Импульсные высоковольтные конденсаторы высокой удельной энергиии

В последние годы определенное развитие получили новые электротехнологии, основанные на свойствах сильноточного импульсного разряда, протекающего через катушку индуктивности, газовую или жидкую среды.  К указанным выше технологиям можно отнести магнитную штамповку, дробление породы, очистку металлических отливок и пр. Все большее развитие получают лазерные технологии, которые используются как в промышленности, так и в медицине.

В этих технологиях в качестве одного из основных элементов оборудования применяются импульсные высоковольтные конденсаторы, к характеристикам которых предъявляются все более высокие требования, заключающиеся в увеличении удельной энергии, ресурса, рабочей частоты конденсаторов, снижении tgδ, собственной индуктивности и внутреннего сопротивления. Удовлетворить эти требования полностью, применяя традиционную для импульсных конденсаторов бумажно-масляную изоляцию, не представляется возможным из-за сравнительно высоких диэлектрических потерь.

Фирмой «Русская Технологическая Группа 2» были проведены новаторские работы по созданию серий пленочных импульсных конденсаторов с удельной энергией 0,1; 0,2; 0,3 Дж/г, малоиндуктивных сильноточных конденсаторов и малоиндуктивных высокочастотных высоковольтных конденсаторов для лазерных технологий.

Важной частью этих работ являлись исследования направленные на более глубокое понимание физических механизмов, определяющих старение пленочных конденсаторов в процессе их эксплуатации при высокой напряженности электрического поля, составляющей 250…300 кВ/мм. Проведенные исследования позволили с более обоснованных позиций подойти к разработке технологии изготовления пленочных конденсаторов высокой удельной энергии. Основные черты этой технологии определились в процессе исследований и заключаются в следующем:

1. использовании оптимального коэффициента запрессовки секций в пакете и устранении возможности «перепрессовки»;
2. устранении источников дополнительного загрязнения пленки при изготовлении секций и сборке сухих пакетов (намотка секций в «чистой» комнате, соблюдения производственной гигиены и т.д.);
3. устранении возможного загрязнения изоляции конденсатора в процессе его пропитки за счет перехода от группового метода пропитки к индивидуальному и исключении повторного использования жидкости после очистки ее сорбентами;
4. тщательной вакуумной сушке пленочной изоляции конденсатора в течение 48 часов при температуре 95-105°С;
5.  тщательной вакуумно-термической подготовке заливаемой жидкости с целью устранения растворенной влаги;
6.  отказа от применения стабилизирующих эпоксидных добавок.

Следует отметить, что указанная выше технология в целом направлена на устранение из конденсаторной изоляции пылевидных загрязнений, влаги и стабилизирующих добавок. Подобные требования к технологии  изготовления конденсаторов не являются новыми. Однако новым является то, что жесткость соблюдения этих требований при изготовлении импульсных пленочных конденсаторов, как показали наши исследования, на порядок выше, чем при изготовлении конденсаторов с бумажно-касторовой изоляцией.

На основе проведенных исследований и разработанной технологии была создана серия импульсных конденсаторов типа КПИ и КПИ1.

Краткое описание

Импульсные конденсаторы КПИ и КПИ1 предназначены для работы в электрофизических и технологических установках в импульсном режиме с частотой повторения импульсов до 1 Гц. Конденсаторы разработаны на напряжение 5—200 кВ и имеют пластмассовый морозостойкий корпус. Конденсаторы могут работать как в вертикальном, так и в горизонтальном положениях. Переполюсовка напряжения в конденсаторе при разряде на нагрузку не более 10%. Ресурс конденсатора, указанный в таблице, соответствует такому типу разряда, при вероятности безотказной работы, равной 0,90. Однако конденсаторы могут успешно работать и при ярко выраженном колебательном характере разряда. В этом случае для сохранения ресурса необходимо снижать зарядное напряжение. Внешний вид и габаритные размеры конденсаторов КПИ приведены на рисунках ( 1 ) и ( 2 ), а внешний вид и габаритные размеры конденсаторов КПИ1 приведены на рисунках ( 3 ) и ( 4 ).

