4,000 m Höhe: Teilentladungen in Hochspannungskondensatoren

4,000 m Höhe: Teilentladungen in Hochspannungskondensatoren

Abstract

Krankenhäuser auf dem Qinghai-Tibet-Plateau, in den Anden und in den Alpen betreiben CT-Scanner in Höhen über 4,000 m. Die dünne Luft reduziert die Durchschlagsfeldstärke um etwa 40 %, sodass Luftspalte auf Kondensatoroberflächen, zwischen Anschlüssen und im Inneren des Gehäuses bereits bei Spannungen entladen, die auf Meereshöhe auftreten. Dieser Artikel beschreibt die Druckverhältnisse, die Höhenkorrekturfaktoren sowie die Beschichtungs-, Verguss- und Niederdruckprüfverfahren, die die Teilentladung unter 5 pC halten.

1. Einleitung

Auf dem Qinghai-Tibet-Plateau, in den Anden und in den Alpen sind Krankenhäuser, Grenzübergänge und mobile medizinische Einheiten in Höhenlagen über 4,000 m in Betrieb. Die Luft ist dort dünn, die Temperaturunterschiede zwischen Tag und Nacht sind groß und die ultraviolette Strahlung ist stark.

Stromwandlergeneratoren enthalten Keramikkondensatoren, Transformatoröl und Kabelanschlüsse unter Hochspannung. Alle drei sind bei niedrigem Druck anfälliger für Teilentladungen, die zu Isolationsschäden und Geräteausfällen führen.

Teilentladungen sind nicht durchdringende Entladungen. Sie entstehen, sobald die lokale elektrische Feldstärke die Durchschlagsfestigkeit des Mediums überschreitet. Auf Meereshöhe beträgt die Feldstärke in Luft etwa 30 kV/cm. In 4,000 m Höhe liegt der Druck bei etwa 61.6 kPa, und die gleiche Feldstärke beträgt etwa 18 kV/cm.

Der Keramikkörper selbst ist unempfindlich gegenüber Druck. Luftspalte an der Oberfläche, zwischen den Zuleitungen, in Mikrorissen und um die Befestigungselemente herum hingegen schon. Dieser Artikel beschreibt die Korrekturfaktoren sowie die Konstruktions- und Testschritte für Plateau-CT-Generatoren.

2. Kernmechanismus

2.1 Paschen-Gesetz und druckabhängiger Zusammenbruch

Die Gasdurchschlagspannung hängt vom Produkt aus Druck p und Elektrodenabstand d ab:

V_breakdown = f(p · d)

wobei V_breakdown die Durchbruchspannung und f die Paschen-Kurve für das Gas ist.

Die Kurve weist bei sehr hohen und sehr niedrigen pd-Werten einen hohen Wert auf und erreicht dazwischen ein Minimum. Bei festem Luftspalt bedeutet ein geringerer Druck eine niedrigere Durchschlagspannung. Im technischen Bereich ist die Durchschlagsfeldstärke direkt proportional zum Druck.

E_breakdown(p) ≈ E_breakdown0 · (p / p0)

wobei E_breakdown0 das Feld beim Referenzdruck p0 = 101.3 kPa ist.

In 4,000 m Höhe beträgt der Druck etwa 61.6 kPa, wodurch die Feldstärke von 30 kV/cm auf 18.2 kV/cm abfällt. Derselbe Elektrodenabstand hält dann etwa 40 % weniger Spannung stand.

2.2 Oberflächenentladung und Überschlag

Auf Kondensatoroberflächen sammeln sich Luftspalte, Ölfilm, Kondenswasser und Staub. Bei niedrigem Druck überschreitet das Feld innerhalb dieser Defekte den Durchschlagswiderstand von Luft, und es kommt zu Oberflächenentladungen. Verläuft der Kanal entlang der Oberfläche, entsteht ein Überschlag.

Die Überschlagsspannung liegt deutlich unterhalb der reinen Luftspalt-Durchschlagsspannung. Die Keramik-Luft-Grenzfläche verzerrt das Magnetfeld, und die Entladungsprodukte Ozon und Stickoxide verringern den Oberflächenwiderstand.

