены на рис.8.):

где -функция, обратная к регрессионной зависимости х(Ц) экспериментальных данных. Кривые 0у( 1) характеризуются монотонным спадом для различных типоно-миналов. Вместе с тем, скорость спада этих кривых для различных типономиналов имеет разные значения, что С . мкФ обуславливает экстремальность зависимости О^С). Для оптимального выбора конденсатора по максимальному значению удельной реактивной мощности предложен следующий критерий :

где К, - коэффициент использования активного объема, р И Ср - среднеобъемные плотность и теплоемкость конденсатора, Тт-' тепловая постоянная. Для тшгономинала С = 1 мкФ величина К^ имеет максимальное значение, что согласуется с приведенными выше данными.

В пятой главе дано сопоставление экспериментальных и расчетных данных, обоснована инженерная методика расчета температуры центра и срока службы конденсатора, итПр, критерия выбора Кц и приведена соответствующая программа примера расчета. Результаты расчета температурной динамики по формуле (2) (см. сплошные кривые на рис.7) свидетельствуют о применимости предложенного метода для оценки работоспособности конденсаторов в условиях больших электротепловых нагрузок. Вместе с тем, как показывает анализ, возможна более простая оценка для времени развития тепловой неустойчивости:

где - масштаб времени, связанный с геометрическими и теплофизическими параметрами конденсатора, Р = £ ( и,£СД, Е"пих-..) - известный параметр нагрузки. Однако, простое применение (3) для расчета приводит к весьма грубым результатам (см. штриховые линии на рис.7), поскольку при этом не учитывается пространственное распределение температуры по объему конденсатора Интегральный учет этого обстоятельства возможен на основе введения коэффициента расщепления к уравнения теплопроводности и учете соотношения между осредненной и и максимальной Зщ температурами. Тогда, при подходящей аппроксимации Е"эфф(Т)1 появляется возможность аналитического расчета тепловой динамики, что и используется в разработанной инженерной методике расчета. Методика учитывает также влияние воздушного зазора в объеме конденсатора на теплофизические параметры конденсаторной секции, условия охлаждения и расчет собственных чисел В работе получены сравнительно простые аналитические соотношения, позволяющие производить расчет динамики температуры центра и срока службы конденсаторов в зависимости от параметра нагрузки р, температур окружающей среды и критической температуры в диэлектрике 7]^. Существенным обстоятельством является также возможность пересчета от одного конденсатора к другому с новыми значениями нагрузки, емкости и условиями охлаждения при сохранении вида зависимости В этом случае меняются

параметры к—> Хо—> Я.1, То—> X] И Р —> р1 и срок службы в новых условиях:

(3)

- приведенный параметр нагрузки нового режима.

Основные выводы и результаты работы:

1. На основе точных решений ряда нелинейных модельных задач развиты теоретические представления о состоянии конденсаторных структур, находящихся в условиях интенсивного электротеплового разогрева. Для диэлектриков, обладающих температурным максимумом диэлектрических потерь, зависимость температуры центра от параметра нагрузки и температуры поверхности диэлектрика образует топологическую особенность типа "сборка", которая характерна для широкого класса нелинейных динамических систем.

2. Рассмотрен общий случай стационарной теории теплового пробоя диэлектрика с учетом релаксационных и джоулевых потерь. Показанная множественность стационарных тепловых состояний обосновывает существование ряда нелинейных температурных эффектов, в том числе — явление ограниченной тепловой неустойчивости (ОТНУ).

3. Предложен метод осреднения нелинейного уравнения теплопроводности, позволяющий упростить анализ тепловой динамики максимальной температуры и времени развития теплового пробоя конденсаторов. Применимость метода обоснована удовлетворительным согласием полученных по нему решений с известными аналитическими решениями, результатами контрольных численных расчетов на ЭВМ, а также с результатами экспериментальных исследований.

