Ausfälle von Hochspannungstanks: Ölchemie und Kondensatorisolierung

Ausfälle von Hochspannungstanks: Ölchemie und Kondensatorisolierung

Abstract

Ein Hochspannungstank für Stromwandler enthält Öl, Epoxidharz, Lötmittel und Keramik in einem geschlossenen System bei Spannungen von 80 kV bis 150 kV. Die Materialien altern nicht von selbst: Öl dringt in das Epoxidharz ein, Säure bildet sich im Öl, und die Feldkonzentration an den Grenzflächen führt zur Entladung. Dieser Artikel beschreibt die Grenzwerte für Permittivität, Quellung und Säurezahl, die die Lebensdauer des Tanks bestimmen, die drei möglichen Ausfallursachen im Feld sowie sechs Konstruktionsmaßnahmen, die eine zehnjährige Betriebsdauer gewährleisten.

1. Einleitung

Ein Hochspannungskessel treibt die Röntgenröhre an. Im Inneren des abgedichteten Gehäuses befinden sich der Hochspannungstransformator und der Gleichrichterdiode Brücke, die Filterkondensatorbank und die Spannungsausgleichswiderstände.

Die meisten Tanks sind mit Mineralöl oder synthetischem Ester imprägniert. Das Öl füllt Hohlräume, erhöht die Durchschlagsfestigkeit und leitet Wärme von den Bauteilen zum Gehäuse ab. Dadurch steht jeder Kondensator dauerhaft in Kontakt mit Öl, Epoxidharz, Dichtungsmassen und Metallelektroden.

Ein Stromwandlertank arbeitet mit gepulsten Spannungen von 80 kV bis 150 kV. Die Feldstärke ist nicht die einzige Belastungsquelle. HVC analysierte zurückgegebene Tanks aus Krankenhausdepots und stellte fest, dass etwa 35 % der Ausfälle auf chemische und physikalische Unverträglichkeiten zwischen dem Öl und dem Kondensatorgehäuse zurückzuführen waren.

Die Schadenspfade sind reproduzierbar. Epoxidharz absorbiert Öl und quillt auf, bis die Elektrodenkante freiliegt. Saure Nebenprodukte im Öl korrodieren die Lötstellen und erhöhen den Kontaktwiderstand. Es bildet sich Oberflächenladung auf dem Kondensatorkörper, die Kriechströme verursacht. Alle drei Schadensursachen werden bei Konstruktionsprüfungen übersehen und treten erst nach drei bis fünf Betriebsjahren auf.

2. Kernmechanismus

2.1 Permittivitätsdifferenz und Feldverteilung

Isolieröl hat eine relative Permittivität von 2.2 bis 2.8. N4700 Dielektrikum der Klasse I Der Wert liegt zwischen 30 und 90. Bei einem so großen Verhältnis wird das Feld an der Öl-Keramik-Grenze gebrochen, und die Randbedingungen bestimmen, wie weit es abgelenkt wird.

E_oil,t = E_ceramic,t

wobei E_Öl,t das Tangentialfeld im Öl und E_Keramik,t das Tangentialfeld in der Keramik ist. Die Normalkomponente unterliegt einer zweiten Bedingung:

ε_oil · E_oil,n = ε_ceramic · E_ceramic,n

wobei ε_Öl und ε_Keramik die relativen Permittivitäten und E_Öl,n und E_Keramik,n die Normalfeldkomponenten in den jeweiligen Materialien sind.

Die Keramikseite weist ein schwächeres Magnetfeld auf, die Ölseite ein stärkeres. Jede Blase, Faser oder jeder Wassertropfen im Öl befindet sich daher in einem verstärkten Feld. An dieser Stelle kann die Ölzersetzungsschwelle überschritten werden, was zu Teilentladungen führen kann. Ölreinheit und Gasgehalt setzen somit die erste Grenze für die Tanklebensdauer.

2.2 Aufquellen und Dichtungsversagen

Epoxid- und Silikonvergussmassen absorbieren Öl, erweichen dadurch und quellen auf. Der Quellungsgrad wird als Massenänderung gemessen:

S = (m_t − m_0) / m_0 × 100%

wobei m_0 die Anfangsmasse des Verkapselungsmaterials und m_t die Masse nach der Eintauchzeit t ist.

