Falhas em tanques de alta tensão CT: química do óleo e isolamento do capacitor

Falhas em tanques de alta tensão CT: química do óleo e isolamento do capacitor

Sumário

Um tanque de alta tensão para transformadores de corrente (TC) contém óleo, epóxi, solda e cerâmica em um volume selado, operando entre 80 kV e 150 kV. Os materiais não sofrem envelhecimento espontâneo: o óleo é absorvido pelo epóxi, forma-se ácido no óleo e a concentração do campo elétrico nas interfaces inicia a descarga. Este artigo apresenta os limites de permissividade, inchamento e índice de acidez que determinam a vida útil do tanque, os três caminhos de falha em campo e seis etapas de projeto que garantem uma vida útil de 10 anos.

1. Introdução

Um tanque de alta tensão de tomografia computadorizada (TC) aciona o tubo de raios X. Dentro da carcaça selada encontram-se o transformador de alta tensão, o diodo retificador ponte retificadora, banco de capacitores de filtro e resistores de equalização de tensão.

A maioria dos tanques é impregnada com óleo mineral ou éster sintético. O óleo preenche os espaços vazios, aumenta a rigidez dielétrica e transporta o calor dos componentes para a carcaça. Essa configuração coloca cada capacitor em contato prolongado com óleo, epóxi, compostos de vedação e eletrodos metálicos.

Um tanque de TC opera com tensões de 80 kV a 150 kV em pulsos. A intensidade do campo elétrico não é o único fator de estresse. A HVC analisou tanques devolvidos por centros de manutenção de hospitais e descobriu que cerca de 35% das falhas decorriam da incompatibilidade química e física entre o óleo e a embalagem do capacitor.

Os padrões de dano são repetíveis. A resina epóxi absorve o óleo e incha até que a borda do eletrodo fique exposta. Subprodutos ácidos presentes no óleo corroem as juntas de solda e aumentam a resistência de contato. A carga superficial se acumula no corpo do capacitor e produz descarga por fuga. As revisões de projeto geralmente não detectam esses três problemas, que só se manifestam após 3 a 5 anos de operação.

2. Mecanismo Central

2.1 Diferença de permissividade e distribuição de campo

O óleo isolante possui uma permissividade relativa de 2.2 a 2.8. Dielétrico N4700 Classe I A relação varia de 30 a 90. Uma proporção tão grande como essa refrata o campo na interface óleo-cerâmica, e as condições de contorno definem o quanto ele se curva.

E_oil,t = E_ceramic,t

onde E_óleo,t é o campo tangencial no óleo e E_cerâmica,t o campo tangencial na cerâmica. A componente normal segue uma segunda condição:

ε_oil · E_oil,n = ε_ceramic · E_ceramic,n

onde ε_óleo e ε_cerâmica são as permissividades relativas, e E_óleo,n e E_cerâmica,n são os componentes do campo normal em cada material.

O lado cerâmico apresenta um campo magnético normal mais fraco, enquanto o lado com óleo apresenta um campo mais forte. Qualquer bolha, fibra ou gota de água presente no óleo fica, então, sob a influência de um campo amplificado. Esse ponto localizado pode ultrapassar o limite de ruptura do óleo e iniciar uma descarga parcial. A pureza do óleo e o teor de gás, portanto, estabelecem o primeiro limite para a vida útil do tanque.

2.2 Inchaço e falha de vedação

Os encapsulantes de epóxi e silicone absorvem óleo, amolecem e incham. O grau de inchaço é medido pela variação de massa:

S = (m_t − m_0) / m_0 × 100%

onde m_0 é ​​a massa inicial do encapsulante e m_t a massa após o tempo de imersão t.

Para um tanque de grau médico, mantenha S em 1.5% ou menos após 1000 horas em óleo a 85 °C e mantenha a retenção da resistência à tração em 80% ou mais. Acima de S = 3%, o corpo inchado apresenta microfissuras. O óleo então atinge a interface cerâmica-eletrodo, a capacitância varia, a perda aumenta e ocorre a ruptura. Um capacitor pode passar em todos os testes elétricos a seco e ainda assim falhar neste ponto.