V_flash ∝ L_creep · (p / p0)^m

wobei V_flash die Überschlagsspannung, L_creep die Kriechstrecke und m ein Exponent zwischen 0.5 und 0.8 ist, der von der Oberflächenbeschaffenheit und der Verschmutzung abhängt.

Da m unter 1 liegt, führt eine Verdopplung der Kriechstrecke zu einer geringeren Erhöhung der Überschlagsspannung als deren Verdopplung. Der Platzbedarf ist bei einer Plateau-Konstruktion dennoch gerechtfertigt.

2.3 Interne Hohlräume und Alterung der Verkapselung

Mikrobläschen, Delaminationen und Mikrorisse im Epoxidharz halten das Gas bei nahezu Umgebungsdruck. Ein Hohlraum, der auf Meereshöhe ruhig bleibt, kann sich in 4,000 m Tiefe entladen, da das Gas im Inneren seinen Druck beibehält, während die Außenluft dünner wird.

Anhaltende Entladungen erodieren das Epoxidharz und die Keramikoberfläche und bilden karbonisierte Kanäle. Diese Kanäle führen schließlich zum Durchschlag. Veröffentlichte Daten zeigen, dass die Teilentladungs-Einsatzspannung von herkömmlichen Keramikkondensatoren in 4,000 m Höhe um 25–45 % niedriger ist als auf Meereshöhe.

2.4 Wärme-, Feuchtigkeits- und UV-Belastung

Auf Hochebenen schwanken die Temperaturen zwischen Tag und Nacht um 20–30 °C. Nächtliche Kondensation bildet einen Wasserfilm auf der Oberfläche, wodurch der Oberflächenwiderstand und die Überschlagsspannung sinken. Tagsüber lässt ultraviolette Strahlung die organische Beschichtung altern und öffnet Mikrorisse.

Niedriger Druck, große Temperaturschwankungen und starke UV-Strahlung machen das Plateau zur schwierigsten Anwendung für Hochspannungsisolierung in der medizinischen Bildgebung.

2.5 Höhenkorrektur für Werkstests

Die PD-Normen auf Meereshöhe verwenden 101.3 kPa, 20 °C und 45 % relative Luftfeuchtigkeit als Basiswerte. Bei Betrieb auf einem Plateau ist eine Korrektur der Prüfspannung erforderlich:

K_a = (p0 / p)^α

wobei K_a der Höhenfaktor, p der Standortdruck und α ein empirischer Exponent zwischen 0.5 und 0.7 ist.

Bei 4,000 m und α = 0.6 ergibt sich ein Faktor von 1.30. Die Werksfestigkeitsprüfungen werden dann mit dem 1.3-Fachen der Spannung auf Meereshöhe durchgeführt, während die PD-Schwelle bei PD ≤ 5 pC bleibt.

Abb. 1 — Höhenkette von 61.6 kPa durch ein um 40 % niedrigeres Durchschlagsfeld bis hin zu wiederholten Bauteilausfällen.

3. Schwachstellen im Engineering

Problempunkt 1: PD-Daten auf Meereshöhe decken kein Plateau ab

Die Bauteile erfüllen die Anforderungen an Teilentladungen (TE) ≤ 5 pC bei 0.8-facher Nennspannung in einem Labor auf Meereshöhe, bei Raumtemperatur und niedriger Luftfeuchtigkeit. Im Betrieb in 4,000 m Höhe verursachen sie Entladungsrauschen und Bildartefakte.

Standardmäßige Teilentladungsprüfungen bilden weder den niedrigen Druck noch die tageszeitlichen Temperaturschwankungen ab. Mikro-Luftspaltentladungen bleiben daher während des gesamten Qualifizierungsprozesses unentdeckt.

Problem 2: Kriechdistanz, die von einer Zeichnung auf Meereshöhe übernommen wurde

Kompakte Generatoren reduzieren Bauteilabstände und Kriechstrecken, um Platz zu sparen. Das ist auf Meereshöhe unproblematisch. In der Höhe überschlagen sich die kurzen Wege.