4. Ряд результатов теоретических исследований имеет общий характер и применим к исследованию динамики электротеплового состояния конденсаторов на основе оксидных, керамических, пленочных типов рабочего диэлектрика.

5. С помощью разработанного ипытательного стенда и соответствующих методик получен комплекс экспериментальных данных по работоспособности металлопленочных конденсаторов в форсированных режимах эксплуатации. Экспериментально изучена работоспособность конденсаторов К73 с ПЭТФ диэлектриком в диапазоне емкостей АС- 0,47-6,8 мкФ, рабочих частот №= 0,2-=-5 кГц и сроков службы Дт ~ 50-г350 С. Диапазон действующего значения синусоидального напряжения составлял верхняя граница которого определяла максимальные величины напряженности электрического поля в диэлектрике на уровне

6. Экспериментально установлено, что электрическая прочность ПЭТФ диэлектрика • конденсаторов К73 существенно снижается в области температур, превышающих 185-190 °С, что позволяет принять, с некоторым запасом, в качестве критической температуры для них Ткр=185 °С. В условиях развития теплового пробоя, определяющего срок службы конденсаторов, значительная доля времени роста температуры до Ткр обусловлена температурным диапазоном релаксационных потерь и составляет 85-90 % от общего времени пробоя.

7. Оптимальный выбор конденсаторов по величине максимального значения удельной реактивной мощности можно проводить на основе предложенного критерия который в существенно нестационарных условиях ФР отличается от соответствующего стационарного критерия. Кроме отношения площади поверхности к объему конденсатора V, необходимо учитывать значение тепловых постоянных сравниваемых конденсаторов, их среднеобъемные плотность, теплоемкость и коэффициент использования активного объема. В области одноминутных сроков службы испытуемых конденсаторов значения достигнутой удельной реактивной мощности О, составили величину 500-650 кВАр/дм3, при этом максимальное значение £2ч — 650 кВАр/дм3 наблюдалось для типономинала С = 1,0мкФ. Коэффициент увеличения нагрузки по реактивной мощности в этих случаях может превышать обычные эксплуатационные значения ТУ АДПК.673633.013 в 300-500 раз и зависит от типономинала конденсатора.

8. Незначительное увеличение срока службы в условиях вынужденного воздушного и масляного охлаждений, увеличивающийся разброс экспериментальных данных делают неэффективным применение методов вынужденного охлаждения для улучшения работоспособности конденсаторов при значениях срока службы

В области увеличенных сроков службы, исчисляемых десятками минут, проявляется влияние тепловой дефектности конденсаторов, в том числе— тепловая неоднородность конденсаторной секции и развитие процессов самовосстановления. Локальное развитие тепловой неустойчивости в ряде случаев носит ограниченный характер (ОТНУ).

9. На основе проведенных исследований разработана инженерная методика расчета динамики электротеплового состояния и оптимального выбора конденсаторов для их эксплуатации в форсированных режимах. Различие между расчетными данными и среднестатистическими опытными значениями не превышают 15 %. Получены сравнительно простые формулы расчета, которые позволяют выполнять пересчет от одного режима нагрузки к другому для конденсаторов на основе одного типа диэлектрика,

10. Впервые экспериментально обнаружен и теоретически обоснован автоволновой процесс переноса тепла (АВП) при распространении фронта электротеплового разогрева в конденсаторной структуре с ПВА диэлектриком. На основе обнаруженного эффекта, обусловленного пространственным развитием ОТНУ, возможно создание специальных датчиков температуры, генераторов тепловых колебаний, структур тепловой памяти, использующих диэлектрик, обладающий температурным максимумом потерь, характерным не только для ряда полярных полимеров, но и для некоторых видов керамики, например, сегнетоэлектрического типа.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Бондаренко П.Н., Емельянов О А. Электрическая прочность газообразных и жидких диэлектриков в тонких слоях //Докл. Всесоюз. науч. конф. «Физикадиэлектриков».- Баку, 1982. -Т.1. - С. 106-107.

