Срок службы, классификация и сертификация силовых пленочных конденсаторов

Анонс: Математическая зависимость реального срока службы конденсаторов от режима эксплуатации. Нормативно-правовая база, классификация и сертификация силовых пленочных конденсаторов.

Надежность и пригодность силовых конденсаторов оценивается покупателем не столько по соответствию технических параметров, сколько по заявленному производителем сроку службы, однако из всего действующего пакета стандартов только ГОСТ IEC 60931-1-2013 устанавливает методику испытаний на срок службы и только по потере емкости при выдержке под повышенным напряжением. Реальное время службы конденсаторов зависит от конструктивного исполнения, материала диэлектрика, наличия/отсутствия предохранительных устройств и т.д., но в основном от конкретного режима эксплуатации при воздействии внешних факторов и эту связь стараются выразить через математические зависимости.

Лучшие математические модели зависимости срока службы от режима эксплуатации.

Определение реального срока службы конденсаторов при повышенных температурах (и напряжении) эксплуатации в целом больше эмпирическое и подход к построению математической модели разный у различных производителей. Так, Jianghai Europe Electronic Components GmbH придерживается модели эксплуатации L_х = L_о*K_t*K_r*K_v, где L_х и L_о – реальный и заявленный (при номинальных рабочих параметрах) срок службы, K_t, K_r и K_v – факторы температуры, импульсного тока (ответственного за внутренний нагрев) и напряжения. Для расчета температурного фактора и срока службы в целом Jianghai предлагает использовать адаптированную версию зависимости Аррениуса - «полураспада» диэлектрика, согласно которой снижение эксплуатационной температуры среды на 10°C удваивает срок службы (2^{0.1 (Т_о – Т_э)}). Т.е. повышение температуры эксплуатации Т_э на 5 градусов в отношении номинальной Т_о дает в степени значение 0.1*(- 5) = - 0.5 и тогда температурный фактор К_t = 1 / 2^0.5 = 1 / 1.4 = 0.71, а срок эксплуатации, напрямую зависящий от К_t, снизится на 29%.

В свою очередь EPCOS AG для определения срока службы tsl и интенсивности отказов λ предлагает использовать формулы tsl = tsl,ref * 1/πV * 1/πT и λ = λref • πV • πT, где πV и πT соответственно коэффициенты напряжения и температуры из таблиц IEC 61709:2011 (Электрические компоненты. Надежность. Стандартные условия для частоты отказов и моделей напряжений для преобразования). Тогда в случае номинального напряжения, но превышения номинальной температуры работы конденсатора (в 40 градусов) на 5 градусов Цельсия корректирующий коэффициент πT будет порядка 1.4 (интерполяция данных таблицы ниже), а срок службы tsl = tsl,ref * 1/1 * 1/1.4 = 0.71 tsl,ref или уменьшится на 29%, что практически аналогично значениям по математической модели Jianghai.

Вместе с тем, в действительности при математическом моделировании срока службы через влияние температурного фактора для конденсаторов КЭК, КЭП, КЭ, КС, КМ, КЭБ, КЭС и пр. с тонкими прослойками пропиточной жидкости между слоями диэлектрика использование упрощенного варианта формулы Аррениуса (зависимости скорости химического процесса от температуры) не вполне корректно. На практике деструкция диэлектрика, приводящая к пробою без возможности самовосстановления, имеет нелинейную зависимость от материала, толщины диэлектрика, состава пропиточной жидкости, коэффициента запрессовки, наличия или отсутствия принудительного охлаждения, напряжения и т.д.

Так, в многослойных конденсаторах МР на базе металлизированной конденсаторной бумаги (metallized paper + paper) (у нас часто заявлены, как КС или КЭБ) старение определяется только разрушением пропитки вследствие перезаряда частиц и при сравнительно большой долговечности они имеют монотонную зависимость срока службы от температуры эксплуатации. Добавление полимерной пленки в конденсаторах (F)KV с комбинированным (Al film + capacitor paper + PP film) или MKV со смешанным (metallized paper + PP film) диэлектриком (конденсаторы КЭК, КЭС) на порядок снижает тангенс угла диэлектрических потерь (tg δ) изоляции, интенсивность ионизации пропитки, деструкции ее материала, увеличивает относительный срок службы при повышенных температурах, но не снимает зависимость старения от температуры.