2.3 Envelhecimento do óleo e corrosão ácida

Calor, campo elétrico e oxigênio atuam em conjunto para oxidar o óleo isolante. A reação forma ácidos orgânicos, aldeídos e hidrocarbonetos leves. O índice de acidez acompanha esse processo:

AN = (V_KOH · C_KOH · 56.1) / m_oil

onde V_KOH é o volume do titulante de hidróxido de potássio em mL, C_KOH sua concentração em mol/L e m_óleo a massa da amostra de óleo em g.

Acima de AN = 0.1 mg KOH/g, os ácidos atacam os eletrodos metálicos e as juntas de solda. A resistência de contato aumenta e a junta aquece. Eletrodos internos de níquel-cromo e um revestimento antioxidante nas extremidades retardam esse ataque, e a filtragem com óleo o retarda ainda mais.

Figura 1 — O inchaço de um encapsulante de grau médico estabiliza no limite de 1.5% após 1000 h em óleo a 85 °C, enquanto 3% abre microfissuras na borda do eletrodo.

3. Pontos problemáticos de engenharia

Problema 1: Os dados de compatibilidade são de curto prazo e não correspondem à temperatura ideal.

O trabalho de seleção muitas vezes se limita aos parâmetros elétricos do capacitor. Os fornecedores publicam dados de imersão medidos a 25 °C, enquanto um tanque opera entre 70 °C e 90 °C. O teor de aromáticos, componentes polares e aditivos antioxidantes diferem entre óleo mineral, éster sintético e óleo de silicone, e cada um deles influencia a expansão da resina epóxi de maneira diferente. Dados de curto prazo não permitem prever a vedação após 5 a 10 anos. Lotes inteiros acabam vazando óleo ou apresentando rachaduras em campo, e o fabricante original (OEM) arca com os custos do retrabalho.

Problema 2: O fluxo de óleo transporta partículas para a região de alta pressão.

Alguns tanques de alta qualidade utilizam circulação forçada de óleo para resfriamento, com fluxo de 0.5 m/s a 1.5 m/s. O desgaste da bomba, a corrosão do metal e as partículas de epóxi desprendidas adicionam sólidos ao óleo. O campo magnético polariza essas partículas e as atrai para a região de maior intensidade, onde se alinham formando pontes condutoras e encurtando o caminho de isolamento efetivo.

Os dados dos testes indicam que o limite está em uma concentração de partículas de 100 mg/L e um tamanho de partícula de 25 µm. Acima desses valores, a tensão de ruptura pode cair em mais de 30%.

Ponto Crítico 3: Bolhas e descarga parcial se reforçam mutuamente.

Uma bolha dentro do óleo se rompe com uma voltagem muito menor, porque a pressão em seu interior é baixa. A lei de Paschen relaciona a ruptura do gás ao produto da pressão e do espaço entre a bolha e o óleo, portanto, um pequeno vazio em baixa pressão é o ponto mais frágil do tanque. Uma protuberância na superfície ou um defeito na embalagem concentra ainda mais o campo elétrico e cria um canal de descarga estável.

Um evento isolado da ordem de 10 pC parece inofensivo. O acúmulo ao longo dos anos carboniza a interface óleo-sólido até que ela se torne condutora. O primeiro sinal visível geralmente é ruído na imagem, e a essa altura a janela de manutenção já se fechou.

4. Etapas de projeto

Estratégia 1: Criar um banco de dados de combinações de óleo e encapsulante

Teste cada encapsulante candidato com cada família de óleo, e não com uma única amostra de óleo. Utilize as condições de serviço: 90 °C, pelo menos 2 kV/mm e presença de oxigênio. Execute cada par por 2000 horas ou mais. Monitore o grau de inchamento, a variação de massa, a resistência à tração, a rigidez dielétrica e o índice de acidez. A HVC fornece relatórios de testes de compatibilidade para componentes N4700 em óleo mineral, éster sintético e óleo de silicone, o que reduz o tempo necessário para a triagem.

