Partial discharge is the slow, invisible enemy of high-voltage insulation. This guide explains what it is, where it starts in a laminated busbar, the 10 pC acceptance level, and the design rules that keep it out of production.
Phóng điện cục bộ (PD) được định nghĩa trong IEC 60270, điều 3.1, là một phóng điện điện cục bộ chỉ bắc cầu một phần lớp cách điện giữa các vật dẫn. Trong thực tế nó xuất hiện dưới dạng các xung ngắn, thường ngắn hơn một microgiây, gây ra bởi các tập trung ứng suất điện cục bộ bên trong lớp cách điện hoặc trên bề mặt của nó.
Bản thân nó, một phóng điện gián đoạn không ngay lập tức làm hỏng gì. Vấn đề là tích lũy: phóng điện cục bộ liên tục trên khoảng 10 pC làm mòn lớp cách điện theo thời gian, và điểm kết thúc là một sự mất dần độ bền điện môi có thể biến thành một ngắn mạch trong vận hành. Đó là lý do PD được đối xử như một mục tiêu thiết kế và một thử sản xuất, không phải như một phép đo tùy chọn.
Ba thứ làm PD khó bắt. Nó vô hình: bản thân các phóng điện kéo dài dưới một microgiây, nên bạn không thể thấy, nghe hoặc cảm nhận chúng trên một linh kiện đang cấp điện. Nó chậm: các tháng hoặc năm trôi qua giữa phóng điện vi đầu tiên và bất kỳ suy giảm đo được nào. Và nó tích lũy: mỗi sự kiện cục bộ khắc thêm một chút kênh carbon hóa vào lớp cách điện cho đến khi một đường tracking bắc cầu các lớp. Phản ứng thực tế duy nhất là phép đo trong thử sản xuất, cộng một thiết kế chồng lớp không bao giờ cho phóng điện một túi bắt đầu.
Định nghĩa có ý nghĩa vận hành. Bởi một xung PD bắc cầu một phần lớp cách điện chứ không phá vỡ hoàn toàn nó, một thử hipot hoặc chịu điện áp không phát hiện nó: một linh kiện có thể qua sạch một thử chịu 2.5 kV mà vẫn phóng điện ở 1.2 kV dưới đầu dò. Phép đo PD là một thiết bị riêng, chỉnh đến dải xung định nghĩa trong IEC 60270, và đầu ra là một mức điện tích đo bằng picocoulomb (pC), không phải một điện áp đạt/trượt. Đối với kỹ sư điện tử công suất, câu hỏi thực tế không phải một thanh cái có thể phóng điện hay không, mà là ở đâu trong chồng lớp một phóng điện sẽ bắt đầu. Nếu bạn còn mới với cấu trúc ép lớp nói chung, bắt đầu với hướng dẫn thiết kế thanh cái ép lớp của chúng tôi.
Cách điện màng linh hoạt và tấm cứng rất nhạy với các khe hở tại giao diện của chúng, hoặc giữa hai lớp cách điện hoặc giữa lớp cách điện và vật dẫn. Những khe hở đó chứa đầy không khí. Không khí là mắt xích yếu nhất trong hệ điện môi, và độ bền điện môi của nó phụ thuộc áp suất, mà phụ thuộc độ cao. Mọi bọt khí bị kẹt là một vị trí phóng điện ứng viên.
Chính xác các túi nằm ở đâu? Thường tại ba nơi: giữa hai màng điện môi nơi áp ép lớp không làm ướt hoàn toàn lớp keo; tại giao diện giữa màng và mép cắt vật dẫn, nơi màng phải quấn xung quanh một hồ sơ đột lỗ; và quanh các lỗ xuyên và cửa sổ đầu cực, nơi hình học ép màng uốn và kéo dài. Kiểm soát sản xuất nhắm cả ba: chuẩn bị vật liệu sạch, nhiệt độ và áp ép lớp kiểm soát, và phát mép đóng kín các mép điện môi cắt.
