Ölgetränkte CT-Tanks: N4700-Scheiben vs. Ölabsorption

Ölgetränkte CT-Tanks: N4700-Scheiben vs. Ölabsorption

Abstract

In Computertomographie- und industriellen Röntgenkammern befindet sich die Hochspannungsstufe unter Isolieröl, das eine Feldstärke von über 15 kV/mm aushält und die Wärme von den Bauteilen abführt. Das Öl dringt auch in das Kondensatorgehäuse ein, und dort beginnen die meisten Langzeitausfälle. Dieser Artikel beschreibt die Absorptions-, Feld- und Weibull-Beziehungen, die Prüfverfahren sowie die Kondensatorparameter, die den Abfall der Durchschlagsfestigkeit verlangsamen.

1. Einleitung

Computertomographen, Röntgengeräte und industrielle Fehlerdetektoren platzieren die Hochspannungsstufe häufig in einem Öltank. Transformatoren, Multiplikatorketten, Filterkondensatoren und Abtastwiderstände befinden sich unter Mineralöl oder synthetischem Ester. Isolieröl hält Spannungen von über 15 kV/mm stand, wodurch der Spalt kleiner wird, und seine Wärmeleitfähigkeit leitet die Wärme von den Bauteilen ab.

Hochspannungs-Scheibenkondensatoren zeichnen sich durch hohe Spannungsfestigkeit bei geringen Verlusten, kleinem Gehäuse und moderaten Kosten aus. Sie sind die gängige Wahl für Filterung und Energiespeicherung in Tanks dieser Art.

Die Daten aus dem Kundendienst zeigen ein Muster. In Tanks, die länger als fünf Jahre in Betrieb sind, treten viele Ausfälle von Scheibenkondensatoren nicht im Keramikkörper selbst auf. Sie beginnen an der Grenzfläche zwischen dem Epoxidharzgehäuse und dem Öl. Durch das lange Eintauchen in hohe Temperaturen dringt das Öl in das Epoxidharz ein, wodurch dieses weicher wird, die Abdichtung sich öffnet und das Magnetfeld gestört wird. Es kommt zu Teilentladungen, und die Durchschlagfestigkeit sinkt.

Dieser Artikel behandelt die dielektrische Festigkeit eines ölgekühlten Scheibenkondensators während seiner Lebensdauer sowie die Prozess- und Prüfschritte, die den Leistungsabfall verlangsamen.

2. Kernmechanismus

2.1 Ölabsorption im vorliegenden Fall

Scheibenkondensatoren verwenden Epoxidharz oder ein Epoxid-Anhydrid-System als Gehäuse. Dessen Glasübergangstemperatur Tg bestimmt die mechanische Festigkeit und die Barriereeigenschaften bei hohen Temperaturen. Aromatische Kohlenwasserstoffe, Sulfide und Antioxidantien im Öl diffundieren bei hohen Temperaturen in das Epoxidharz, wodurch dieses aufquillt und weicher wird. Das Quellverhältnis beträgt:

S = (M_s / M_d) − 1

wobei S das Quellverhältnis, M_s die Masse nach dem Einweichen und M_d die Trockenmasse ist.

Ein Standard-Epoxidharz, das 1000 Stunden lang bei 120 °C in Mineralöl getränkt wird, erreicht eine spezifische Oberfläche (S) von 2–5 %, und die Glasübergangstemperatur (Tg) sinkt um 10–25 °C. Unterhalb dieser neuen Tg wird das Harz gummiartig, wodurch es gleichzeitig an mechanischer Festigkeit und Isolationseigenschaften verliert.

2.2 Ölaufnahme- und Durchschlagfestigkeit

Aufgenommenes Öl besitzt eine Dielektrizitätskonstante von etwa 2.2, im Vergleich zu 3.5–4.5 bei Epoxidharz. Das Magnetfeld teilt sich umgekehrt proportional zur Dielektrizitätskonstante. Eine kleine, mit Öl gefüllte Pore erfährt daher ein höheres Magnetfeld als das umgebende Epoxidharz.