2. Боцдаренко П.Н., Емельянов ОА, Метельков АЛ Определение допустимых электрических нагрузок конденсаторов по тепловой устойчивости //В кн. «Повышение качества и улучшение технико - экономических показателей силовых конденсаторов» V Всеан.-т. совещание. - М.:Информэлектро,1983.- С 67-69.

3. Бондаренко П.Н., Емельянов ОА, Койков С.Н. Оценка активных и реактивных составляющих мощности в конденсаторах // В кн. «Совершенствование электрооборудования и средств автоматизации технологических процессов». - К-на-Амуре.: Изд-во КНАПИ, 1986.-С. 79-81.

4. Емельянов ОА. Нелинейные электрические эффекты и тепловая неустойчивость в диэлектриках //Докл. Всесоюз. науч. конф. «Физика диэлектриков».- Томск, 1988 .-Т. 4. - С. 42.

5. Бондаренко ГШ., Емельянов ОА., Метельков АЛ Определение воздушных зазоров в намотанных поли-мерныхковденсагорах //«Электронная техника». - Сер. 5: Радиодетали и компоненты. -1989.- ВЗ.- С 4549.

6. Бондаренко П.Н., Емельянов ОА, Койков С.Н. Распространение волнового фронта электротеплового разогрева в диэлектриках // Письма в ЖТФ.-1989.-Т.15. -Вып.16.-С. 45-48.

7. Емельянов ОА. Исследование тепловой устойчивости полимеров под воздействием электрического поля // Докл. 3 Всесоюз. н.-т. конференции «Совершенствование экспериментальных методов исследования физических процессов». -Л: «Судостроение»,1989.- С. 78-81.

8. Емельянов О А. Электротепловая неустойчивость полярного полимерного диэлектрика за областью температуры стеклования // Письма в ЖТФ.- 2001.-Т. 27. -Вып. 16. - С. 32-39.

9. Емельянов ОА. Особенности электротепловой кинетики в электрических конденсаторах с полярным диэлектриком //Докл. IV Междун. конф. ICEMC-2001- Москва, 2001.- С. 30-31.

10. Емельянов О А Особенности релаксационной поляризации полярного диэлектрика в области больших электротепловых нагрузок //Письма в ЖТФ.-2001.-Т.28. -Вып.22. - С. 32-38.

11. Емельянов О А Динамика электротепловой неустойчивости полярного диэлектрика в области температурного максимумарелаксационных потерь // Письма в ЖТФ.-2001 .-Т. 28. -Вып.9. - С. 76-81.

12. Емельянов О А Особенности работоспособности металлоплепочных конденсаторов в форсированных режимах//Элекгротехника-2002.-№4.-С 6-10.

13. Емельянов О А Появление спектра времен релаксации диэлектрика в области больших градиентов температур//Тр.Ш.Междун.конф. <Электрическая изоляция-2002>(1СЕ12002).-СПб.,2002.- С185-186.

14. Емельянов О А Оценка динамики температуры в конденсаторах при больших электротепловых нагрузках //ТрЛП Междун. конф. «Электрическая изоляция-2002» (ICEI 2002). - СПб., 2002. - С187-189.

15. О.АЕше1уапоу. ThemalAutowave in fhin polar dielectric film: analytic estimate for steeps and velocity //2003 IEEE conference onelectricalinsuMon and dielectric phenomena(CEIDP). -USA, NewMexico, Rep.sect 5C-12.- P24-25.

Лицензия ЛР №020593 от 07.08.97.

Подписано в п е 13-0в?. Э б ъ е м в п.л.

Тираж /00 Заказ У

Отпечатано с готового оригинал-макета, предоставленного автором, в типографии Издательства СПбГПУ 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29.

Отпечатано на ризографе КК-2000 ЕР Поставщик оборудования - фирма "Р-ПРИНТ" Телефон: (812) 110-65-09 Факс: (812) 315-23-04

Р- 33 32

Список условных обозначений и сокращений.