Cấp điện áp đặt mức độ nghiêm trọng bạn lấy việc này, và sự phân chia ô-tô-so-với-công nghiệp quyết định bạn có cần một tấm liên-lớp cứng hay không:
| Khía cạnh | Công nghiệp / kéo | Ô-tô |
|---|---|---|
| Dải điện áp | 1000–6000 V | 400–800 V |
| Phóng điện cục bộ | Tối quan trọng; cách điện liên-lớp cứng bắt buộc | Không bắt buộc dưới 800 V; chỉ màng là điển hình |
| Mục tiêu đời | Đến 25 năm | Dưới 5 năm |
| Điện áp thử điển hình | Theo thiết kế PD và khoảng không | 2.5 kV AC / 3.7 kV DC |
Kiểm soát phía sản xuất có ý nghĩa ngang hình học. Chuẩn bị vật dẫn sạch trước khi xếp lớp, kích hoạt keo kiểm soát dưới áp, và một công thức ép lớp giữ chiều dày điện môi trong dung sai là những thứ biến một bản vẽ tốt thành các phần đều qua. Một chồng lớp thiết kế cho khe hở không khí bằng không vẫn phải được chế tạo với khe hở không khí bằng không; đó là lý do dịch vụ duyệt DFM thanh cái của chúng tôi gắn cờ các hình học nơi bắt bọt khí nhiều khả năng nhất, trước dụng cụ. Sự phân chia đó thúc đẩy nhiều quyết định sản phẩm: các thanh cái ép lớp điện tử công suất của chúng tôi cho các biến tần cao áp dùng cách điện liên-lớp cứng cộng màng linh hoạt được niêm phong, trong khi các phần điện áp thấp hơn dựa vào chỉ màng. Dù bạn thiết kế trong cấp nào, quy tắc là như nhau: loại bỏ khe hở không khí, vì mọi khe hở để lại trong chồng lớp là một nơi PD có thể bắt đầu.
Thực hành kỹ thuật cho các thanh cái ép lớp là thẳng: công nhận phóng điện cục bộ trên mọi phần hoàn thiện và giữ nó dưới 10 pC, ngay cả ở các điện áp thử cao hơn điện áp vận hành danh định. Đối với các thanh cái ô-tô điện áp thấp, điện áp thử tối đa thường là 2.5 kV AC hoặc 3.7 kV DC, đo cao hơn bất cứ thứ gì phần sẽ thấy trên xe, nên một kết quả sạch cho bạn biên độ trên toàn vòng đời.
Một thử PD sản xuất thực sự trông như thế nào? Thanh cái nằm trên bàn, điện áp thử được nâng mượt đến mức đã thống nhất, và mạch đo đọc điện tích biểu kiến của mọi xung phóng điện. Một kết quả sạch không phải một con số đơn một lần; nó là một đọc ổn định dưới ngưỡng công nhận giữ trong suốt thời gian thử đầy đủ, không có chuỗi xung tăng trưởng sẽ chỉ ra tracking sắp bắt đầu. Chúng tôi cũng chạy kiểm tra ở các điện áp trên danh định, vì một biên độ trông thoải mái ở điện áp vận hành biến mất nhanh khi lớp cách điện già.
Tại sao con số 10 pC? Phóng điện gián đoạn dưới ngưỡng về cơ bản là vô hại suốt đời dịch vụ; phóng điện liên tục trên nó tăng tốc mòn ở một tốc độ đo được. Mức 10 pC là biên giới ngành hội tụ giữa lành tính và gây hại, và thử cao trên điện áp vận hành là cách bạn chứng minh biên độ đối chiếu các khuyết tật một phần tích lũy qua nhiều thập kỷ: vi-khoảng trống từ mòn ép lớp, phốt già trong ẩm, và các đường bề mặt leo hình thành trên bề mặt.
Trên dây chuyền sản xuất của chúng tôi, mỗi lô qua QC nội bộ: hipot, điện trở cách điện, kiểm tra kích thước, kiểm tra nhìn thấy và thông mạch, với phóng điện cục bộ được công nhận như một phần của kiểm tra cao áp. Các hồ sơ thử lô được giữ, và giấy chứng nhận phù hợp cộng tài liệu kiểu PPAP có sẵn khi được đòi. Bạn có thể đọc thêm về quy trình đó trên quy trình thử thanh cái ép lớp nội bộ của chúng tôi.
Thanh cái phải được thiết kế đối chiếu trường điện tới hạn, là điện áp chia cho khoảng cách. Quy tắc ngón tay cái chúng tôi làm việc là khoảng 1 mm cách điện cứng mỗi kV giữa các tổ hợp phụ vật dẫn, với chiều dày cách điện cứng điển hình từ 1 mm đến 6 mm, thường là một tấm polyester gia cầm sợi thủy tinh.
Ví dụ đã giải: một nguồn kéo 3000 V DC có điện áp vận hành tối đa quanh 4800 V, chỉ đến một cách điện cứng 5 mm giữa các vật dẫn. Điện áp vận hành tối đa càng cao, cách điện cứng giữa các lớp càng dày.
Hai chi tiết vật liệu lặng lẽ thống trị kết quả. Thứ nhất, CTI: chỉ số tracking so sánh của màng quyết định bạn cần bao nhiêu bề mặt leo giữa các đầu cực tự do. Với một vật liệu CTI tốt như PET tiêu chuẩn so với một vật liệu CTI kém như polyimide, khoảng cách bề mặt leo cần thiết thường nhân đôi, và CTI trở thành một tham số tới hạn trên 1000 V. Polyimide, bất chấp định mức nhiệt cao của nó, tổng thể chỉ phù hợp dưới khoảng 600 V vì lý do này. Thứ hai, phát mép: một phốt mở ở độ cao hoặc ẩm là một túi khí tức thì.