E_void / E_epoxy = ε_epoxy / ε_void

wobei E_void das Feld im Inneren der Pore, E_epoxy das Feld im Epoxidharz, ε_epoxy die Dielektrizitätskonstante des Epoxidharzes und ε_void die Dielektrizitätskonstante des Öls in der Pore ist.

Bei ε_Epoxid = 4.0 und ε_Hohlraum = 2.2 beträgt E_Hohlraum das 1.82-fache von E_Epoxid. Sobald das lokale Feld die Durchschlagsfestigkeit von Öl (ca. 10–15 kV/mm) überschreitet, beginnt die Entladung im Inneren der Pore. Wiederholte Entladungen erweitern die Pore zu einem Riss, der die Keramikoberfläche erreicht. Messdaten zeigen einen Abfall der Gleichstrom-Durchschlagsspannung um 3–6 % pro 1 % Ölaufnahme.

2.3 Delamination durch thermische Zyklen

Die CT-Anlage durchläuft Temperaturzyklen zwischen 0 °C und 70 °C mit Standby-, Vorheiz-, Belichtungs- und Abkühlphasen. Die Keramik dehnt sich mit etwa 7 ppm/K aus, das Epoxidharz mit 50–70 ppm/K und das Öl mit nahezu 700 ppm/K. Diese Werte unterscheiden sich um einen Faktor von mindestens zehn, sodass jeder Zyklus die Scherspannung an der Grenzfläche erhöht. Sobald die Haftfestigkeit überschritten ist, trennen sich die Schichten und hinterlassen einen keil- oder scheibenförmigen Luftspalt.

Die abgelöste Fläche vergrößert sich mit der Anzahl der Zyklen:

A_delam = A0 · (1 − exp(−N / N0))

wobei A_delam die delaminierte Fläche, A0 die größte Fläche, die die Grenzfläche verlieren kann, N die Anzahl der thermischen Zyklen und N0 eine charakteristische Zykluszahl ist, die durch die Materialien, die Temperaturschwankung und die Ölart bestimmt wird.

Nachdem N das Vielfache von N0 überschritten hat, hört das Flächenwachstum auf, aber der Luftspalt-Entladungskanal ist bereits ausgebildet. Luft hat eine Dielektrizitätskonstante nahe 1, daher konzentriert sich das Feld an diesem Spalt noch stärker.

2.4 Ausfallrisiko während der Nutzungsdauer

Ingenieure verwenden die Weibull-Verteilung, um die Durchschlagslebensdauer eines Hochspannungskondensators zu bewerten:

F(t, V) = 1 − exp[−(t / η)^β]

wobei F(t, V) die Ausfallwahrscheinlichkeit, t die Betriebszeit, η die charakteristische Lebensdauer und β der Formparameter ist.

In einem Öltank sinkt der Wirkungsgrad η mit steigender Temperatur und zunehmender Ölaufnahme. Messdaten zeigen einen Abfall von η um 40–60 %, wenn die Ölaufnahme von 0.3 % auf 2.5 % ansteigt. Bei einem kritischen Filterkondensator sollte das Austauschintervall anhand der Worst-Case-Kurve geplant werden.

Abb. 1 — Ölabsorptionspfad von der Epoxidquellung bis zu einem Verlust der charakteristischen Lebensdauer um 40-60 % im Tank.

3. Schwachstellen im Engineering

Problem 1: Verlustfaktor nach der Ölabsorption

Ein Standard-Epoxidharzgehäuse kann nach der Ölaufnahme einen Verlustfaktor (tanδ) von 0.1 % auf über 0.4 % aufweisen. Ein höherer effektiver Verlustfaktor (DF_eff) bei der Betriebsspannung führt zu erhöhter Wärmeentwicklung. Betrachten wir beispielsweise ein 30-kV-Filterbauteil mit 470 pF bei 80 kHz: Steigt der effektive Verlustfaktor (DF_eff) von 0.15 % auf 0.45 %, verdreifacht sich der reaktive Verlustfaktor, und die Oberflächentemperatur erhöht sich um 15–20 °C. Die höhere Temperatur beschleunigt dann die nächste Alterungsphase.