Введение.

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.И

1.1. Область форсированных электротепловых режимов нагрузки конденсаторов.

1.2. Особенности конструкций и характеристик низковольтных металлопленочных конденсаторов.

1.3. Методы расчета теплового состояния конденсаторов.

1.3.1. Общие представления о тепловых расчетах в конденсаторах.

1.3.2. Приближенные методы теплового расчета.

1.3.3. Аналитические методы расчета.

1.4. Современные представления о развитии тепловой неустойчивости в электрических конденсаторах с позиции синергетики.

1.5. Выводы и постановка задачи исследования.

2. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ.

2.1. Объекты исследования.

2.2. Испытательные камеры.

2.3. Методика определения воздушных зазоров внутри цилиндрического конденсатора.

2.4. Методика регистрации температуры.

2.5. Методика регистрации их.пр в квазистационарных условиях.

2.6. Методика измерения температурных и частотных зависимостей электрической прочности ,С и испытуемых конденсаторов.

2.7. Испытательный стенд для исследования работоспособности конденсаторов в форсированных режимах.

2.8. Методика проведения вычислительного эксперимента.

2.9. Статистическая обработка экспериментальных данных.

Выводы.

3. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СОСТОЯНИЯ КОНДЕНСАТОРА ПРИ БОЛЬШИХ ЭЛЕКТРОТЕПЛОВЫХ НАГРУЗКАХ.

3.1. Математическая постановка задачи.

3.2. Конденсатор с релаксационными потерями в условиях неоднородного электрического поля.

3.3. Конденсатор с релаксационными потерями в условиях однородного электрического поля.

3.4. Общий случай теплового состояния конденсатора с учетом релаксационных и джоулевых потерь.

3.5. Метод осреднения уравнения теплопроводности для оценки максимальной температуры конденсатора.

3.6. Динамика электротепловой неустойчивости полярного диэлектрика в области температурного максимума релаксационных потерь (ОТНУ).

3.7. Динамика развития тепловой неустойчивости в протяженных конденсаторных структурах.

Выводы.

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТИ КОНДЕНСАТОРОВ В ОБЛАСТИ БОЛЬШИХ ЭЛЕКТРОТЕПЛОВЫХ НАГРУЗОК.

4.1. Температурная зависимость эффективного фактора потерь.

4.2. Исследование зависимости пробивного напряжения от температуры.

4.3. Экспериментальные данные развития тепловой динамики.

4.4. Достигнутые значения удельной реактивной мощности.

4.5. Влияние режимов охлаждения на срок службы.

4.6. Особенности выхода из строя конденсаторов при увеличении длительности ФР.

4.7. Распространение автоволнового фронта электротеплового разогрева в пленке ПВА.

Выводы.

5. ИНЖЕНЕРНАЯ МЕТОДИКА РАСЧЕТА МАКСИМАЛЬНОЙ

ТЕМПЕРАТУРЫ И СРОКА СЛУЖБЫ КОНДЕНСАТОРОВ В ФР.

5.1. Исходные данные для расчета.

5.2. Расчет эквивалентного воздушного зазора и теплофизических параметров конденсаторной секции.

5.3. Определение эффективного коэффициента теплоотдачи с поверхности конденсатора.

5.4. Безразмерное модельное уравнение теплопроводности для изотропной области.

5.5. Расчет температурной динамики.

5.6. Основные этапы и пример инженерного расчета температурной динамики и срока службы конденсатора.

Выводы.