В «сухих» металлизированных пленочных конденсаторах с диэлектриком из полипропилена MKP (у нас КСП), полиэтилентерефталата или полиэстера (MKT или MKS), полиэтиленнафталата (MKN), полиэтиленсульфида (MKI), а также фольгово-металлизированных с диэлектриком из полипропилена MFP, полиэтилентерефталата MFT (все обозначения согласно DIN 41379 и DIN EN 60062: 2017) зависимость срока эксплуатации от температуры среды из-за отсутствия жидкой фазы между слоями диэлектрика имеет иной характер.

Одно- и трехфазные косинусные конденсаторы КЭК, КЭП, КЭ, КС, КМ, КЭБ, КЭС изначально не рассчитаны на силовые сети в их текущем состоянии по степени загрязненности гармониками, объемам нелинейных нагрузок, уровню требований к качеству электроэнергии для производственно-технологических процессов по ГОСТ 32144-2013 и электромагнитной совместимости по ТР ТС - 020 - 2011 и блоку ГОСТ IEC/TR 61000-2017.

Нормативно-правовая база, классификация и сертификация силовых пленочных конденсаторов.

Общая терминология конденсаторов определена действующими ГОСТ IEC 60050-436-2014 и ГОСТ Р 57437-2017, классификация пленочных конструкций с разным материалом диэлектрика - в IEC 60062: 2016 + COR1: 2016 (или DIN EN 60062: 2017, а DIN 41379 не действует), а коды маркировки – в ГОСТ IEC 60062-2014, хотя по факту стандарт некоторыми индексами диэлектрического материала добавил путаницы в обозначениях. Так, диэлектрик из поликарбоната PC в маркировке формализован с индексом V, из полифениленсульфида PPS - с индексом Н, полиэтилентерефталата PETP – сразу с двумя индексами T или М, хотя по международной классификации обозначения пленочных металлизированных или фольгово-металлизированных конденсаторов с полимерным диэлектриком (DIN EN ISO 1043-1) из поликарбоната PC соответственно МКС и КС, из полифениленсульфида PPS – MKI и KI, полиэтилентерефталата PETP – МКТ и КТ, а индекс V используется для обозначения смешанного или комбинированного диэлектрика.

Еще большую нестабильность в обозначения силовых пленочных конденсаторов (КПС) вносят производители своей маркировкой - КЭК, КЭП, КЭ, КС, КМ, КЭБ, КЭС, БКЭ – вводимой через ТУ при попустительстве Росстандарта. Идентификация таких пленочных конденсаторов предельно затруднена, как по конструктивному исполнению (металлизированные, фольгово-металлизированные), так и типу материала диэлектрика, а часто и пропитки.

Кроме того, несмотря на достаточно емкий пакет новых стандартов, регламентирующих шунтирующие конденсаторы (ГОСТ IEC 60931-1/3-2013 – пока только несамовосстанавливающиеся), моторные конденсаторы (ГОСТ IEC 60252-1/2-2011), конденсаторы для газоразрядных ламп (ГОСТ IEC 61048-2011), силовые конденсаторы и конденсаторные батареи для коррекции коэффициента мощности (ГОСТ IEC 61921-2013), силовые конденсаторы и конденсаторные установки для повышения коэффициента мощности (ГОСТ Р 56744-2015), устройства низковольтные комплектные распределения/управления (ГОСТ IEC 60439-1/3-2012) и т.д., а также актуализированную версию советского ГОСТ 1282-88:

• ни один из этих документов на текущий момент не включен в «Перечень стандартов, в результате применения которых на добровольной основе обеспечивается соблюдение требований технического регламента Таможенного союза «О безопасности низковольтного оборудования»;
• Постановлением Правительства РФ N 982 от 01.12.2009 (в редакции от 27.12.2018) из «единого перечня продукции, подлежащей обязательной сертификации, и единого перечня продукции, подтверждение соответствия которой осуществляется в форме принятия декларации о соответствии» конденсаторы и конденсаторные установки исключены с уточнением, что «при наличии у изготовителя сертификата системы качества, выданного органом по сертификации» принимается декларация соответствия.

Т.е. формально сертификат системы менеджмента качества является декларацией соответствия, хотя по факту свидетельствует только о технической, организационной и технологической возможности контроля, но не о ренальном качестве поставляемой продукции и, тем более – соответствии конденсаторов нормам и требованиям действующих стандартов.