Bei einem Tank in medizinischer Qualität sollte der Feuchtigkeitsgehalt (S) nach 1000 Stunden in Öl bei 85 °C bei maximal 1.5 % liegen und die Zugfestigkeit mindestens 80 % betragen. Oberhalb von S = 3 % bilden sich durch die Quellung Mikrorisse. Das Öl gelangt dann an die Grenzfläche zwischen Keramik und Elektrode, die Kapazität sinkt, die Verluste steigen und es kommt zum Durchschlag. Ein Kondensator kann alle elektrischen Trockenprüfungen bestehen und dennoch auf diesem Weg versagen.

2.3 Ölalterung und Säurekorrosion

Hitze, Feld und Sauerstoff oxidieren gemeinsam Isolieröl. Bei der Reaktion entstehen organische Säuren, Aldehyde und leichte Kohlenwasserstoffe. Die Säurezahl gibt Aufschluss über diesen Prozess:

AN = (V_KOH · C_KOH · 56.1) / m_oil

wobei V_KOH das Volumen des Kaliumhydroxid-Titrationsmittels in ml, C_KOH seine Konzentration in mol/l und m_oil die Masse der Ölprobe in g ist.

Oberhalb einer Säurekonzentration (AN) von 0.1 mg KOH/g greifen die Säuren Metallelektroden und Lötstellen an. Der Kontaktwiderstand steigt und die Lötstelle erhitzt sich. Nickel-Chrom-Innenelektroden und eine Antioxidationsbeschichtung verlangsamen diesen Angriff, und Ölfiltration trägt zusätzlich dazu bei.

Abb. 1 — Die Quellung eines medizinischen Verkapselungsmaterials stagniert nach 1000 h in Öl bei 85 °C bei 1.5 %, während bei 3 % Mikrorisse am Elektrodenrand entstehen.

3. Schwachstellen im Engineering

Problem 1: Kompatibilitätsdaten sind kurzfristig und beziehen sich nicht auf die Betriebstemperatur.

Die Auswahl des passenden Kondensators beschränkt sich oft auf die elektrischen Parameter. Lieferanten veröffentlichen Daten zur Tauchfestigkeit, gemessen bei 25 °C, während in einem Tank Temperaturen von 70 °C bis 90 °C herrschen. Aromatengehalt, polare Komponenten und Antioxidationsmittel unterscheiden sich je nach Öl – Mineralöl, synthetischer Ester oder Silikonöl – und jedes dieser Öle beeinflusst das Quellverhalten von Epoxidharz unterschiedlich. Kurzzeitdaten lassen keine Rückschlüsse auf die Dichtigkeit nach 5 bis 10 Jahren zu. Ganze Chargen können dann Öl verlieren oder Risse bekommen, und der OEM trägt die Kosten für die Nachbearbeitung.

Problem 2: Der Ölfluss transportiert Partikel in den Hochfeldbereich

Einige hochwertige Tanks nutzen eine Zwangsumwälzung des Öls zur Kühlung mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 0.5 m/s bis 1.5 m/s. Pumpenverschleiß, Metallkorrosion und abgelöste Epoxidpartikel führen zu einer Anreicherung des Öls mit Feststoffen. Das Magnetfeld polarisiert diese Partikel und zieht sie in den Bereich mit der höchsten Feldstärke, wo sie leitfähige Brücken bilden und den effektiven Isolationspfad verkürzen.

Testergebnisse legen die Grenze bei einer Partikelkonzentration von 100 mg/L und einer Partikelgröße von 25 µm fest. Oberhalb beider Werte kann die Durchschlagspannung um mehr als 30 % sinken.

Problempunkt 3: Blasenbildung und Teilentladung verstärken sich gegenseitig

Eine Blase im Öl zerfällt bei einer deutlich niedrigeren Spannung, da der Druck in ihr gering ist. Das Paschen-Gesetz verknüpft den Gasdurchschlag mit dem Produkt aus Druck und Luftspalt; daher ist ein kleiner Hohlraum bei niedrigem Druck die schwächste Stelle im Tank. Eine Oberflächenerhebung oder ein Verpackungsfehler konzentriert das Feld zusätzlich und bildet einen stabilen Entladungskanal.

Ein einzelnes Ereignis in der Größenordnung von 10 pC erscheint harmlos. Die Akkumulation über Jahre hinweg führt jedoch zur Verkohlung der Öl-Feststoff-Grenzfläche, bis diese leitfähig wird. Das erste sichtbare Anzeichen ist üblicherweise Bildrauschen; zu diesem Zeitpunkt ist das Wartungsfenster jedoch bereits geschlossen.

