ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ТОНКОПЛЕНОЧНЫЙ КОНДЕНСАТОР Российский патент 2024 года по МПК H01G4/32 

Изобретение относится к области электроники и электротехники, к высоковольтным устройствам, к конденсаторам. Оно может использоваться как для накопления зарядов, так и для сглаживания пульсаций высокого напряжения.

Существуют различные конструкции конденсаторов, но все они используют один общий признак: между двумя сближенными электродами располагается диэлектрик или вакуумный промежуток. Диэлектрик ослабляет электрическое поле между электродами, что позволяет накапливать больше зарядов на внутренних поверхностях электродов. При превышении критического порога прикладываемого к электродам напряжения происходит пробой диэлектрика и выход конденсатора из строя в результате образующейся закоротки между электродами. Для увеличения пробивного напряжения обычно увеличивают толщину слоя диэлектрика или величину вакуумного промежутка, но это приводит к уменьшению емкости конденсатора.

Целью данного изобретения является создание конденсатора с высокой удельной емкостью при высоких напряжениях между электродами.

Известно, что электрическая прочность диэлектрика зависит от его толщины [1]. Такие диэлектрики, как полистирол, фторопласт, лавсан и некоторые другие при толщинах пленок до 90 мкм обладают электрической прочностью 80-120 МВ/м, которая с увеличением их толщины уменьшается до 20-40 МВ/м. при толщинах 1 мм и более. Это связано с неравномерностью толщины пленок и наличием микропор в структуре этих материалов. Тонкие пленки получают прокаткой пластичного материала между валками, которые обжимают его и уменьшают количество микропор в его структуре. В толстых слоях этих материалов некоторые оставшиеся микропоры могут находиться одна над другой, что приводит к увеличению напряженности электрического поля над этими областями и пробою в одном из таких мест.

Простое увеличение толщины слоя диэлектрика за счет использования нескольких слоев тонких пленок не дает полного увеличения пробивного напряжения на единицу общей толщины слоя диэлектрика. Эксперименты показывают, что лавсановая пленка толщиной 6 мкм пробивается при напряжении 600 В (ее электрическая прочность 100 МВ/м), два слоя такой пленки пробивается в среднем при напряжении 1080 В. Такая же лавсановая пленка толщиной 12 мкм пробивается при напряжении 1200 В (ее электрическая прочность тоже 100 МВ/м). Это происходит потому, что плотность прилегания двух слоев пленки между собой и к электродам в разных местах не одинакова. Там, где есть дополнительный воздушный промежуток, электрическое поле ослаблено, поэтому над этими областями заряды на поверхности электродов слабее притягиваются друг к другу, что приводит к их дрейфу к областям, где притяжение сильнее. Это создает более сильную поляризацию диэлектрика в таких областях и приводит к пробою при более низком напряжении.

Известно техническое решение, позволяющее повысить пробивное напряжение конденсатора за счет последовательного соединения конденсаторов с меньшим пробивным напряжением [2, 3, 4]. Недостатком такого решения является уменьшение общей емкости конденсатора и необходимость применения резисторов, выравнивающих напряжения на отдельных конденсаторах, что увеличивает токи утечки конденсатора.

Известно техническое решение, позволяющее повысить пробивное напряжение изоляции высоковольтных токовводов [5, 6]. Вокруг проводника токоввода формируется изоляция, состоящая из чередующихся коаксиальных слоев изолятора и металла. Листы коаксиальной фольги служат для сглаживания распределения электрического поля между наружной поверхностью изолирующей втулки и внутренним высоковольтным проводником, формируя более однородное электрическое поле и снижая вероятность электрического пробоя.

Известна конструкция высоковольтного конденсатора, который может обладать достаточно большой удельной емкостью [7, 8]. Конденсатор формируется в виде рулонной намотки структуры из чередующихся двух слоев металлической фольги и двух слоев диэлектрической пленки. Недостатком такой конструкции является сравнительно низкое пробивное напряжение при использовании тонкой диэлектрической пленки или низкая удельная емкость при использовании толстой пленки.

Известно техническое решение, позволяющее повысить пробивное напряжение конденсаторов с рулонной намоткой [9]. Для этого предлагается стороны диэлектрических лент, обращенные к электродам, делать шероховатыми (огрубленными). Толщина огрубляющего слоя должна составлять 3,5-5% от толщины диэлектрической ленты, которая составляет от 10,0 до 20,0 мкм. Такие ленты при намотке плотнее прилегают к электродам. Недостатком такого решения является то, что оно работает только при не очень больших напряжениях. Для конденсаторов, рассчитанных на большие напряжения придется увеличивать толщину лент, что приведет к уменьшению их диэлектрической прочности, а эффект от огрубления поверхности перестает работать.

Большинство пробоев конденсаторов происходит на краях электродов. Это связано с тем, что на остриях и краях металлических проводников электрическое поле имеет большую напряженность, чем над плоскостью. Известно техническое решение, позволяющее уменьшить напряженность электрического поля на краях электродов [10]. Для этого предлагается по краям электродов по всей их длине делать лазером прорези шириной менее 1/32 дюйма. Электрическое поле внутри полостей прорезей практически отсутствует, что уменьшает общую напряженность электрического поля на краях электродов. Недостатком этого способа является необходимость дорогостоящей операции лазерной резки.