Структура условного обозначения:

 

Предельно допустимые климатические воздействия   

Конденсаторы типа КПИ и КПИ1 относятся по климатическому воздействию к группе УХЛ 4. Номинальные значения климатических факторов по ГОСТ 15543-70 и ГОСТ 15150-69, в частности, значения рабочей температуры находятся в диапазоне +1 ÷ +35°С. Окружающая среда невзрывоопасная, не содержащая токопроводящей пыли и агрессивных газов в концентрациях, снижающих параметры конденсатора в недопустимых пределах.

 

Предельно допустимые механические воздействия      

Конденсаторы выдерживают воздействие вибрационных нагрузок в диапазоне частот 5 ÷ 200 Гц с амплитудой 0,5 мм и ускорением 19,6 м/с²; воздействие ударных нагрузок с ускорением 147 м/с² и длительностью удара 5 ÷ 10 мс.

Величина емкости конденсаторов, приведенных в таблицах 1 и 2, может отклоняться в пределах ±10% от номинала. Под индуктивностью имеется в виду собственная индуктивность конденсатора. Максимальный ток для конденсаторов КПИ составляет 100 кА, а для КПИ1 – 50 кА. Тангенс угла диэлектрических потерь при частоте ≤ 50 Гц равен 0,002÷0,003, что существенно меньше, чем в бумажно-масляных импульсных конденсаторах. Ресурс указан для случая разрядки конденсаторов на нагрузку с переполюсовкой напряжения (реверсом напряжения) не более 10% и температурой окружающей среды +200°С. При отклонении условий эксплуатации  от  указанных  в  таблице  ресурс  может  быть приближенно рассчитан по формуле N = N0xK1xK2xK3xK4,  где N0 – номинальный (табличный) ресурс; К1, К2, К3, К4 – коэффициенты долговечности, которые берутся из рисунков ( 3 ), ( 4 ), ( 5 ), ( 6 ).

Например, пусть конденсатор КПИ-50-5 эксплуатируется при зарядном напряжении Uз = 30 кВ, максимальном обратном напряжении 18 кВ, при температуре 30°С и времени удержания напряжения после зарядки конденсатора равном 15с. Необходимо найти ресурс N, соответствующий данным условиям эксплуатации конденсатора. Воспользуемся формулой  N = N0xK1xK2xK3xK4. Номинальный ресурс N0  равен 6·10⁴ циклов заряд-разряд. Коэффициент К1 найдем из рисунка 5 при Uз/U0 = 35/50 = 0,7. Он равен 28. Из рисунка 6 при Т = 30°С находится К2 = 0,5. Из рисунка 7 при Uобр/Uз = 18/30 = 0,6 находится К3 = 0,1. Коэффициент К4 = 0,52, найдем из рисунка 8 при t_уд = 20 с. По формуле находим эксплуатационный ресурс: N = 6·10⁴ x 28 x 0,5 x 0,1 x 0,52 = 4,37·10⁴ циклов.

Технические характеристики

Новые типы конденсаторов с 2011 года

Тип конденсатора	Емкость, мкф	Масса,  кг	Напряжение, кВ	Индуктивность, нГн	Габариты, мм	Ресурс, циклов	Удельная энергия, Дж/г	Частота, Гц
КПИ-80-0,7	0,7	24	80	60	335х160х326	1,2*107	9,3*10-2	≤ 1,0
КПИ-50-2,8*	2,8	46	50	< 25	310х160х310	105	7,6*10-2	≤ 1,0
КПИ-10-15х4**	15х4	32	10	50/4	450х160х326	1,2*107	9,4*10-2	≤ 1,0
КПИ-4-900	900	42	4	80	450х160х326	5*103	0,225	≤ 1,0
КПИ-6,3-40х4**	40х4	32	6,3	60/4	450х160х326	1,2*107	9,9*10-2	≤ 1,0
КПИ-200-0,04	0,04	32	200	80	450х160х326	3*107	2,5*10-2	≤ 1,0
КПИ-200-0,06	0,06	32	200	80	450х160х326	2*107	3,8*10-2	≤ 1,0

* - ресурс конденсатора указан для напряжения реверса 80%

** - конденсаторы состоят из четырех независимых мини-конденсаторов, каждый из которых имеет свои выводы на крышке конденсатора.