In einem Krankenhaus auf einem Plateau hinterließ der Computertomograph nach zweijährigem Betrieb Spuren von Kohlenstoffablagerungen an mehreren Kondensatoranschlüssen. Die Kriechstrecke war für Meereshöhe ausgelegt, und die Oberflächenpfade wurden nie bei 60 kPa überprüft.

Problempunkt 3: Ersatzteile für Reparaturen auf Meereshöhe versagen erneut

Manche Reparaturen verwenden dieselben Teilenummern wie bei Modellen für Meereshöhe, ohne Berücksichtigung des Standorts. Die neuen Teile funktionieren in den ersten Monaten einwandfrei.

Innerhalb von ein bis zwei Jahren überschreitet die Abflussmenge erneut die Grenzwerte, und die Anlage weist denselben Fehler wieder auf. Jeder Zyklus erfordert einen Serviceeinsatz und die Demontage des Tanks.

4. Entwurfsschritte

Strategie 1: Korrekte Spannungsfestigkeit und Kriechstrecke für die Höhe

Die Norm IEC 60664-1 berücksichtigt bei der Berechnung von Luft- und Kriechstrecken einen Höhenfaktor. Bei einer Höhe von 4,000 m ist die Prüfspannung um 25–30 % und die Kriechstrecke um 30–40 % zu erhöhen.

Die Zielhöhe sollte bereits in der Entwurfsphase auf der ersten Zeichnung festgelegt werden. Bei einem nach den universellen Meereshöhenregeln entworfenen Generator ist nachträglich keine Korrektur mehr möglich.

Strategie 2: Teilentladungsprüfung und Beständigkeitsprüfung in einer Niederdruckkammer

Führen Sie Teilentladungs- und Wechselstromfestigkeitsprüfungen an den Kondensatoren und dem montierten Hochspannungstank in einer auf die Zielhöhe eingestellten Druckkammer durch. Die Betriebsbedingungen sind 60 kPa, 25 °C und 50 % relative Luftfeuchtigkeit.

Halten Sie den PD-Grenzwert bei 5 pC und skalieren Sie die Prüfspannung mit dem korrigierten Spannungsfestigkeitswert. Führen Sie die Prüfung bei Kammerdruck mindestens über die gesamte Haltezeit durch, damit sich das Gas in allen Hohlräumen im Gleichgewicht befindet.

Strategie 3: Die Oberfläche schützen und hydrophob machen

Beschichten Sie die Keramikoberfläche und die Zuleitungen mit Silikonkautschuk, Parylen oder einem Fluorkohlenstofffilm. Die Beschichtung füllt Mikrospalten, erhöht den Oberflächenwiderstand und verhindert Kondenswasserbildung.

Durch eine hydrophobe Behandlung wird die Überschlagsspannung um 20–40 % erhöht und dieser Gewinn bleibt während des gesamten nächtlichen Kondensationszyklus erhalten.

Strategie 4: Innere Hohlräume durch Vakuumimprägnierung beseitigen

Verwenden Sie Vakuumdruckimprägnierung oder Vakuumverguss, damit das Epoxidharz keine Blasen enthält. Kontrollieren Sie das Aushärtungsprofil, um Schrumpfrisse im Vergussmaterial zu vermeiden.

Die HVC-Plateaubauteile werden einer Vakuum-Entgasung und einer stufenweisen Aushärtung unterzogen, die den Anteil innerer Poren unter 0.1 % hält.

Strategie 5: Verlängerung des Oberflächenwegs durch Barrieren

Um die Hochspannungsleitungen und Endelektroden herum sollten Isolationsbarrieren angebracht werden. Tiefnutkörper erfüllen im Inneren des Bauteils dieselbe Funktion.

Eine Barriere teilt einen langen Lichtbogen in mehrere kurze Lücken auf, und jede Lücke benötigt ein eigenes Zündfeld. Die Überschlagsspannung steigt mit der Anzahl der Lücken.

Strategie 6: Protokollierung der Plateau-Betriebsdaten

Führen Sie regelmäßig PD-Prüfungen und Öltests an jedem CT durch, der über 4,000 m eingesetzt wird. Speichern Sie die Höhe, die Tanktemperatur, die Luftfeuchtigkeit, die Betriebsjahre und den PD-Wert in einer Tabelle.