Problempunkt 2: Die Zündspannung fällt zuerst ab

Im Frühstadium eines Mikrorisses oder einer Delamination können Kapazität, Spannungsfestigkeit und Isolationswiderstand noch die Grenzwerte überschreiten. Die Teilentladungs-Einsatzspannung (PDIV) ist bereits um 20–40 % gesunken. Feldanlagen verfügen selten über eine Online-Teilentladungsüberwachung, daher sind erste Anzeichen Lichtbögen, zunehmendes Rauschen oder ein durchgebrannter Tank. Bei einem Serviceeinsatz an einem Stromwandler wurde festgestellt, dass etwa 35 % der Scheibenkondensatoren in einem sechs Jahre alten Tank eine PDIV unter 60 % der Nennspannung aufwiesen.

Problempunkt 3: Ölzersetzung und -verunreinigung

Öl oxidiert unter Hitze und Feldbelastung und bildet organische Säuren, Feuchtigkeit und Partikel. Diese Produkte reagieren mit polaren Gruppen im Epoxidharz, was den Grenzflächenwiderstand und die Durchschlagfestigkeit verringert. Ein zu langes Ölwechselintervall oder eine mangelhafte Ölbehandlung können einen intakten Kondensator innerhalb von zwei bis drei Jahren vorzeitig ausfallen lassen.

4. Entwurfsschritte

Strategie 1: Verwendung eines Epoxidharzes mit geringer Wasseraufnahme und hoher Glasübergangstemperatur (Tg).

Spezifizieren Sie ein Gehäusematerial, das nach 1000 h in Mineralöl bei 120 °C weniger als 0.5 % absorbiert und weniger als 5 °C seiner Glasübergangstemperatur (Tg) verliert. Anorganische Nanofüllstoffe wie Nano-SiO₂ und Al₂O₃ reduzieren das freie Volumen, erhöhen die Vernetzungsdichte und verbessern die Wärmeleitfähigkeit. HVC verwendet ein niedrigpolares, hochvernetztes Epoxidharzsystem mit einer gemessenen Absorption von unter 0.3 %.

Strategie 2: Die Keramik-Epoxid-Verbindung stärken

Die Seitenwände und die Ecken der Endelektroden des Keramikkörpers werden abgeschrägt und eine Pufferschicht aufgebracht, um Spannungen an der Grenzfläche zu vermeiden. Die Keramikoberfläche wird mit einem Silan-Haftvermittler behandelt, um die Haftung zu verbessern. Eine Steigerung der Grenzflächenscherfestigkeit um 30 % verschiebt die Delaminierungsschwelle deutlich über die Anzahl der Temperaturzyklen eines CT-Systems.

Strategie 3: PD zum Akzeptanztest machen

Stellen Sie die Teilentladungsrate (TE) bei Werks- und Wareneingangsprüfung auf unter 5 pC bei 0.8-facher Nennspannung ein und verlassen Sie sich nicht mehr allein auf Spannungsfestigkeit und Isolationswiderstand. Führen Sie die Prüfung in einem Ölbad bei Betriebstemperatur durch, da eine TE-Messung an der Luft nicht mit dem Ergebnis im Heißölbad übereinstimmt.

Strategie 4: Öl- und Tanktemperatur kontrollieren

Die Durchschlagsfestigkeit des Öls (über 30 kV pro 2.5 mm), der Wassergehalt (unter 20 ppm) und die Säurezahl (unter 0.05 mg KOH/g) sind regelmäßig zu prüfen. Die Tanktemperatur sollte auf 70 °C begrenzt werden. Jede Temperaturabsenkung um 10 °C halbiert annähernd die Oxidationsrate des Öls, wodurch die Betriebsdauer um Jahre verlängert wird.

Strategie 5: Spannungs- und Temperaturreserve einhalten

Da die Durchschlagsfestigkeit in Öl mit der Zeit abnimmt, muss eine Gleichspannungsreserve von mindestens 30 % über der Betriebsspannung eingehalten werden. Die thermische Auslegung sollte auf den ungünstigsten Fall hoher Umgebungstemperatur und hoher Wiederholrate mit einer Reserve von 10 °C ausgelegt sein. Ein Bauteil, das an der Spezifikationsgrenze betrieben wird, bietet keinen Spielraum für den Spannungsabfall.