 

Тип конденсатора	Емкость, мкф	Масса,  кг	Напряжение, кВ	Индуктивность, нГн	Габариты, мм		Ресурс, циклов	Удельная энергия, Дж/г	Частота, Гц
КПИ-8-240	240	31	≤ 8	85	450х150х326		10000	0,3	≤ 1,0
КПИ-25-26	26	31	≤ 25	85	450х150х326		10000	0,3	≤ 1,0
КПИ-33-15	15	31	≤ 33	85	450х150х326		10000	0,3	≤ 1,0
КПИ-42-10	10	31	≤ 42	85	450х150х326		10000	0,3	≤ 1,0
КПИ-50-6,9	6,9	31	≤ 50	85	450х150х326		10000	0,3	≤ 1,0
КПИ-75-3	3	31	≤ 75	85	450х150х326		10000	0,3	≤ 1,0
КПИ-100-1,7	1,7	31	≤ 100	85	450х150х326		10000	0,3	≤ 1,0
КПИ-7-240	240	31	≤ 7	85	450х150х326		60000	0,2	≤ 1,0
КПИ-14-60	60	31	≤ 14	85	450х150х326		60000	0,2	≤ 1,0
КПИ-19-35	35	31	≤ 19	85	450х150х326		60000	0,2	≤ 1,0
КПИ-21-27	27	31	≤ 21	85	450х150х326		60000	0,2	≤ 1,0
КПИ28-15	15	31	≤ 28	85	450х150х326		60000	0,2	≤ 1,0
КПИ-35-10	10	31	≤ 35	85	450х150х326		60000	0,2	≤ 1,0
КПИ-42-7	7	31	≤ 42	85	450х150х326		60000	0,2	≤ 1,0
КПИ-50-5	5	31	≤ 50	85	450х150х326		60000	0,2	≤ 1,0
КПИ-63-3	3	31	≤ 63	85	450х150х326		60000	0,2	≤ 1,0
КПИ-84-1,7	1,7	31	≤ 84	85	450х150х326		60000	0,2	≤ 1,0
КПИ-100-1,2	1,2	31	≤ 100	85	450х150х326		60000	0,2	≤ 1,0
КПИ-5-240	240	31	≤ 5	85	450х150х326		1200000	0,1	≤ 1,0
КПИ-15-27	27	31	≤ 15	85	450х150х326		1200000	0,1	≤ 1,0
КПИ-20-15	15	31	≤ 20	85	450х150х326		1200000	0,1	≤ 1,0
КПИ-25-10	10	31	≤ 25	85	450х150х326		1200000	0,1	≤ 1,0
КПИ-30-7	7	31	≤ 30	85	450х150х326		1200000	0,1	≤ 1,0
КПИ-40-4	4	31	≤ 40	85	450х150х326		1200000	0,1	≤ 1,0
КПИ-45-3	3	31	≤ 45	85	450х150х326		1200000	0,1	≤ 1,0
КПИ-60-1,7	1,7	31	≤ 60	85	450х150х326		1200000	0,1	≤ 1,0
КПИ-80-0,9	0,9	31	≤ 80	85	450х150х326		1200000	0,1	≤ 1,0
КПИ-100-0,6	0,6	31	≤ 100	85	450х150х326		1200000	0,1	≤ 1,0
КПИ-200-0,15	0,15	31	≤ 200	85	450х150х326		1200000	0,1	≤ 1,0
КПИ-100-0,4	0,4	31	≤ 100	85	450х150х326		1200000	0,06	≤ 1,0
КПИ-200-0,1	0,1	31	≤ 200	85	450х150х326		12000000	0,06	≤ 1,0
КПИ-100-0,3	0,3	31	≤ 100	85	450х150х326		12000000	0,05	≤ 1,0

 