Diese Aufzeichnungen machen aus einem Baustellenausfall eine Designvorgabe für den nächsten Bau.

Komponentenparameter	Typischer Wert	Testbedingung
Nennleistung (HVR-Serie)	50 W bei 70 °C	Aluminiumgehäuse, Freiluft
Widerstandswert	10 kΩ ±5 %	25 °C Referenztemperatur
Betriebsspannung	10 kV AC/DC	kontinuierlich
Impulsbeständigkeit	30 kV bei 10 µs	10 Impulse, IEC 60110 Klasse
Temperaturkoeffizient (ohmscher Widerstand)	±50 ppm/°C	−55 °C bis +155 °C
Isolationswiderstand	über 1 GΩ bei 1000 V Gleichstrom	Mindestkriechstrecke 25 mm
Stoßstromfestigkeit	100 A bei 1 ms	nicht-induktiver Draht

5. HVC-Kondensatoren für Plateau-CT-Generatoren

Die Plateau-Technologie stellt zwei Anforderungen an einen Kondensator: Oberflächenpfade, die einen Druck von 60 kPa aushalten, und eine luftdichte Verkapselung. HVC fertigt Plateau-Bauteile für beide Anforderungen 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

• Validierung der Teilentladung bei niedrigem Druck. Die Teilentladung wird in einer 60 kPa Kammer gemessen und bleibt bei 0.8-facher Nennspannung bei oder unter 5 pC, gegenüber einem Referenzwert von 101.3 kPa auf Meereshöhe.
• Körper, die für Höhenlagen geschaffen sind. HVCT8G und HVCT9G Die Gehäuse verfügen über eine verlängerte Kriechstrecke mit mehr als 30 % längeren Oberflächenpfaden als Standardbauteile.
• Porenanteil unter 0.1 %. Vakuumdruckimprägnierung und eine stufenweise Aushärtung beseitigen die internen Gaslücken, die sich zuerst in der Höhe entladen.
• N4700 Dielektrikum der Klasse I. N4700 Keramik-Scheibenkondensatoren Sie behalten ihren Wert über einen Tag-Nacht-Temperaturunterschied von 20–30 °C hinweg, mit einem effektiven DF unter 0.2 %.
• Verbundoberflächenbeschichtung. Eine Parylen- und Silikonschicht erhöht den Oberflächenwiderstand und verhindert die Bildung von nächtlichem Kondenswasserfilm.
• Angepasste Widerstände und Dioden. HVR-BSP Dickschichtwiderstände Für die Trenn- und Dämpfungspositionen sind ein erweiterter Leitungsabstand und die gleiche Niederdruckvalidierung verfügbar.

Lieferung und Support

Standardteile werden innerhalb von 4–8 Wochen geliefert, Plateau-Sets mit Beschichtung und verlängerter Kriechstrecke innerhalb von 6–10 Wochen, im Vergleich zu den üblichen 20–30 Wochen bei den oben genannten Marken. Die Anwendungstechnik von HVC unterstützt die Höhenanpassung, die Überprüfung der Kriechstrecke und die Planung von Niederdrucktests.

Senden Sie die Zielhöhe, die Schienenspannung, die Kriechstromzeichnung und den TE-Grenzwert. HVC sendet Ihnen innerhalb von fünf Werktagen ein entsprechendes Datenblatt mit Teilenummern, Niederdruck-TE-Protokollen und einem Prüfset mit zwei Proben. Gleichrichterdioden und HVRGHP-Abtastwiderstände stammen aus derselben Fabrik.

Daten abgleichen mit Murata Die UHV-Serien DHS/DHR und TDK sind auf Anfrage erhältlich.

6. Häufig gestellte Fragen

Frage 1: Warum entladen sich Keramikkondensatoren in der Höhe?

