Изоляция конденсаторов

Название «конденсатор» было введено в конце 18 века, когда существовало представление об «электрических жидкостях» и конденсатор рассматривался как прибор для сгущения, конденсирования этих жидкостей. Конденсатор представляет собой систему из двух или более проводников (обкладок),разделенных диэлектриком (рис.2.1). Основное назначение конденсатора – накапливать электрический заряд и электрическую энергию.

Первые специально созданные электрические конденсаторы, которые применяли в России М.В. Ломоносов и Г. Рихман представляли собой стеклянные банки, наполненные водой или дробью, и оклеенные снаружи фольгой. Впервые понятие диэлектрической проницаемости диэлектрика в конденсаторах ввел Фарадей, в честь которого и названа единица емкости – Фарад. В настоящее время в России производятся все виды современных электрических конденсаторов от единиц фарад до долей пикофарад.

Важнейшая характеристика конденсатора – удельная энергия, равная отношению запасенной в конденсаторе электрической энергии к объему активного диэлектрика:

. (1-2)

Здесь:S – площадь пластин конденсатора, d – толщина диэлектрика.

Как следует из формулы (1-2) для увеличения удельной энергии следует выбирать материал с высокой относительной диэлектрической проницаемостью и высокой электрической прочностью.

Из формулы (1-2) можно выразить энергию конденсатора:

. (1.3)

Здесь l – линейные разме1-3), энергия конденсатора, а , следовательно, и потери растут пропорционально кубу линейных размеров. Поверхность охлаждения конденсатора растет пропорционально квадрату линейных размеров. Следовательно, с ростом мощности конденсатора ухудшаются условия его охлаждения. Чтобы не вызвать перегрева диэлектрика, необходимо использовать материал с малыми диэлектрическими потерями т.е. с малым значением . Рассмотрим, с учетом сказанного, как выполняется изоляция в различных видах конденсаторов.

Силовые конденсаторы используются в установках переменного тока для повышения коэффициента мощности («косинусные конденсаторы»), для продольной компенсации в ЛЭП, в качестве конденсаторов связи и других целей. В установках постоянного тока они работают в схемах с инверторами. Устройство силового конденсатора для повышения коэффициента мощности схематически показано на рис.1.8.

Рис.1.9. Плоскопрессованная рулонная секция: 1 – электроды из фольги; 2 – слои бумаги; 3 – выводы.

В герметизированном корпусе 1 расположены плоскопрессованные рулонные секции 2, стянутые в пакет между металлическими щеками 3 с помощью хомутов 4. Между секциями установлены изолирующие прокладки 5 из электрокартона. Изоляция 6 от корпуса выполнена из электрокартона или кабельной бумаги. Секция представляет собой спирально намотанный рулон из лент диэлектрика и алюминиевой фольги (рис.8.9), выполняющей роль электродов. В рулонных секциях обе поверхности электродов являются активными, вследствие чего сокращается расход металла на электроды. Отдельные секции (рис.1.8) соединяются перемычками 7 в параллельную, последовательную или смешанную схему в зависимости от рабочего напряжения и требуемой емкости. Конденсатор имеет два вывода 8.

В силовых конденсаторах используется бумажно-масляная изоляция. Чаще всего изоляцию секций выполняют из 6-8 слоев конденсаторной бумаги типа КОН толщиной 10-15мкм ( =-0,003). Внутренний объем конденсатора заполнен пропитывающим составом. В качестве пропитки используют минеральные масла ( =2,1-2,2) и синтетические полярные жидкости на основе хлордифенила (ХД) ( =4,8-5,5). Конденсаторное масло отличается от трансформаторного более тщательной очисткой. У конденсаторной бумажной изоляции до 30% объема занимают поры между волокнами и узкие щели между слоями бумаг. Поэтому относительная диэлектрическая проницаемость пропитывающей жидкости сильно влияет на емкость конденсатора. При пропитке хлорированными жидкостями емкость конденсатора в два раза превосходит емкость при пропитке минеральным маслом. Рабочие напряженности в конденсаторах промышленной частоты составляют 12-14 кВ/мм при пропитке минеральными маслами и 15-20кВ/мм при пропитке хлорированными жидкостями..

Недостатком синтетических жидкостей ХД является их большая чувствительность к загрязнениям. Кроме того, они токсичны и экологически опасны, так как отсутствует их биологическая деградация. Это делает необходимым централизованное уничтожение пробитых конденсаторов по специальной технологии.

Хорошие результаты дает применение комбинированной изоляции, в которой слои бумаги чередуются со слоями неполярной синтетической полимерной пленки. Такой пленкой может быть, например, полипропилен ( =2,2-2,3, =180кВ/мм, =0,0004, =10¹⁵-10¹⁶Ом·м). Для импульсных конденсаторов применяется полиэтилентерефталатная (лавсановая) пленка., а в качестве пропитки – касторовое масло. В комбинированной изоляции бумага между слоями пленки обеспечивает хорошую пропитку между слоями пленки и отсутствие газовых включений в изоляции.

В последнее время большинство производителей силовых конденсаторов отказываются от использования бумажного и бумажно-пленочного диэлектрика, переходя к чисто пленочному с экологически безопасными пропитывающими жидкостями. Так например, крупнейший отечественный производитель всех типов силовых конденсаторов Серпуховской конденсаторный завод “КВАР”,внедряя указанную технологию, разработал и освоил выпуск конденсаторов для комплектации силовых фильтров высших гармоник мощностью 300квар с удельной реактивной мощностью 8,1 квар/дм³, что в 1,5-2 раза превышает этот показатель серийно выпускаемой продукции.

Керамические конденсаторы составляют более половины всех выпускаемых конденсаторов. Диэлектриком в них является керамика с высокой , что позволяет выполнять конденсаторы с меньшими габаритами и весом. Большая часть керамических материалов с высокой имеют в качестве основной составной части диоксид титана TiO₂. Одна из его модификаций – рутил имеет в направлении главной кристаллографической оси =173. Низкочастотная керамика имеет =15000-20000. Имеются полупроводниковая керамика с =50000. Таким образом, керамические материалы по сравнению с полимерными пленками дают огромный выигрыш по значению . Низковольтные и высоковольтные керамические конденсаторы применяются в высокочастотной технике: в измерительных схемах и в радиоаппаратуре.

Оксидные конденсаторы используют в качестве диэлектрика тонкую оксидную пленку на поверхности металлов; алюминия, тантала, ниобия. В электролитических конденсаторах сам металл используется как анод, а электролит (корпус) используется в качестве катода.

В диффузионных конденсаторах в качестве диэлектрика служит запорный слой на границе p-n перехода в полупроводнике. В конденсатора на МДП структурах (металл-диэлектрик-полупроводник) в качестве диэлектрика используется слой диоксида кремния, выращенный на поверхности кремниевой пластины. Обкладками служит кремний с одной стороны и тонкая пленка с другой.

Для изготовления измерительных конденсаторов применяется так называемая образцовая конденсаторная слюда марки СО, которая представляет собой мусковит высшего качества и изготовляется в виде пластинок прямоугольной формы. В высокочастотной технике слюдяные конденсаторы применяются в колебательных контурах радиоаппаратуры.