4. Entwurfsschritte

Strategie 1: Aufbau einer Datenbank für Öl- und Kapselungsmaterialpaarungen

Testen Sie jedes Verkapselungsmaterial mit jeder Ölfamilie, nicht mit nur einer Ölprobe. Verwenden Sie die Betriebsbedingungen: 90 °C, mindestens 2 kV/mm und Sauerstoff vorhanden. Testen Sie jedes Paar mindestens 2000 Stunden lang. Erfassen Sie Quellungsgrad, Massenänderung, Zugfestigkeit, Durchschlagsfestigkeit und Säurezahl. HVC stellt Kompatibilitätsprüfberichte für N4700-Teile in Mineralöl, synthetischem Ester und Silikonöl bereit, wodurch der Screening-Schritt verkürzt wird.

Strategie 2: Das Feld an der Öl-Keramik-Grenzfläche absenken.

Führen Sie eine Finite-Elemente-Simulation des Tanks durch und messen Sie das Feld an der Keramikgrenzfläche und der Elektrodenkante. Runden Sie die Elektroden ab, bringen Sie halbleitende Beschichtungen an oder geben Sie dem Öl einen Polaritätsverbesserer hinzu. Halten Sie das maximale Grenzflächenfeld unter 30 % des Öldurchschlagsfeldes. Der Konzentrationsfaktor ergibt sich wie folgt:

E_max / E_avg = k_geometry · k_material

Dabei ist k_geometrie der Geometriekoeffizient der Elektrode und k_material der Permittivitätsanpassungskoeffizient. Das Produkt sollte 1.5 oder kleiner sein.

Strategie 3: Ölbeständiges Epoxidharz und korrosionsbeständige Elektroden wählen

Verwenden Sie ein Epoxidharz mit hoher Vernetzungsdichte und geringer Ölaufnahme und härten Sie es vollständig aus, sodass keine Lösungsmittelreste zurückbleiben. Palladium-Silber- oder Nickel-Chrom-Innenelektroden sind säurebeständig, und eine mehrlagige Nickelbarriere mit oxidationshemmender Zinnbeschichtung schützt die Anschlüsse. Die HVC N4700-Serie verwendet ölbeständiges Epoxidharz in medizinischer Qualität und dieses Anschlusssystem. Nach 3000 Stunden in synthetischem Ester bei 85 °C bleibt die Kapazitätsdrift unter ±0.5 % und die Änderung des effektiven Differenzdrucks (DF_eff) unter ±0.02 %.

Strategie 4: Das Öl filtern und seine chemische Zusammensetzung überwachen

Installieren Sie einen Filter mit einer Porengröße von 10 µm oder feiner im Ölkreislauf und ergänzen Sie diesen um einen Online-Partikelzähler. Überprüfen Sie regelmäßig Feuchtigkeit, Säurezahl und Verlustfaktor. Halten Sie die Feuchtigkeit unter 20 ppm, die Säurezahl unter 0.05 mg KOH/g und den Verlustfaktor (tanδ) unter 0.5 % bei 90 °C. Eine solche zustandsorientierte Wartung reduziert ungeplante Tankstillstandszeiten um mehr als 40 %.

Strategie 5: Vakuumfüllen und Entgasen vor dem Verschließen

Vor dem Befüllen sowohl den Hohlraum als auch das Öl entgasen. Das Vakuum unter 10 Pa senken und mindestens 2 Stunden halten, um gelöste Gase und Feuchtigkeit zu entfernen. Nach dem Befüllen die Dichtheit mittels Helium-Massenspektrometrie prüfen; die Leckrate muss unter 1 × 10⁻⁶ Pa·m³/s liegen. Ein geringer Gasgehalt ist die Grundvoraussetzung für die Unterdrückung von Entladungen und Blasenzerfall.

Strategie 6: Qualifizierung mit einem Alterungstest in Öl.

Führen Sie die Qualifizierung des fertigen Kondensators in Öl bei 90 °C und der 1.2-fachen Nennwechselspannung über 1000 Stunden durch. Messen Sie alle 100 Stunden die Kapazität, den effektiven Entladungsfaktor (DF_eff) und die Teilentladung (PD). Akzeptiert werden eine Kapazitätsdrift von maximal ±2 %, ein Anstieg des DF_eff von maximal 0.05 % und eine Teilentladung von maximal 5 pC ohne steigenden Trend. Nur Kombinationen, die diesen Test bestehen, erreichen eine geplante Lebensdauer von mehr als 10 Jahren.