В технических условиях (ТУ) на серийно-выпускаемые конденсаторы указываются режимы нагрузок, соответствующие срокам службы (тсл) на уровне 5—10 тыс. часов.Вместе с тем, определенные разновидности электронной и электротехнической аппаратуры в ряде случаев эксплуатируются в течение относительно коротких сроков службы. Металлопленочные электрические конденсаторы (МПК), входящие в состав указанной аппаратуры, используются в однократных или повторно-кратковременных режимах работы, длительность которых может исчисляться десятками—сотнями секунд. Исходя из практических соображений, можно резко увеличить (форсировать) нагрузку на конденсатор относительно режимов, предусмотренных ТУ, за счет существенного сокращения тсл. Оптимальный выбор конденсаторов для работы в форсированных режимах (ФР) с учетом малых тсл позволяет существенно повысить технико-экономические и снизить массо-габаритные характеристики конденсаторов и аппаратуры в целом. Основным механизмом нарушения работоспособности конденсаторов в некоторых ФР является развитие тепловой неустойчивости (ТНУ), заканчивающейся тепловым пробоем (ТП). Поскольку этот существенно нестационарный процесс в конденсаторах протекает не мгновенно, а составляет величины порядка десятков секунд—часов, срок службы в этом случае может быть ограничен временем развития ТП : тсл < ттп.

В связи с невозможностью использования ТУ для прогнозирования работоспособности МПК в форсированных режимах в условиях развивающейся тепловой неустойчивости необходимо привлекать дополнительные оценки и методы расчета.

В силу специфики рассматриваемых ФР в литературе практически отсутствуют системные данные экспериментальных исследований.

Большинство расчетных методов электротеплового состояния конденсаторов используются при анализе стационарных режимов нагрузки. Нестационарные методы расчета, как правило, применимы в регулярных температурных режимах , при которых длительность воздействия нагрузки значительно превышает тепловую постоянную времени конденсаторов тт, в то время, как тсл~ттп~тт.

Наиболее полное исследование теплового состояния конденсаторов возможно на основе применения численных методов расчета с использованием ЭВМ. Однако в известных литературных источниках подобные исследования работоспособности МПК в ФР не проводились. Кроме того, результаты численного эксперимента затрудняют проведение аналитических оценок и инженерных методов расчета в широком диапазоне воздействующих факторов (значение амплитуды напряжения, частоты, условий охлаждения, электрофизических и тепловых свойств материалов).

Таким образом, для оценки работоспособности необходимы методы расчета, учитывающие существенную нестационарность развития ТНУ в условия интенсивных электротепловых нагрузок.

Сложность оценок электротеплового состояния конденсаторов в нестационарных режимах обусловлена, в первую очередь, трудностью решения базовой системы уравнений нестационарной теплопроводности. Как известно, развитие ТП связано с резкой зависимостью роста тепловыделения (мощности диэлектрических потерь от температуры. Кроме того, для ряда диэлектриков характерна немонотонность указанного тепловыделения, связанная с температурным максимумом диэлектрических потерь (полярные диэлектрики, сегне-токерамика). Таким образом, нестационарное уравнение теплопроводности содержит существенно нелинейный источник тепла. Общих методов решения подобных систем на сегодняшний день не существует, однако за последние 15 лет в нелинейной физике и синергетике были найдены некоторые частные классы решений нелинейных систем, отражающие определенные фундаментальные процессы природы. С этой, синергетической точки зрения, диэлектрик конденсатора представляет собой температурную активную среду (АС), где тепловые поля обусловлены диссипацией энергии электромагнитного поля. Для активных сред найдено множество универсальных процессов: существование диссипативных структур (ДС) стационарного и нестационарного характера, явления локализации тепла, биффуркаций, хаоса, фракталь-ности в самых широких областях исследования: от физики горения и взрыва до биологии. Общим во многих указанных случаях является идентичность нелинейных дифференциальных уравнений, описывающих различные эволюционные процессы. Важность дальнейшего изучения процессов ТНУ и ТП в диэлектриках подтверждается также рядом публикаций последних лет [85-89,118,135,138,158].

В связи со сказанным представляется актуальным дальнейшее экспериментальное и теоретическое изучение электротеплового состояния конденсаторов в нестационарных условиях интенсивных электротепловых нагрузок. Цель работы:

Разработка научно-технических основ определения работоспособности и оптимального выбора электрических конденсаторов для их использования в форсированных электротепловых режимах эксплуатации.