Weil die Luft um sie herum dünner wird. In 4,000 m Höhe beträgt der Druck etwa 61.6 kPa, und die Durchschlagsfeldstärke der Luft sinkt von 30 kV/cm auf 18.2 kV/cm, also um etwa 40 %. Luftspalte an der Oberfläche, zwischen den Anschlüssen und innerhalb der Verkapselung leiten dann ihre Einschlussfeldstärke bei Spannungen, die auf Meereshöhe noch sicher waren.

Frage 2: Um wie viel muss sich die Spannungsfestigkeit bei 4,000 m ändern?

Die Werksspannungsfestigkeit wird um etwa 25–30 % erhöht, und der Faktor wird mit K_a = (p0 / p)^α bestimmt. Bei 4,000 m und α = 0.6 beträgt der Faktor 1.30, sodass der Test mit dem 1.3-Fachen des Wertes auf Meereshöhe durchgeführt wird. Die Teilentladungsschwelle bleibt bei 5 pC, wodurch die Sicherheitsmarge derjenigen auf Meereshöhe entspricht.

Frage 3: Welche Kriechstrecke muss bei einer Plateaukonstruktion eingehalten werden?

Addieren Sie 30–40 % über die Zeichnung auf Meereshöhe hinzu, gemäß dem Höhenfaktor in IEC 60664-1. Beachten Sie, dass die Überschlagsspannung über den Druckterm dem L_creep hoch einem Exponenten unter 1 folgt, sodass der Gewinn durch die zusätzliche Entfernung zwar real, aber nicht proportional ist.

Frage 4: Lohnt sich der Aufwand für eine Oberflächenbeschichtung?

Ja. Silikon-, Parylen- und Fluorkohlenstoffschichten füllen die Mikrospalte auf der Keramik und den Zuleitungen, erhöhen den Oberflächenwiderstand und verhindern Kondenswasserbildung. Die gemessene Überschlagsspannung steigt um 20–40 %, und die Beschichtung hält die Oberfläche auch während der nächtlichen Phase des Plateauzyklus trocken.

Frage 5: Kann ich ein Bauteil, das für den Einsatz auf Meereshöhe konzipiert ist, durch einen Test in 4,000 m Höhe qualifizieren?

Testen Sie es unter Druckbedingungen, nicht in der Höhe. Eine Vakuumkammer mit 60 kPa simuliert die Bedingungen in 4,000 m Höhe bei konstanten 25 °C und 50 % relativer Luftfeuchtigkeit, und das Ergebnis ist reproduzierbar. Ein Feldversuch auf einem Plateau kann den Druckeffekt nicht von den Einflüssen von Hitze, Feuchtigkeit und UV-Strahlung trennen.

Frage 6: Wie kann ich wiederholte Ausfälle am selben Standort verhindern?

Tauschen Sie das Bauteil aus, nicht nur die Teilenummer. Ein als Ersatzteil eingebauter Kondensator auf Meereshöhe weist dieselben Luftspalte und dieselbe kurze Kriechstrecke auf und fällt daher innerhalb von ein bis zwei Jahren erneut aus. Verwenden Sie stattdessen ein Bauteil mit Plateau-Technologie, das über Niederdruck-Teilentladungsdaten, einen Hohlraumanteil unter 0.1 % und 30 % mehr Kriechstrecke verfügt. Dokumentieren Sie anschließend die Messdaten vor Ort.

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.
3. IEC 60384-8, Festkondensatoren für elektronische Geräte – Teil 8: Festkondensatoren mit keramischem Dielektrikum, Klasse 1Genf: IEC, 2015.
4. IEC 60270, Hochspannungsprüfverfahren — TeilentladungsmessungenGenf: IEC, 2015.
5. Erickson, RW, und Maksimović, D., Grundlagen der Leistungselektronik, 3. Aufl. Cham: Springer, 2020.
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8. Technische Hinweise zu Kondensatordesign und Zuverlässigkeit (Index inkl. Lichtbogensaison, Koronaeffekte und Einfluss des Leiterplattenlayouts auf Hochspannungsausfälle), Johanson Dielectrics, Inc., https://www.johansondielectrics.com/tech-notes/capacitors-all/ .
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11. HVC-Anwendungsentwicklungsteam Hochspannungs-Keramikkondensator Technische Ressourcen, https://www.hv-caps.com