Strategie 6: Beweisen Sie die Funktionalität mit einem beschleunigten Test

Führen Sie einen Alterungstest in Hochtemperatur-Öl durch. Rechnen Sie das Ergebnis anschließend mithilfe des Arrhenius-Modells um:

L_actual = L_accel · exp[(Ea / k) · (1 / T_actual − 1 / T_accel)]

wobei L_actual die Lebensdauer bei der Betriebstemperatur, L_accel die im Test gemessene Lebensdauer, Ea die Aktivierungsenergie (typischerweise 0.6–0.9 eV für ein Epoxid-Öl-System), k die Boltzmann-Konstante und T_actual und T_accel die absoluten Temperaturen in Kelvin sind.

Nach 1000 Stunden Einweichen bei 125 °C wird das Material 5–8 Jahre lang bei 70 °C gelagert, wobei die Festigkeit erhalten bleibt.

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 diesen Knoten

Ein Scheibenkondensator in einem Stromwandler-Öltank ist jahrelang 70 °C heißem Öl ausgesetzt – einem Feld, das sich an jeder Ritze konzentriert – und einem Tank, der nicht planmäßig geöffnet wird. HVC fertigt für diese Anwendung in seinem 6,000 m² großen Werk in Dongguan eine ölbeständige Baureihe für einen Spannungsbereich von 1 kV bis 150 kV.

Sechs Parameter, die hier von Bedeutung sind

• Die Ölaufnahme liegt nach 1000 Stunden in Mineralöl bei 120 °C unter 0.3 %. Ein niedrigpolares, hochvernetztes Epoxidharz mit Nanofüllstoff schützt die Gehäuseoberfläche vor Öl.
• Die Glasübergangstemperatur bleibt über 95 % erhalten. Das Gehäuse bleibt über den gesamten Einsatztemperaturbereich glasartig, sodass mechanische Festigkeit und Barriereeigenschaften erhalten bleiben.
• DF_eff unter 0.2 % bei Nennspannung. A Dielektrikum der Klasse I Dadurch wird der Ölverlust gering gehalten, sodass das absorbierte Öl nicht zu einem Heizproblem wird.
• Teilentladungen unter 5 pC bei 0.8-facher Nennspannung. Jedes Bauteil wird geprüft, wobei Stichproben in einem simulierten Ölbad bei Temperatur durchgeführt werden, sodass Mikrorisse oder Delaminationen bereits im Werk erkannt werden.
• Oberflächenaktivierung und eine Pufferschicht auf der Keramik. Eine höhere Grenzflächenhaftung erhöht die Anzahl der Temperaturzyklen, die die Grenzfläche überstehen kann, bevor sie sich ablöst.
• Vergleichen Sie mit Markenprodukten erster Ordnung. HVC-Teile entsprechen den elektrischen Parametern von Vishay HVCC, Murata DHS/DHR und TDK UHV/FHV, das die Sanierung von Tanks unterstützt und eine zweite Bezugsquelle für Reparaturen darstellt.

Für eine höhere Spannung pro Einheit in einem hohen Tank, HVCT8G Die Schraubklemmenreihe führt 10 kV pro Teil und hält den Ölspalt kurz.

Für den Teiler, der den kV-Rückkopplungspegel einstellt, ein HVRGHP-Abtastwiderstand behält sein Verhältnis über einen langen Temperaturbereich und auch bei längerer Öleinwirkung bei.

Zur Balance und Dämpfung im Inneren des Tanks, HVR-BSP Dickschichtwiderstände vertragen die gleiche Eintauchtemperatur ohne Wertverschiebung.

Für den Gleichrichter und den Freilaufpfad werden HVC-Versorgungen verwendet. Gleichrichterdioden auf den gleichen Teilentladungsgrenzwert gefiltert.

Lieferung und Support

Standardteile werden innerhalb von 4–8 Wochen geliefert, im Vergleich zu den üblichen 20–30 Wochen bei den oben genannten Marken. Die Anwendungstechnik von HVC unterstützt die Prüfung der Ölverträglichkeit, die Überprüfung der Verguss- und Verkapselungsprozesse, die Planung von PD-Screenings und die Entwicklung beschleunigter Lebensdauertests.