Komponentenparameter	Typischer Wert	Testbedingung
Nennspannung (HVCT8G-Serie)	10 kV DC	Hi-Pot 1.5× für 60 s
Kapazität	4700 pF ±20% (472M)	1 MHz, 1 V<sub>eff</sub>
ESR bei 1 MHz	unter 50 mΩ	-
Schleifeninduktivität (E40-Sehne)	unter 8 nH	40 mm Anschlussabstand
Isolationswiderstand	über 10 GΩ bei 500 V Gleichstrom	25 °C, 60 % relative Luftfeuchtigkeit
Temperaturbereich	−40 °C bis +125 °C	IEC 60068-2-Reihe
Impuls-dv/dt-Fähigkeit	über 50 kV/µs	bei Nennspannung

5. HVC-Kondensatoren für ölgekühlte Stromwandlertanks

Ein Tank, der 10 Jahre lang in Betrieb ist, hält sein Öl sauber und seine Schnittstellen trocken. Beides hängt von der Kondensatorgehäusekonstruktion ab. HVC fertigt N4700-Bauteile der Klasse I für den Ölimmersionsbetrieb in einem 6,000 m² großen, firmeneigenen Werk in Dongguan für einen Spannungsbereich von 1 kV bis 150 kV.

Sechs Parameter, die hier von Bedeutung sind

• Quellung bei oder unter 1.5 %. Medizinisches Epoxidharz mit niedriger Polarität behält seine Masse und Zugfestigkeit nach 1000 Stunden in Öl bei 85 °C, sodass die Abdichtung geschlossen bleibt.
• Teilentladungen bei oder unter 5 pC. Präzise Elektrodenformung und Grenzflächenfeldgestaltung halten den Entladungspegel bei Ölimmersion niedrig, was die Alterung an der Öl-Feststoff-Grenzfläche verlangsamt.
• DF_eff unter 0.05 %. Geringe dielektrische Verluste halten den Tank kühl, und ein Temperaturkoeffizient innerhalb von ±30 ppm/°C sorgt für ein stabiles Filter- und Lagerverhalten.
• Korrosionsbeständige Metallisierung. Nickel-Chrom-Innenelektroden und mehrlagige Antioxidation-Anschlüsse gewährleisten Lötzuverlässigkeit und niedrigen Kontaktwiderstand in gealtertem Öl.
• Verpackung für den Hohlraum. Radial, axial, doorknob Kondensatoren und modulare Formen passen zur Tankaufteilung, und HVRGHP-Abtastwiderstände und HVR-BSP Bemessung von Widerständen Vervollständigen Sie das Ausgleichsnetzwerk.
• Vergleichen Sie mit erstklassigen Marken. HVC-Teile entsprechen den elektrischen Parametern und Zuverlässigkeitsindikatoren von Murata, Vishay und TDK Hochspannungsserien, die in CT- und DSA-Systemen für Fortune-500-Medizintechnikunternehmen eingesetzt werden.

Lieferung und Support

Standardteile werden innerhalb von 4–8 Wochen und Ölimmersionssets innerhalb von 6–10 Wochen geliefert, im Vergleich zu den üblichen 20–30 Wochen bei den oben genannten Marken. Die Anwendungstechnik von HVC unterstützt Öl-Material-Paarungstests, Grenzflächenfeldsimulationen, die Überprüfung des Vakuumfüllprozesses und die Entwicklung von Alterungstests.

Bitte senden Sie uns die Ölsorte, die Tanktemperatur, die kV-Nennspannung und die Zeichnung des Hohlraums. HVC sendet Ihnen innerhalb von fünf Werktagen ein Datenblatt zur Kondensatorauswahl mit Teilenummern, Informationen zur Ölverträglichkeit und ein Evaluierungsset mit zwei Proben.

6. Häufig gestellte Fragen

Frage 1: Warum greift Isolieröl einen Kondensator an?

Öl wirkt als Lösungsmittel für die polaren Gruppen in einem Epoxidnetzwerk. Es dringt in das Polymer ein, erhöht dessen Masse und verringert die Vernetzungsdichte, wodurch das Material aufquillt und seine Zugfestigkeit sinkt. Bei einer Quellung von über 3 % entstehen Mikrorisse, und das Öl gelangt zur Grenzfläche zwischen Keramik und Elektrode. Ab diesem Punkt driftet die Kapazität, und die Verluste steigen. Ein niedrigpolares, hochvernetztes Epoxidharz hält die Quellung nach 1000 Stunden bei 85 °C bei maximal 1.5 % und gewährleistet eine dichte Grenzfläche.

Frage 2: Welchen Quellgrenzwert sollte das Verkapselungsmaterial einhalten?

