Конденсаторы для теплиц: негативное влияние высокой температуры и влажности

Металлизированные плёночные конденсаторы активно применяются в силовой электронике. Всё благодаря их техническим характеристикам: устойчивости к механическим повреждениям, хорошей диэлектрической стабильности, низкому коэффициенту диэлектрических потерь. Для силового оборудования важно, чтобы полипропиленовая плёнка в конденсаторной конструкции выдерживала как тепловые, так и, соответственно, электрические нагрузки (они легко могут превышать отметку в 200 В/мкм, в то время как температурные показатели могут достигать отметки в 150°C). Однако тут стоит учесть, что даже самые прочные и надёжные конденсаторы в условиях работы при повышенных температурах и влажности существенно теряют в долговечности, отчего срок их службы значительно сокращается.

Термическое старение на сегодняшний день является одной из наиболее важных проблем, касающихся деградации полипропиленовой плёнки. Именно из-за этого фактора большинство конденсаторов быстро выходит из строя. И хотя полипропиленовые плёнки имеют довольно низкие диэлектрические потери при температурах до 85°C (они составляют около 10-4), однако при эксплуатации конденсатора температура внутри конструкции может превышать 200°C, так что изменения в материале диэлектрика неизбежны, равно как и в конструкции намотки с металлизацией.

Термическая деградация конденсаторов для теплиц: какие факторы влияют на процесс старения

Тепличные хозяйства, автономные теплицы, городские фермы используют плёночные конденсаторы чаще всего в системах отопления, в системах вентиляции и кондиционирования воздуха, в системах водозабора и водоснабжения и т.д. Эти конструкции также применяются в приводах автоматического открывания окон, а также в звеньях постоянного и переменного тока ШИМ преобразователей. И это не говоря о системах освещения, без которых не может обойтись ни одно тепличное сооружение (практически все фотосинтезирующие установки любого диапазона излучения используют конденсаторы для корректной работы).

Чаще всего конденсаторы используются в качестве рабочих или пусковых, чтобы двигатели переменного тока запускали и непрерывно работали без каких-либо проблем. Также конструкции могут быть частью схемы комплектных преобразователей, применяющихся для электропривода переменного или постоянного тока (с регулируемой скоростью).

Следующими по популярности идут как раз плёночные металлизированные полипропиленовые конденсаторы. Они используются для цепей ламп различного типа. Причём лампы могут использоваться не только для освещения, но и для стимуляции фотосинтеза, для ускорения роста и развития культур, выращиваемых в теплицах.

Однако если комплектные преобразователи, «моторники» и непосредственно электроприводы при грамотном проектировании помещений (теплиц) ещё можно кое-как расположить при терпимых показателях температуры и влажности, то вот те конденсаторы, которые применяются в источниках света и излучения определённого спектра волн, будут работать в настоящих экстремальных условиях. В данном случае термическая деградация будет неизбежной, поскольку негативное влияние окружающей среды никак не удастся нивелировать и сделать хотя бы более или менее приемлемыми для чувствительных к ним конденсаторов. Плюс ко всему всё эти деградационные процессы ускоряются, если в конструкции имеются какие-либо дефекты (даже незначительные). В совокупности эти факторы приводят к значительному сокращению реального срока службы конструкции и к появлению непредвиденных аварийных ситуаций.

Что касается конструктивных особенностей полипропиленовых плёнок, то они обычно имеют микрометрический размер. Металлизирование осуществляется либо нанометровым алюминием, либо цинком, либо цинково-алюминиевым сплавом (технология предполагает испарение в вакууме). Торцевые части намотки покрываются металлическим напылением (также либо цинковым, либо сплавом олова и цинка). При намотке между слоями плёнки скапливается воздух, так как алюминий обладает высоким сродством к кислороду, алюминиевый электрод начинается трансформироваться в аморфный глинозем, так что свойства диэлектрика нарушаются, что также приводит к резкому скачку показателей диэлектрических потерь и к значительной потере ёмкости.

Что касается ёмкости, то она является важным индикатором деградации (старения) плёночных конденсаторов. По ней можно определить, насколько долго ещё проработают полипропиленовые сборки (потеря ёмкости на 5% от начального значения будет указывать как раз на окончания срока службы конструкции). На потерю ёмкости влияют три главных фактора: снижение диэлектрической проницаемости, потеря активной площади, а также снижением толщины самой полипропиленовой плёнки.

Однако всё же не стоит сбрасывать со счетов и те дефекты, которые появились ещё в процессе производства полипропиленовых плёнок. Возникнуть они могут на разных этапах, в том числе и при нанесении металлического напыления, и при упаковке. Они также могут привести как к локальным пробоям, так и к падениям показателей ёмкости, потере краевого соединения, появлению коррозии и т.д. Вообще, любые структурные изменения в любой зоне конструкции (даже небольшое количество воздуха между слоями) оказывают влияние на срок службы конденсатора в целом (естественно, негативное влияние).

Нельзя не упомянуть и об одном важно противоречии. Речь о двух факторах, которые влияют на ёмкость. Один из них связан с уровнем диэлектрической проницаемости, а другой – с площадью алюминиевого электрода. Плёнка РР во время процесса термического старения синтезирует небольшое количество полярных групп (или фрагментов) – это в значительной мере влияет на диэлектрическую проницаемость, увеличивая её уровень. По логике это должно увеличить и показатели ёмкости, однако не стоит забывать, что алюминий окисляется при контакте с кислородом, из-за чего образуется непроводящий оксид, что уменьшает площадь обкладок конденсатора и, естественно, значительно снижает показатели ёмкости. К тому же гидрофильный оксид алюминия способен поглощать полярные группы уже состаренной полипропиленовой плёнке, отчего запускается процесс неравномерной адгезии между слоями. Это, в свою очередь, ведёт к увеличению частичных разрядов и снижению уровня напряжения пробоя.

Учитывая всё сказанное выше, можно с уверенностью говорить о том, что:

количество частичных разрядов будет пропорциональным времени старения, так что его нужно рассматривать в качестве индикатора деградации, указывающего на состояние конденсаторной конструкции при воздействии негативных факторов (таких, как термическая деструкция) вместо потери ёмкости;
• плёночные конденсаторы с металлизацией, использующиеся в тяжёлых или даже экстремальных условиях (при высоких показателях температуры и влажности воздуха), не должны иметь никаких дефектов (это касается всех производственных этапов, в том числе намотки, металлизации и финальной упаковки), поскольку даже мельчайшие дефекты значительно увеличивают риск скорого термического старения и, как следствия, появления пробоя, а также выхода из строя оборудования с последующим возникновением аварийной ситуации.