Estratégia 2: Reduzir o campo na interface óleo-cerâmica

Execute uma simulação de elementos finitos no tanque e meça o campo na interface cerâmica e na borda do eletrodo. Arredonde os eletrodos, adicione revestimentos semicondutores ou adicione um aditivo melhorador de polaridade ao óleo. Mantenha o pico do campo na interface abaixo de 30% do campo de ruptura do óleo. O fator de concentração segue abaixo:

E_max / E_avg = k_geometry · k_material

onde k_geometry é o coeficiente de geometria do eletrodo e k_material o coeficiente de correspondência de permissividade. Mantenha o produto em 1.5 ou abaixo.

Estratégia 3: Escolha epóxi resistente a óleo e eletrodos resistentes à corrosão.

Especifica-se epóxi com alta densidade de reticulação e baixa absorção de óleo, e realiza-se a cura completa para que não restem solventes. Os eletrodos internos de paládio-prata ou níquel-cromo resistem ao ataque ácido, e uma barreira multicamadas de níquel com revestimento de estanho antioxidante protege a terminação. A série HVC N4700 utiliza epóxi de grau médico resistente a óleo e esse sistema de terminação. Após 3000 horas em éster sintético a 85 °C, a deriva da capacitância permanece abaixo de ±0.5% e a variação do fator de adaptação efetivo (DF_eff) abaixo de ±0.02%.

Estratégia 4: Filtrar o óleo e monitorar sua composição química.

Instale um filtro com classificação de 10 µm ou mais fina no circuito de óleo e adicione um contador de partículas online. Verifique a umidade, o índice de acidez e o fator de perda periodicamente. Mantenha a umidade abaixo de 20 ppm, o índice de acidez abaixo de 0.05 mg KOH/g e o tanδ abaixo de 0.5% a 90 °C. A manutenção preventiva baseada em condições, como esta, reduz o tempo de inatividade não planejado do tanque em mais de 40%.

Estratégia 5: Preenchimento a vácuo e desgaseificação antes da selagem.

Antes de preencher o reservatório, remova o gás e o óleo. Aplique um vácuo inferior a 10 Pa e mantenha-o por pelo menos 2 horas para remover gases e umidade dissolvidos. Após o preenchimento, verifique a vedação com espectrometria de massa de hélio e exija uma taxa de vazamento inferior a 1×10⁻⁶ Pa·m³/s. Um baixo teor de gás é a condição fundamental para suprimir descargas e a ruptura de bolhas.

Estratégia 6: Qualificar com um teste de envelhecimento por imersão em óleo.

Execute o teste de qualificação no capacitor finalizado, imerso em óleo, a 90 °C e 1.2 vezes a tensão CA nominal, durante 1000 horas. Meça a capacitância, o fator de dissipação (DF_eff) e a diferença de potencial (PD) a cada 100 horas. Aceite uma deriva de capacitância de ±2% ou menos, um aumento de DF_eff de 0.05% ou menos e uma PD igual ou inferior a 5 pC, sem tendência de aumento. Somente as combinações que passarem neste teste terão uma vida útil projetada superior a 10 anos.

Parâmetro do componente	Valor típico	Condição de teste
Tensão nominal (série HVCT8G)	10 kV CC	alta potência 1.5× por 60 s
Capacidade	4700 pF ±20% (472M)	1 MHz, 1 V rms
ESR a 1 MHz	abaixo de 50 mΩ	-
Indutância do laço (corda E40)	abaixo de 8 nH	Espaçamento entre terminais de 40 mm
resistência de isolamento	acima de 10 GΩ a 500 V CC	25 °C, 60% UR
Faixa de temperatura	-40°C a +125°C	Série IEC 60068-2
Capacidade de dv/dt de pulso	acima de 50 kV/µs	na tensão nominal

5. Capacitores HVC para tanques CT imersos em óleo

Um tanque que opera por 10 anos mantém seu óleo limpo e suas interfaces secas. Ambas as condições dependem da embalagem do capacitor. A HVC fabrica componentes N4700 Classe I para imersão em óleo em uma fábrica própria de 6,000 m² em Dongguan, em uma faixa de tensão de 1 kV a 150 kV.