Методы исследования:

Экспериментальные исследования работоспособности конденсаторов в ФР проводились на серийно-выпускаемых конденсаторах марки К73 с ПЭТФ диэлектриком.При проведении испытаний использовалась специально разработанная аппаратура и ряд методических подходов , направленных на оптимизацию эксперимента.Теоретические оценки электротеплового состояния конденсатора выполнены на основе аналитических решений соответствующих математических моделей. При анализе температурной динамики центра и срока службы конденсатора использовался предложенный метод осреднения нелинейной задачи теплопроводности.Для проверки и оценки точности полученных аналитических решений проводился численный расчет , основанный на конечно-разностных методах решения математической модели теплового состояния конденсатора.Результаты экспериментальных исследований подвергались статистической обработке и сравнивались с результатами расчетов.

Краткое содержание работы:

В первой главе определяется область форсированных режимов (ФР) электротепловых нагрузок , проведен литературный обзор основных методов расчета теплового состояния конденсатора и анализ современных представлений о развитии тепловой неустойчивости в активных средах.В заключении главы поставлены задачи дальнейшего исследования.

Во второй главе изложены методические подходы , использовавшиеся при экспериментальном изучении работоспособности конденсаторов в ФР , обработке опытных данных и проведении численных расчетов.

Третья глава посвящена развитию теоретических представлений о состоянии конденсаторного диэлектрика в условиях интенсивных электротепловых нагрузок.

Четвертая глава содержит основные результаты экспериментальных исследований работоспособности конденсаторов в ФР . В пятой главе дано сопоставление экспериментальных и расчетных данных , обоснована инженерная методика расчета температуры центра, срока службы и критерия выбора конденсаторов, а также приведен соответствующий пример расчета. Научная новизна:

1.В результате ресурсных испытаний металлопленочных конденсаторов на основе ПЭТФ диэлектрика получен комплекс экспериментальных данных, определяющий работоспособность конденсаторов в форсированных режимах эксплуатации, соответствующих срокам службы на уровне 50-350 секунд.

2.На основе точных решений ряда нелинейных модельных задач электротеплового состояния конденсаторного диэлектрика рассмотрен общий случай стационарной теории теплового пробоя диэлектрика с учетом релаксационных и джоулевых потерь.

3.Предложен новый метод осреднения нестационарной нелинейной задачи теплопроводности для оценки температурной динамики электротеплового состояния диэлектрика.

4. Впервые экспериментально обнаружен и теоретически обоснован автоволновой механизм переноса тепла в протяженных конденсаторных структурах на основе диэлектриков, обладающих температурным максимумом фактора диэлектрических потерь.

Достоверность полученных результатов подтверждается при сопоставлении данных эксперимента, численных и аналитических расчетов, большим количеством испытанных конденсаторов и корректной статистической обработкой опытных данных, а также сопоставлением результатов исследований с результатами, полученными другими авторами как в России, так и зарубежном.

Практическая ценность:

1.Результаты экспериментальных исследований могут быть использованы для прогнозирования работоспособности и оптимального выбора МПК, предназначенных для работы в форсированных режимах эксплуатации (ФР).

2.Ряд результатов теоретических исследований имеет общий характер и применим к исследованию динамики электротеплового состояния конденсаторов и изоляции на основе оксидных, керамических и других типов рабочего диэлектрика.

3.На основе экспериментальных и теоретических исследований разработана инженерная методика расчета электротеплового состояния МПК и их оптимального выбора для эксплуатации в ФР.

4.Полученные результаты могут использоваться для оценки устойчивости работы конденсаторов, находящихся при обычных условиях эксплуатации, в случае возникновения кратковременных электротепловых перегрузок.

5.На основе обнаруженного автоволнового эффекта переноса тепла и явления ограниченной тепловой неустойчивости в диэлектриках возможно создание специальных приборов и устройств, использующих эффекты теплового переключения.

