Диэлектрический отказ
Полупроводниковый мокрый стол работает с нагревательными пластинами из ПТФЭ при напряжении 480 В. Через 2 года одна пластина отключит выключатель замыкания на землю во время скачка температуры. Осмотр выявил пробой диэлектрика-, изоляция из ПТФЭ вышла из строя, в результате чего образовался проводящий путь от элемента к ванне. Толщина стенки пластины составляла 4 мм. Пластины со стенками толщиной 6 мм служат более 7 лет без проблем с диэлектрическими свойствами.
Пробой диэлектрика зависит от напряжения, температуры и толщины стенки. Зависимость экспоненциальная: небольшое уменьшение толщины приводит к значительному увеличению риска поломки.
Механизм пробоя диэлектрика
Диэлектрическая прочность ПТФЭ составляет примерно 20-30 кВ/мм при комнатной температуре. При повышенных температурах и старении прочность на пробой снижается. Напряжение пробоя не является фиксированной величиной — оно со временем ухудшается по мере старения ПТФЭ и химического воздействия, вызывающего микроскопические дефекты. Эффективная диэлектрическая прочность при температуре 85 градусов после 2 лет эксплуатации составляет примерно 50-60% от значения комнатной температуры.
| Толщина стены | Напряжение пробоя (новое) | Напряжение пробоя (2 года, 85 градусов) | Запас безопасности при 480 В |
|---|---|---|---|
| 3 мм | 15-18 кВ | 7-9 кВ | 15-20x |
| 4 мм | 20-24 кВ | 10-12 кВ | 20-25x |
| 5 мм | 25-30 кВ | 13-15 кВ | 25-30x |
| 6 мм | 30-36 кВ | 16-18 кВ | 30-35x |
| 8 мм | 40-48 кВ | 22-26 кВ | 45-55x |
Температурный эффект
Диэлектрическая прочность уменьшается с температурой. При 60 градусах напряжение пробоя составляет примерно 80% от значения комнатной температуры. При 85 градусах она падает до 70%. При 100 градусах это примерно 60%. Сочетание температуры и старения означает, что пластина, у которой изначально 25-кратный запас прочности, после многих лет службы может иметь только 10-12-кратный запас прочности. Запас кажется большим, но локализованные дефекты могут снизить эффективное напряжение пробоя на 80-90%, превращая 25-кратный запас в 2-3-кратный.
Эффект химического старения
Химическое воздействие приводит к образованию поверхностных дефектов-микро-трещин и питтингов-, которые концентрируют электрическое напряжение. Дефект, уменьшающий локальную толщину стенки на 50%, увеличивает локальную напряженность поля в 2 раза. В сочетании со снижением диэлектрической прочности из-за старения эффективный запас может упасть до 5-10x. Вот почему пластины достаточной толщины все равно могут выйти из строя, поскольку локализованное химическое воздействие создает слабые места.
Применение-Особые требования к толщине
| Приложение | Напряжение | Рабочая температура | Минимальная рекомендуемая толщина |
|---|---|---|---|
| Покрытие 240 В переменного тока | 240V | 60 градусов | 4 мм |
| Покрытие 480 В переменного тока | 480V | 60 градусов | 5 мм |
| Полупроводниковый 480 В | 480V | 80 градусов | 6 мм |
| Критическое полупроводниковое напряжение 480 В | 480V | 85 градусов | 8 мм |
| 600В+ сервис | 600V+ | Любой | Проконсультируйтесь с производителем |
Когда 4 мм недостаточно
На объекте, работающем при напряжении 480 В и температуре 85 градусов с пластинами толщиной 4 мм, через 2 года произошел отказ диэлектрика. После перехода на пластины 6мм провалы прекратились. Пластины толщиной 6 мм обеспечивали запас прочности, учитывающий как химическое старение, так и температурную деградацию. Разница в стоимости между пластинами толщиной 4 мм и 6 мм составляет примерно 10-15%. Окупаемость достигается за счет исключения простоев из-за повреждений диэлектриков.
Рекомендации по скачкам напряжения
Источники питания могут создавать переходные напряжения, превышающие номинальное рабочее напряжение. В системе с напряжением 480 В могут наблюдаться скачки напряжения 600–700 В во время запуска или перебоев в подаче электроэнергии. Эти переходные процессы, даже кратковременные, могут вызвать нагрузку на диэлектрик. Пластина, выдерживающая напряжение 480 В, может выйти из строя при скачке напряжения 700 В. Толщина стенки должна учитывать эти переходные процессы. Предприятие, измерявшее переходные процессы в источнике питания 480 В, обнаружило пики напряжения 650 В во время запуска двигателя. Вышедшие из строя пластины толщиной 4 мм соответствовали техническим характеристикам для напряжения 480 В, но не соответствовали реальным условиям эксплуатации. Более толстые пластины толщиной 6 мм обеспечивали достаточный запас для измеренных переходных процессов.
Осмотр и проверка
Испытание диэлектрической прочности. Испытание с высоким-потенциалом (рабочее напряжение в 1,5-2 раза) подтверждает диэлектрическую целостность пластины. Тест следует проводить ежегодно. На предприятии с пластинами толщиной 5 мм при напряжении 480 В было обнаружено, что показания упали на 15-20 % за 3 года-испытание подтвердило, что старение снижает запас прочности. Пластины были заменены до поломки. Испытание является неразрушающим и предоставляет количественные данные для принятия решения о замене. Ежегодное тестирование стоит примерно 100–200 долларов за пластину, но предотвращает незапланированные сбои, которые обходятся значительно дороже во время простоя. В полупроводниковых приложениях более высокая стоимость более толстых пластин оправдана необходимостью абсолютной надежности. Дополнительные затраты на пластины размером 8 мм по сравнению с 6 мм невелики по сравнению со стоимостью одного случая отказа диэлектрика, который может потребовать замены пластины, замены ванны и повторной аттестации всех пластин, обработанных во время этого события. Данные, полученные от нескольких предприятий, подтверждают, что 6 мм — это минимальная рекомендуемая толщина для эксплуатации полупроводников 480 В при температуре выше 70 градусов, а для максимальной надежности рекомендуется 8 мм.