Der Feuchtigkeitsgehalt (S) sollte nach 1000 Stunden in Öl bei 85 °C bei maximal 1.5 % liegen, wobei die Zugfestigkeit mindestens 80 % betragen muss. Die Prüfung sollte bei der Betriebstemperatur und nicht bei 25 °C erfolgen, da sich die Ölaufnahme mit jedem Temperaturanstieg von 10 bis 15 °C etwa verdoppelt. Oberhalb eines Feuchtigkeitsgehalts von 3 % führt die Volumenänderung des Epoxidharzes zur Bildung von Mikrorissen, wodurch die Dichtungswirkung verloren geht. Die Masse vor und nach dem Eintauchen ist am fertigen Bauteil und nicht an einem unbeschichteten Epoxidharz-Probenstück zu messen.

Frage 3: Wann wird die Alterung von Öl zu einem Problem?

Sobald die Säurezahl 0.1 mg KOH/g überschreitet, greifen die Säuren Lötstellen und Metallelektroden an, der Kontaktwiderstand steigt und die Lötstelle erhitzt sich. Halten Sie die Säurezahl unter 0.05 mg KOH/g, die Feuchtigkeit unter 20 ppm und den Verlustfaktor (tanδ) unter 0.5 % bei 90 °C. Nickel-Chrom-Innenelektroden und eine Antioxidationsbeschichtung an den Enden verlangsamen den Angriff, und ein 10-µm-Ölfilter entfernt die säurehaltigen Partikel.

Frage 4: Wie kann ich verhindern, dass Partikel ins Öl gelangen?

Verwenden Sie einen Filter mit einer Porengröße von 10 µm oder feiner und einen Online-Partikelzähler. Halten Sie die Partikelkonzentration unter 100 mg/L und die Partikelgröße unter 25 µm. In beiden Fällen polarisiert das Magnetfeld die Partikel und zieht sie in den Bereich mit der höchsten Partikelstärke, wo sie leitfähige Brücken bilden und die effektive Isolationslänge verringern. In diesem Zustand kann die Durchschlagspannung um mehr als 30 % sinken.

Frage 5: Was bewirkt das Vakuumfüllen?

Es entfernt gelöstes Gas und Feuchtigkeit aus dem Öl und dem Hohlraum. Senken Sie den Druck unter 10 Pa und halten Sie ihn mindestens 2 Stunden lang. Anschließend befüllen Sie den Behälter und führen eine Dichtheitsprüfung mit Helium bei einer Durchflussrate unter 1 × 10⁻⁶ Pa·m³/s durch. Im Behälter verbleibendes Gas bildet Blasen, die bei einer deutlich niedrigeren Spannung als das Öl selbst platzen. Ein niedriger Gasgehalt ist die Grundvoraussetzung dafür, dass die Teilentladungsrate (TE) über die gesamte Lebensdauer bei oder unter 5 pC liegt.

Frage 6: Wie qualifiziere ich einen ölgekühlten Kondensator?

Führen Sie am fertigen Bauteil einen Alterungstest in Öl durch: 90 °C, 1.2-fache Nennwechselspannung, 1000 Stunden. Kapazität, DF_eff und PD werden alle 100 Stunden gemessen. Eine Kapazitätsdrift von maximal ±2 %, ein Anstieg von DF_eff von maximal 0.05 % und eine PD von maximal 5 pC ohne steigenden Trend sind zulässig. Ein Test unter Trockenbedingungen ersetzt diesen Schritt nicht, da Öl und Epoxidharz nur bei Temperatur und Anwesenheit beider Komponenten miteinander reagieren.

7. Referenzen

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2. IEC 60601-2-54, Medizinische elektrische Geräte – Teil 2-54: Besondere Anforderungen an die grundlegende Sicherheit und die wesentlichen Leistungsmerkmale von Röntgengeräten für Radiographie und RadioskopieGenf: IEC, 2018.
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5. Erickson, RW, und Maksimović, D., Grundlagen der Leistungselektronik, 3. Aufl. Cham: Springer, 2020.
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9. GB/T 6346.1-2024, 电子设备用固定电容器 第1部分:总规范 (Festkondensatoren zur Verwendung in elektronischen Geräten – Teil 1: Fachgrundspezifikation). Peking: 国家市场监督管理总局, 2024.
10. IEC 61071:2017, Kondensatoren für Leistungselektronik, Ed. 2.0. Genf: Internationale Elektrotechnische Kommission, 2017.
11. HVC-Anwendungsentwicklungsteam Hochspannungs-Keramikkondensator Technische Ressourcen, https://www.hv-caps.com