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

207 Выводы

1. На основе предложенного метода осреднения нелинейного уравнения теплопроводности произведен соответствующий расчет температурной динамики и его сравнение с экспериментальными результатами. Различие между среднестатистическими значениями тсл и расчетными данными не превышают 15 %.

2. Ряд упрощений и учет воздушной неоднородности конденсаторной секции позволил предложить инженерную методику расчета срока службы конденсаторов в форсированных режимах нагружения.

3. Получены сравнительно простые формулы расчета, которые позволяют выполнять пересчет тсл от одного режима нагрузки к другому для конденсаторов на основе одного типа диэлектрика.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1.На основе точных решений ряда нелинейных модельных задач развиты теоретические представления о состоянии конденсаторных структур, находящихся в условиях интенсивного электротеплового разогрева. Для диэлектриков, обладающих температурным максимумом диэлектрических потерь, зависимость температуры центра от параметра нагрузки и температуры поверхности диэлектрика образует топологическую особенность типа "сборка", которая характерна для широкого класса нелинейных динамических систем.

2.Рассмотрен общий случай стационарной теории теплового пробоя диэлектрика с учетом релаксационных и джоулевых потерь. Показанная множественность стационарных тепловых состояний обосновывает существование ряда нелинейных температурных эффектов, в том числе -явление ограниченной тепловой неустойчивости (ОТНУ).

3.Предложен метод осреднения нелинейного уравнения теплопроводности, позволяющий упростить анализ тепловой динамики максимальной температуры и времени развития теплового пробоя конденсаторов. Применимость метода обоснована сравнением полученных по нему решений с известными аналитическими решениями , результатами контрольных численных расчетов на ЭВМ, а также с результатами экспериментальных исследований.

4.Ряд результатов теоретических исследований имеет общий характер и применим к исследованию динамики электротеплового состояния конденсаторов на основе оксидных, керамических, пленочных типов рабочего диэлектрика.

5.С помощью разработанного ипыгательного стенда и соответствующих методик получен комплекс экспериментальных данных по работоспособности металлопленочных конденсаторов в форсированных режимах эксплуатации.Экспериментально изучена работоспособность конденсаторов К73 с ПЭТФ диэлектриком в диапазоне емкостей ДС= 0,47-6,8 мкФ, рабочих частот ùf = 0,2-т-5 кГц и сроков службы Ах - 50^-350 с. Диапазон действующего значения синусоидального напряжения составлял A U- 130^-950 В , верхняя граница которого определяла максимальные величины напряженности электрического поля в диэлектрике на уровне Z^,-90-110 кВ/мм.

Экспериментально установлено, что электрическая прочность ПЭТФ диэлектрика конденсаторов К73 существенно снижается в области температур, превышающих 185—190 °С, что позволяет принять , с некоторым запасом , в качестве критической температуры Т,ф=1850С.В условиях развития теплового пробоя, определяющего срок службы конденсаторов, значительная доля времени роста температуры до Т,ф обусловлена температурным диапазоном релаксационных потерь и составляет 85—90 % от общего времени пробоя.

7.0птимальный выбор конденсаторов по величине максимального значения удельной реактивной мощности можно проводить на основе предложенного критерия Kq ,который в существенно нестационарных условиях ФР отличается от соответствующего стационарного критерия. Кроме отношения площади поверхности S к объему конденсатора V, необходимо учитывать значение тепловых постоянных сравниваемых конденсаторов, среднеобьемные плотность, теплоемкость и коэффициент использования активного объема. В области одноминугных сроков службы испытуемых конденсаторов значения достигнутой удельной реактивной мощности Qv составили величину 500—650 кВАр/дм3,при этом максимальное значение Qv = 650 кВАр/дм3 наблюдалось для типономинала С = 1,0 мкФ. Коэффициент увеличения нагрузки по реактивной мощности в этих случаях превышает обычные эксплуатационные значения ТУ в 300— 500 раз и зависит от типономинала конденсатора.

