10.2. Изоляция конденсаторов

Изоляция конденсаторов характеризуется следующими параметрами:

- электрической прочностью, определяемой пробивной напряженностью , кВ/мм;

- диэлектрической проницаемостью , Ф/м;

- потерями на рабочей частоте конденсатора, определяемыми .

Частота колебательных импульсов, при которых работает изоляция импульсных конденсаторов находится в диапазоне 10⁴ - 10⁷ Гц.

Рассмотрим характеристики изоляционных материалов. Наиболее широко применяется изоляционная конденсаторная бумага типа КОН. Ее толщина составляет 5 ‑ 30 мкм. Бумага является полярным диэлектриком, и ее относительная диэлектрическая проницаемость зависит от частоты. Конденсаторная бумага пропитывается изоляционными маслами, имеющими следующие значения относительной диэлектрической проницаемости на частоте 10⁴ Гц: совол - касторовое масло - конденсаторное масло - Величина диэлектрической проницаемости масел зависит от частоты. Зависимости пропиточных сред от частоты приведены на рис. 10.1А. С ростом частоты диэлектрическая проницаемость масел падает.

Рис. 10.1. А- частотные зависимости масел, применяемых для пропитки бумажной изоляции конденсаторов. Б - Зависимости диэлектрических потерь в маслах от частоты.

Диэлектрические потери в маслах с ростом частоты увеличиваются. Зависимость от частоты приведена на рис. 10.1Б.

В отношении масел можно отметить, что с ростом частоты менее всего меняет свою относительную диэлектрическую проницаемость конденсаторное масло: =3,5‑3,2 (при изменении частоты от 10⁵ до 10⁷); у совола в этом интервале частот уменьшается почти в 2 раза. Заметим, что и потери в конденсаторном масле, обуславливающие разогрев диэлектрика, с ростом частоты минимальны.

Касторовое масло и совол применяют в импульсных конденсаторах, работающих практически в однократных режимах, со скважностью Q>10⁵ (Q = , где Т – период следования импульсов, - длительность импульса), в противном случае начинается перегрев конденсатора.

Пробивная напряженность конденсаторной бумаги, пропитанной маслом, составляет E_пр 250 кВ/мм. Рабочая напряженность для конденсаторов большого ресурса принимается равной E_p 60 кВ/мм. В тех случаях, когда необходима высокая удельная энергоемкость, при этом с ресурсом не считаются, рабочая напряженность может выбираться до 120 кВ/мм. Ресурс таких конденсаторов мал и не превышает 10⁴ импульсов, что указывается в паспорте конденсатора.

В настоящее время в качестве изоляции между обкладок импульсных конденсаторов применяют лавсановые пленки (майлар). Ее сравнительные характеристики на частоте 10⁴ Гц:  3, tg 0.003, т.е. потери почти в 10 раз меньше чем у бумажно-масляной изоляции. С ростом частоты у майлара  ‑ сильно падает и tg - возрастает. Но ее прочность достигает E_пр=500 кВ/мм, а рабочая температура‑ до 130⁰ С. Поэтому удельная энергоемкость конденсаторов с майлоровой изоляцией может быть повышена почти вдвое, а рабочая температура повышена, т. е. может быть увеличена частота циклов заряд ‑ разряд.

В конденсаторах, где требуется низкие потери, применяют неполярные диэлектрики. Это позволяет их эксплуатацию на частотах 10⁶ Гц и выше. К синтетическим неполярным диэлектрикам относятся полиэтилены и фторопласты. Их диэлектрическая проницаемость мала и не превышает и конденсаторы имеют низкую удельную энергоемкость, но при этом при f > 10⁶ Гц tg = 0.0001 - ­0.0003, а Е_пр - до 400кВ/мм.

Для того, чтобы исключить в конденсаторах на основе указанных синтетических пленок газовых пузырьков, в которых возникают частичные разряды (о них – ниже отдельная лекция), их также пропитывают конденсаторным маслом, собственные параметры которого рассмотрены ранее. Электрическая прочность такой комбинированной изоляции может достигать до 300 кВ/мм.

Наиболее стойкой к частичным разрядам являются комбинированная изоляция ‑ бумага ‑ пленка ‑ масло. Это также наиболее хорошая комбинация по потерям и объемному сопротивлению. При сборках и пропитке конденсаторов, бумага, которая хорошо впитывает масло, обеспечивает равномерную пропитку. Пропитка производится под вакуумом, при этом в слоистой изоляции не остается газовых пузырьков. Размещение бумаги и синтетической пленки между обкладками конденсатора показано на рис. 10.2.

Рис. 10.2. Комбинированная бумажно-пленочная изоляция с масляной пропиткой.

Изоляционная конденсаторная бумага всегда укладывается между обкладками конденсатора в несколько слоев. При ее производстве в ней могут быть микроотверстия, которые перекрываются при многослойной укладке и этим обеспечивается высокая прочность изоляции.