Наиболее близким к предполагаемому изобретению техническим решением является устройство, описанное в [6]. Сущность изобретения: цилиндрическое тело конденсатора образовано путем намотки более одного раза структуры из чередующихся двух слоев металлической фольги и двух диэлектрических слоев.

Задачей данного изобретения является увеличение пробивного напряжения при рулонной конструкции конденсатора.

Поставленная задача решается в устройстве, состоящем из рулона, образованного путем намотки более одного раза структуры из чередующихся двух слоев алюминиевой фольги и двух диэлектрических слоев, состоящих из нескольких тонких металлизированных полимерных пленок, наложенных одна на другую и имеющих тонкий слой металлизации, ширина которого меньше ширины пленок, а фольговые электроды имеют меньшую ширину, чем области металлизации диэлектрических пленок.

Отличительными признаками изобретения являются использование в качестве диэлектрических слоев наложенных друг на друга металлизированных тонких полимерных пленок и разница в ширине полос металлизации и фольговых электродов. Рабочее напряжение конденсатора определяется толщиной и количеством металлизированных полимерных пленок и разницей ширины полос металлизации и фольговых электродов.

Данная совокупность признаков обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в том, что металлизированные области на поверхности полимерных пленок выравнивают потенциал электрического поля по всей их поверхности, не допуская перенапряженности поля над отдельными областями, а разнесение краев фольговых электродов за счет того, что контактирующий с металлизированной областью электрод имеет большую (вместе с металлизированным слоем) ширину, чем другой электрод, приводит к ослаблению электрического поля между краями электродов.

На фиг. 1 схематично представлено поперечное сечение слоев высоковольтного тонкопленочного конденсатора, где 1 - фольговые электроды, 2 - полимерные пленки, 3 - слои металлизации.

Пример конкретной реализации. На электрод из алюминиевой фольги размерами 2×2 см и толщиной 8 мкм положили 3 слоя металлизированной лавсановой пленки размерами 2,2×2,2 см и толщиной 6 мкм с областью металлизации алюминием размерами 2,1×2,1 см и толщиной 20 нм, фольговый электрод размерами 2×2 см толщиной 8 мкм и придавили этот пакет толстой диэлектрической пластиной для плотного прижатия. Емкость образованного конденсатора составила 70 пФ, а напряжение пробоя 1800 В. Меньше 20 нм слой металлизации алюминием делать нельзя, т.к. слой 10 нм на воздухе со временем полностью прокисляется и перестает выполнять возложенную на него функцию. Проведенный эксперимент показал, что напряжение пробоя растет пропорционально количеству металлизированных пленок, а при использовании трех не металлизированных пленок оно составило примерно 1560 В.

Предложенная конструкция высоковольтного конденсатора позволяет более эффективно использовать высокую электрическую прочность тонких полимерных пленок и снизить вероятность пробоев конденсатора по краям электродов.

Источники информации

1. Электротехнический справочник. Том 1, М., "Энергия", 1980 г., с. 295.

2. Патент RU 96119166.

3. Патент CN 205666132 U.

4. Патент RU 2101793.

5. Патент RU 2638298 C1.

6. Патент CN 117133544 A.

7. Патент RU 2050615 – прототип.

8. Патент RU 96105209.

9. Патент CN 203950687 U.

10. Патент CN 203950686 U.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к высоковольтным устройствам. Повышение удельной емкости при высоких напряжениях между электродами является техническим результатом, который достигается за счет того, что высоковольтный конденсатор состоит из рулона, образованного путем намотки структуры из чередующихся двух слоев алюминиевой фольги, являющихся электродами, и двух диэлектрических слоев, состоящих из нескольких тонких металлизированных полимерных пленок, наложенных одна на другую и имеющих тонкий слой металлизации, ширина которого меньше ширины пленок, а фольговые электроды имеют меньшую ширину, чем ширина металлизированного слоя диэлектрических пленок. Металлизированные области на поверхности полимерных пленок выравнивают потенциал электрического поля по всей их поверхности, не допуская перенапряжения поля над отдельными областями, а разнесение краев фольговых электродов за счет того, что контактирующий с металлизированной областью электрод имеет большую вместе с металлизированным слоем ширину, это приводит к ослаблению электрического поля между краями электродов. 1 ил.

Высоковольтный тонкопленочный конденсатор рулонной конструкции, образованной из чередующихся двух слоев алюминиевой фольги, являющихся электродами, и двух диэлектрических слоев, отличающийся тем, что диэлектрические слои состоят из двух или более тонких металлизированных полимерных пленок, наложенных одна на другую и имеющих тонкий слой металлизации, ширина которого меньше ширины пленок, а фольговые электроды имеют меньшую ширину, чем ширина металлизированного слоя диэлектрических пленок.