8. Незначительное увеличение срока службы в условиях вынужденного воздушного и масляного охлаждений, увеличивающийся разброс экспериментальных данных делают неэффективным применение методов вынужденного охлаждения для улучшения работоспособности конденсаторов при значениях срока службы тС1 ~ 50^-350 с.

В области увеличенных сроков службы, исчисляемых десятками минут, проявляется влияние тепловой дефектности конденсаторов, в том числе — тепловая неоднородность конденсаторной секции и развитие процессов самовосстановления. Локальное развитие тепловой неустойчивости в ряде случаев носит ограниченный характер (ОТНУ).

9. На основе проведенных исследований разработана инженерная методика расчета динамики электротеплового состояния и оптимального выбора конденсаторов для их эксплуатации в форсированных режимах.Различие между расчетными данными тС1 и среднестатистическими опытными значениями не превышают 15 %.Получены сравнительно простые формулы расчета, которые позволяют выполнять пересчет тС1 от одного режима нагрузки к другому для конденсаторов на основе одного типа диэлектрика. Ю.Впервые экспериментально обнаружен и теоретически обоснован автоволновой процесс переноса тепла (АВП) при распространении фронта электротеплового разогрева в конденсаторной структуре с ПВА диэлектриком. На основе обнаруженного эффекта, обусловленного пространственным развитием ОТНУ, возможно создание специальных датчиков температуры, генераторов тепловых колебаний, структур тепловой памяти, использующих диэлектрик, обладающий температурным максимумом потерь, характерным не только для ряда полярных полимеров, но и для некоторых видов керамики, например сешетоэлекгрического типа.

211

1. Ренне В.Т. Электрические конденсаторы. JI.¡Энергия, 1969. -592 с.

2. Кучинский Г.С., Назаров Н.И. Силовые электрические конденсаторы. М.: Энергоатомиздат, 1992. -319 с.

3. Ермуратский В.В., Ермуратский П.В. Конденсаторы переменного тока в тиристорных преобразователях. М.: Энергия, 1979. -224 с.

4. Ренне В.Т. Пленочные конденсаторы с органическим синтетическим диэлектриком. М.: Энергия, 1971. -240 с.

5. Сканави Г.И. Физика диэлектриков. Область сильных полей. М.: ГИФМЛ,1958. -895 с.

6. Сканави Г.И. Физика диэлектриков. Область слабых полей. М.: ГИФМЛ, 1949.-500 с.

7. Борисова М.Э., Койков С.Н. Физика диэлектриков. Л.: ЛГУ, 1979. -240 с.

8. Справочник по электрическим конденсаторам/Под ред. В.В. Ерму-ратского.- Кишинев: «Штиинца», 1982.-310 с.

9. Кучинский Г.С., Кизеветтер В.Е., Пинталь Ю.С. Изоляция установок высокого напряжения. М.: Энергоатомиздат, 1987.-368 с.

10. Расчет эксплуатационных характеристик и применение электрических конденсаторов/ Б.П.Беленький, П.Н.Бондаренко, М.Э.Борисова и др.- М.: Радио и связь, 1988.-240 с.

11. Ануфриев Ю.А., Гусев В.Н., Смирнов В.Ф. Эксплуатационные характеристики и надежность электрических конденсаторов. М.: Энергия, 1976.-224 с.

12. Демиденко Г.Р., Хаецкий B.C. Конденсаторы с органическим диэлектриком: Каталог АО «Элкод». СПб.: тип. «СИНЭЛ», 2000.-140 с.

13. Дьяконов М.И., Карабанов В.И. , Пресняков В.И. Справочник по электрическим конденсаторам. М.: Радио и связь, 1983. -576 с.

14. Койков С.Н., Цикин А.И. Электрическое старение твердых диэлектриков.- Л.¡Энергия, 1968.-184 с.15