Конденсаторы типа КПИ климатического исполнения УХЛ4 *

Тип конденсатора	Емкость, мкф	Масса,  кг	Напряжение, кВ	Индуктивность, нГн	Габариты, мм	Ресурс, циклов	Удельная энергия, Дж/г	Частота, Гц
КПИ-8-110	110	17	≤ 8	30	225х150х422	104	207	≤ 1,0
КПИ-16-27,5	27,5	17	≤ 16	30	225х150х422	104	207	≤ 1,0
КПИ-24-12	12	17	≤ 24	30	225х150х422	104	207	≤ 1,0
КПИ-32-6,9	6,9	17	≤ 32	30	225х150х422	104	207	≤ 1,0
КПИ-40-4,4	4,4	17	≤ 40	30	225х150х422	104	207	≤ 1,0
КПИ-50-3,1	3,1	17	≤ 50	30	225х150х422	104	207	≤ 1,0
КПИ-75-1,2	1,2	17	≤ 75	30	225х150х422	104	207	≤ 1,0
КПИ-100-0,75	0,75	17	≤ 100	30	225х150х422	104	207	≤ 1,0
КПИ-6-110	6	17	≤ 110	30	225х150х422	50000	118	≤ 1,0
КПИ-12-27,5	27,5	17	≤ 12	30	225х150х422	50000	118	≤ 1,0
КПИ-18-12	12	17	≤ 18	30	225х150х422	50000	118	≤ 1,0
КПИ-24-6,9	6,9	17	≤ 24	30	225х150х422	50000	118	≤ 1,0
КПИ-30-4,4	4,4	17	≤ 30	30	225х150х422	50000	118	≤ 1,0
КПИ-36-3,1	3,1	17	≤ 36	30	225х150х422	50000	118	≤ 1,0
КПИ-42-2,2	2,2	17	≤ 42	30	225х150х422	50000	118	≤ 1,0
КПИ-48-1,7	1,7	17	≤ 48	30	225х150х422	50000	118	≤ 1,0
КПИ-75-0,7	0,7	17	≤ 75	30	225х150х422	50000	118	≤ 1,0
КПИ-100-0,4	0,4	17	≤ 100	30	225х150х422	50000	118	≤ 1,0

* Примечание. Значения рабочей температуры конденсаторов исполнения УХЛ4 находятся в диапазоне от +1 до + 35 0С

 

Конденсаторы типа КПИ климатического исполнения У2 *

Тип конденсатора	Емкость, мкф	Масса,  кг	Напряжение, кВ	Индуктивность, нГн	Габариты, мм	Ресурс, циклов	Удельная энергия, Дж/г	Частота, Гц
КПИ-10-200	200	44	≤ 10	60	310х150х590	50000	227	≤ 1,0
КПИ-20-50	50	44	≤ 20	60	310х150х590	50000	227	≤ 1,0
КПИ-30-22	22	44	≤ 30	60	310х150х590	50000	227	≤ 1,0
КПИ-40-12,5	12,5	44	≤ 40	60	310х150х590	50000	227	≤ 1,0
КПИ-50-8	8	44	≤ 50	60	310х150х590	50000	227	≤ 1,0
КПИ-75-3,5	3,5	44	≤ 75	60	310х150х590	50000	227	≤ 1,0
КПИ-100-2	2	44	≤ 100	60	310х150х590	50000	227	≤ 1,0
КПИ-5-200	200	44	≤ 5	60	310х150х590	1,2*107	57	≤ 1,0
КПИ-10-50	50	44	≤ 10	60	310х150х590	1,2*107	57	≤ 1,0
КПИ-15-22	22	44	≤ 15	60	310х150х590	1,2*107	57	≤ 1,0
КПИ-20-12,5	12,5	44	≤ 20	60	310х150х590	1,2*107	57	≤ 1,0
КПИ-25-8	8	44	≤ 25	60	310х150х590	1,2*107	57	≤ 1,0
КПИ-30-5,5	5,5	44	≤ 30	60	310х150х590	1,2*107	57	≤ 1,0
КПИ-40-3,1	3,1	44	≤ 40	60	310х150х590	1,2*107	57	≤ 1,0
КПИ-50-2	2	44	≤ 50	60	310х150х590	1,2*107	57	≤ 1,0
КПИ-75-0,9	0,9	44	≤ 75	60	310х150х590	1,2*107	57	≤ 1,0
КПИ-100-0,5	0,5	44	≤ 100	60	310х150х590	1,2*107	57	≤ 1,0

* Примечание. Значения рабочей температуры конденсаторов исполнения У2 находятся в диапазоне от -40 до + 45 0С а, значение относительной влажности от 80 до 100 %.

Область применения

Конденсаторы предназначены для высоковольтных импульсных испытаний, для электротехнологических целей (магнитная штамповка; дробление пород и т. д.), для электрофизических установок по получению высокотемпературной плазмы и пр.

Гарантии

Изготовитель гарантирует указанный в таблице ресурс при вероятности безотказной работы – 0,9 или исправную работу конденсатора в течение 12 месяцев после отгрузки, в зависимости от того, что наступит раньше.