Seis parâmetros que importam aqui.

• Inchaço igual ou inferior a 1.5%. A resina epóxi de baixa polaridade, de grau médico, mantém sua massa e resistência à tração após 1000 horas em óleo a 85 °C, garantindo a vedação.
• PD igual ou inferior a 5 pC. A formação precisa do eletrodo e a modelagem do campo de interface mantêm o nível de descarga baixo sob imersão em óleo, o que retarda o envelhecimento na interface óleo-sólido.
• DF_eff abaixo de 0.05%. A baixa perda dielétrica mantém o tanque resfriado, e um coeficiente de temperatura entre −4700 ppm/°C ±1000 ppm/°C mantém o comportamento do filtro e do armazenamento estável.
• Metalização resistente à corrosão. Eletrodos internos de níquel-cromo e terminações antioxidantes multicamadas garantem a confiabilidade da solda e baixa resistência de contato em óleo envelhecido.
• Embalagem para a cavidade. Radial, axial, capacitores maçaneta e as formas modulares se adaptam ao layout do tanque, e resistores de amostragem HVRGHP e HVR-BSP resistores de classificação Complete a rede de equalização.
• Referência cruzada com marcas de primeira linha. As peças HVC correspondem aos parâmetros elétricos e indicadores de confiabilidade de Murata, Vishay e TDK séries de alta tensão, utilizadas em sistemas de TC e DSA para OEMs médicos da Fortune 500.

Entrega e suporte

As peças padrão são enviadas em 4 a 8 semanas e os conjuntos de imersão em óleo em 6 a 10 semanas, em comparação com a norma de 20 a 30 semanas para as marcas acima. A engenharia de aplicações da HVC oferece suporte a testes de compatibilidade óleo-material, simulação de campo de interface, revisão do processo de enchimento a vácuo e projeto de testes de envelhecimento.

Envie o tipo de óleo, a temperatura do tanque, a classificação em kV e o desenho da cavidade. A HVC enviará uma lista de compatibilidade de capacitores com os números de peça, dados de compatibilidade de óleo e um kit de avaliação com duas amostras em até cinco dias úteis.

6. Perguntas frequentes

P1: Por que o óleo isolante ataca um capacitor?

O óleo é um solvente para os grupos polares em uma rede epóxi. Ele penetra no polímero, adiciona massa e reduz a densidade de ligações cruzadas, fazendo com que o material inche e sua resistência à tração diminua. Um inchaço acima de 3% abre microfissuras, permitindo que o óleo atinja a interface cerâmica-eletrodo. A partir desse ponto, a capacitância sofre deriva e as perdas aumentam. Uma resina epóxi de baixa polaridade e alta densidade de ligações cruzadas mantém o inchaço em 1.5% ou menos após 1000 horas a 85 °C, preservando a interface selada.

Q2: Qual limite de intumescimento o encapsulante deve atender?

Mantenha o valor de S igual ou inferior a 1.5% após 1000 horas em óleo a 85 °C, com retenção de resistência à tração de pelo menos 80%. Realize o teste na temperatura de serviço, e não a 25 °C, pois a absorção de óleo praticamente dobra a cada aumento de 10 °C a 15 °C. Acima de S = 3%, a variação de volume da resina epóxi abre microfissuras e a vedação é perdida. Meça a massa antes e depois da imersão na peça acabada, e não em um cupom de resina epóxi sem revestimento.

P3: Quando o envelhecimento do óleo se torna um problema?

Quando o índice de acidez ultrapassa 0.1 mg KOH/g, os ácidos atacam as juntas de solda e os eletrodos metálicos, a resistência de contato aumenta e a junta aquece. Mantenha o índice de acidez abaixo de 0.05 mg KOH/g, a umidade abaixo de 20 ppm e o tanδ abaixo de 0.5% a 90 °C. Eletrodos internos de níquel-cromo e revestimento antioxidante nas extremidades retardam o ataque, e um filtro de óleo de 10 µm remove as partículas que o transportam.