Bitte senden Sie uns die Betriebsspannung, die Kapazität, die Ölsorte und -temperatur, den Tankdruck und die gewünschte Lebensdauer. HVC sendet Ihnen innerhalb von fünf Werktagen ein Datenblatt zur Kondensatoranpassung mit Absorptionsdaten nach 1000 Stunden, Prüfprotokolle für Teilentladungen sowie ein Prüfset mit zwei Proben.

6. Häufig gestellte Fragen

Frage 1: Warum fallen Scheibenkondensatoren in einem Öltank nach fünf Jahren aus?

Da der Schaden an der Gehäuseoberfläche beginnt, dringt das Öl in das Epoxidharz ein, wodurch dieses aufquillt und weich wird und die Glasübergangstemperatur (Tg) um 10–25 °C sinkt. Unter thermischer Belastung löst sich die Grenzfläche und hinterlässt einen Luftspalt, in dem sich das Magnetfeld konzentriert und Teilentladungen die Isolierung angreifen.

Frage 2: Wie hoch sind die Kosten für die Ölabsorptionsfestigkeit?

Etwa 3–6 % der Gleichstrom-Durchschlagspannung werden pro 1 % Ölabsorption aufgenommen. Ein Standard-Epoxidharz erreicht nach 1000 h bei 120 °C eine Absorption von 2–5 %. Der Mechanismus beruht auf Feldteilung: E_Hohlraum / E_Epoxidharz = ε_Epoxidharz / ε_Hohlraum. Bei ε_Epoxidharz = 4.0 und ε_Hohlraum = 2.2 erfährt die Pore das 1.82-fache des umgebenden Feldes.

Frage 3: Warum gelangt das Öl überhaupt in das Epoxidharz?

Da kleine Moleküle bei hohen Temperaturen in das Polymernetzwerk diffundieren, gelangen aromatische Kohlenwasserstoffe, Sulfide und antioxidative Additive in das freie Volumen des Epoxidharzes. Dies führt zu einer Quellung des Harzes und einem Absinken der Glasübergangstemperatur (Tg). Ein hochvernetztes Epoxidharz mit anorganischem Nanofüllstoff weist hingegen ein geringeres freies Volumen auf, sodass die Absorption unter 0.3 % bleibt.

Frage 4: Welchen Grenzwert für Teilentladungen sollte ein Stromwandler-Tankkondensator einhalten?

Unter 5 pC bei 0.8-facher Nennspannung, gemessen in einem Ölbad bei Betriebstemperatur. Kapazität, Spannungsfestigkeit und Isolationswiderstand können an einem Bauteil, das sich bereits in einer Pore entlädt, weitergegeben werden; daher ist die Teilentladungsprüfung ausschlaggebend. Die Messung muss in Öl erfolgen, da ein Messwert in Luft nicht den Betriebsbedingungen entspricht.

Frage 5: Wie oft sollte das Tanköl geprüft werden?

Nach einem festgelegten Zeitplan und nach jeder Reparatur ist Folgendes zu prüfen: Durchschlagsfestigkeit über 30 kV pro 2.5 mm, Wassergehalt unter 20 ppm und Säurezahl unter 0.05 mg KOH/g. Die Tanktemperatur sollte 70 °C oder darunter betragen, da jede Temperaturabsenkung um 10 °C die Oxidationsrate und die Säurebildung etwa halbiert.

Frage 6: Wie kann ich eine 5-jährige Lebensdauer im Labor nachweisen?

Verwenden Sie ein Arrhenius-Sitzverfahren. L_tatsächlich = L_beschleunigt · exp[(Ea / k) · (1 / T_tatsächlich − 1 / T_beschleunigt)], wobei Ea für ein Epoxid-Öl-System etwa 0.6–0.9 eV beträgt. Ein 1000-stündiges Sitzen bei 125 °C entspricht anschließend einer 5- bis 8-jährigen Lagerung bei 70 °C. Der Wert für die verbleibende Durchschlagfestigkeit ist der anzugebende Wert.

7. Referenzen

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