Lựa chọn điện môi (PET, Nomex hoặc màng epoxy) cũng đặt cấp nhiệt của cụm; xem hướng dẫn của chúng tôi về lựa chọn điện môi cho các thanh cái ép lớp. Lưu ý sự căng thẳng với thiết kế thanh cái tự cảm thấp: cách điện liên-lớp mỏng hơn cải thiện tự cảm nhưng làm tệ biên độ PD. Mọi thanh cái cao áp chúng tôi phát hành là một cân bằng đã thương lượng giữa hai.
Túi khí đủ xấu ở mực nước biển; chúng trở nên tệ hơn theo độ cao. Điện áp đánh thủng của một khí theo định luật Paschen, nghĩa là nó là một hàm của tích áp suất và khe điện cực, p·d. Đối với không khí, độ bền đánh thủng là khoảng 3.1 kV/mm ở áp suất mực nước biển, rơi xuống khoảng 2.0 kV/mm ở 0.5 bar, khoảng 5500 m độ cao, và thấp hơn nữa ở trên cao.
Hai hệ quả theo sau. Thứ nhất, nếu một điện áp quá độ trên thiết bị vượt điện áp đánh thủng không khí ở độ cao vận hành, một flashover xảy ra trừ khi khoảng cách bề mặt leo và khoảng không được tôn trọng. Điều này phải được bù trong giai đoạn thiết kế, không phải khi lắp đặt. Thứ hai, các nguyên mẫu và phần sản xuất phải được thử điện với một điện áp thử đã sửa có tính đến độ cao, hoặc thử cho bạn sự tự tin sai.
Phản ứng thiết kế có ba phần. Tôn trọng khoảng cách bề mặt leo và khoảng không tính cỡ cho áp suất thấp nhất bạn sẽ thấy, không phải độ cao showroom. Thử các nguyên mẫu và phần sản xuất ở một điện áp thử đã sửa có tính đến độ bền điện môi giảm, để thử loại của bạn đồng ý với thực tế trên núi. Và giảm định mức dòng, vì không khí loãng làm mát kém cũng như cách điện kém; các linh kiện thường được giảm định mức trên 2000 m trên cả hai tài khoản. Nếu thiết bị của bạn sống trên một trang trại năng lượng mặt trời đỉnh núi hoặc trong các biến tần kéo với các vị trí lắp không khí nén, cho chúng tôi biết độ cao trong yêu cầu báo giá. Đối với các biến tần nối lưới đẩy về 1600 VDC, xem trang thanh cái biến tần mặt trời và gió của chúng tôi.
Một thanh cái được kiểm soát PD được thiết kế đối chiếu trường hợp xấu nhất, không phải điện áp danh định. Gửi chúng tôi những thứ sau và chúng tôi sẽ tính cỡ cách điện, thiết kế phốt và kế hoạch thử với bạn trước khi bất kỳ dụng cụ nào được cắt:
Một lưu ý thực tế nữa: nếu hệ thống của bạn chạy trên khoảng 1000 V, đối xử thiết kế PD như một bài tập chung sớm. Thay đổi khoảng cách bề mặt leo hoặc thêm một cách điện cứng sau khi bố cục cơ khí đóng băng nghĩa là cắt lại dụng cụ; nâng nó ở giai đoạn DFM không tốn gì. Phòng vệ kết quả có ba lớp và chúng xếp chồng: thiết kế trường tới hạn xuống với chiều dày cách điện cứng; chọn vật liệu, một màng CTI tốt và các mép niêm phong, từ chối phóng điện một túi bắt đầu; và chứng minh trên mọi lô rằng PD đo được ở dưới giới hạn. Bỏ qua bất kỳ lớp nào và các lớp khác mang toàn rủi ro một mình.
Nhiệt độ gắn trực tiếp vào điều này: cách điện ứng suất già nhanh hơn khi nó chạy nóng, và hướng dẫn quản lý nhiệt thanh cái của chúng tôi phủ toán học đời, gồm giảm định mức dòng định mức cho độ cao và vỏ. Điều đó phủ toàn bộ cung: cơ chế, tiêu chí, thử, thiết kế, độ cao, và các đầu vào chúng tôi cần. Nếu bất cứ thứ gì ở trên nêu một câu hỏi về chồng lớp của bạn, nêu nó tại DFM chứ không phải sau bài đầu. Khi bạn sẵn sàng, gửi bản vẽ cho chúng tôi qua liên hệ kỹ thuật của chúng tôi để duyệt DFM; chúng tôi trả lời trong vòng một ngày làm việc.
Send the current profile, voltage class and installation conditions — we will size the busbar and document the calculation with your quotation.
Send the current profile, voltage class and installation conditions — we will size the busbar and document the calculation.