Q4: Como faço para evitar que partículas entrem no óleo?

Instale um filtro com poros de 10 µm ou mais finos e um contador de partículas online. Mantenha a concentração de partículas abaixo de 100 mg/L e o tamanho das partículas abaixo de 25 µm. Acima desses valores, o campo polariza as partículas e as atrai para a região de maior intensidade, onde elas formam pontes condutoras e reduzem a distância de isolamento efetiva. Nesse estado, a tensão de ruptura pode cair em mais de 30%.

Q5: O que o enchimento a vácuo proporciona?

Remove o gás dissolvido e a umidade do óleo e da cavidade. Reduza a pressão para menos de 10 Pa e mantenha por pelo menos 2 horas, depois encha e teste o vazamento com hélio a uma taxa inferior a 1×10⁻⁶ Pa·m³/s. O gás remanescente no tanque forma bolhas, e uma bolha se rompe a uma voltagem muito menor do que o próprio óleo. Um baixo teor de gás é a condição básica para manter a PD em ou abaixo de 5 pC durante a vida útil.

Q6: Como posso qualificar um capacitor imerso em óleo?

Realize um teste de envelhecimento em imersão em óleo na peça acabada: 90 °C, 1.2 vezes a tensão CA nominal, 1000 horas, com medição de capacitância, DF_eff e PD a cada 100 horas. Aceite uma deriva de capacitância de ±2% ou menos, um aumento de DF_eff de 0.05% ou menos e PD igual ou inferior a 5 pC, sem tendência de aumento. Um teste em bancada seca não substitui esta etapa, pois o óleo e a resina epóxi interagem apenas quando ambos estão presentes em temperatura ambiente.

7. Referências

1. IEC 60601-1:2005+AMD1:2012, Equipamentos eletromédicos — Parte 1: Requisitos gerais de segurança básica e desempenho essencialGenebra: IEC, 2012.
2. CEI 60601-2-54, Equipamentos eletromédicos — Parte 2-54: Requisitos particulares para a segurança básica e o desempenho essencial de equipamentos de raios X para radiografia e radioscopiaGenebra: IEC, 2018.
3. CEI 60384-8, Capacitores fixos para uso em equipamentos eletrônicos — Parte 8: Capacitores fixos com dielétrico cerâmico, Classe 1Genebra: IEC, 2015.
4. CEI 60270, Técnicas de teste de alta tensão — Medições de descarga parcialGenebra: IEC, 2015.
5. Erickson, RW e Maksimović, D., Fundamentos de Eletrônica de Potência, 3ª ed. Cham: Springer, 2020.
6. Mohan, N., Undeland, TM, e Robbins, WP, Eletrônica de Potência: Conversores, Aplicações e Projeto, 3ª ed. Hoboken, NJ: Wiley, 2003.
7. R. Sarathi e G. Koperundevi, Investigação da atividade de descarga parcial de uma única partícula condutora em óleo de transformador sob tensões CC usando a técnica UHF, IET Science, Measurement & Technology, vol. 3, no. 5, pp. 325-333, 2009. https://doi.org/10.1049/iet-smt.2008.0136
8. Notas técnicas sobre projeto e confiabilidade de capacitores (índice inclui Temporada de Arco, Efeitos Corona e Impacto do Layout da PWB em Falhas de Alta Tensão), Johanson Dielectrics, Inc., https://www.johansondielectrics.com/tech-notes/capacitors-all/ .
9. GB/T 6346.1-2024, 电子设备用固定电容器 第1部分：总规范 (Capacitores fixos para uso em equipamentos eletrônicos – Parte 1: Especificação genérica). Pequim: 国家市场监督管理总局, 2024.
10. IEC 61071:2017, Capacitores para eletrônica de potência, Ed. 2.0. Genebra: Comissão Eletrotécnica Internacional, 2017.
11. Equipe de Engenharia de Aplicações HVC, Capacitor Cerâmico De Alta Tensão Recursos técnicos, https://www.hv-caps.com