Конденсаторная бумага

Остается основным типом твердого органического диэлектрика, так как обладает высокими значениями электрической и механической прочности, относительной дешевизной и неограниченной сырьевой базой.

Для изготовления бумажных конденсаторов применяют специальную бумагу, отличающуюся весьма малой толщиной, малым содержанием неорганических примесей и выпускаемую с различным значением плотности.

Основой бумаги является клетчатка-целлюлоза – это полимерный углеводород, содержащий три гидроксильных группы, что определяет ее полярность, гигроскопичность и высокое значение . Клетчатка имеет плотность , ; при и Гц.

Непропитанная конденсаторная бумага содержит на 20-50% воздуха (по объему) и 6-10% воды (по массе).

По объемной массе выпускается 4 типа конденсаторной бумаги:

Тип бумаги	Объемный вес (плотность),
КОН08
КОН1
КОН2
КОН3

Бумага должна быть однородной и содержать минимальное количество структурных дефектов. Недостатком бумаги является неизбежное присутствие в ней некоторого количества токопроводящих включений (ТПВ) в виде частиц угля, а также железа и меди или их окислов. В случае тонкой конденсаторной бумаги размеры этих частиц могут быть соизмеримы с толщиной бумаги, то есть они могут давать сквозное короткое замыкание листа.

Для улучшения электрических характеристик бумаги проводят ее сушку под вакуумом и пропитку жидким диэлектриком.

В толщине бумажной ленты происходит чередование слоев клетчатки и разделяющих их пор воздуха. Рассмотрим эквивалентную схему, в которой соединены последовательно емкость клетчатки- и емкость пор воздуха- .

Х – относительное содержание пор в бумаге;

Для последовательно соединенных емкостей имеем:

и .

Используя формулу емкости плоского конденсатора и принимая толщины слоев клетчатки и пор равными:

и , где - суммарная толщина бумаги, находим

[197]

Величину можно найти зная плотность бумаги и плотность клетчатки :

.

Для сухой непропитанной бумаги , тогда .

Например, для бумаги типа КОН08 и ; КОН1 и ; КОН2 и .

Таким образом, непропитанная бумага имеет значительно ниже, чем клетчатка, за счет последовательного включения слоев воздуха, заполняющего поры.

В случае пропитанной бумаги , поэтому бумаги тоже возрастает. В пределе при величина пропитанной бумаги стремится к некоторому конечному значению:

.

Для бумаги КОН08 ; КОН1 ; КОН2 .

Формула [197] соответствует полному заполнению пор бумаги жидким диэлектриком.

Можно найти выражение, связывающее угол потерь конденсаторной бумаги с величиной угла потерь клетчатки и вещества, заполняющего поры в бумаге. Для сухой непропитанной бумаги получим:

[198]

Эта формула показывает, что при увеличении , то есть при снижении плотности бумаги , следует ожидать снижения угла потерь.

Зависимость угла потерь конденсаторной бумаги от температуры при частоте 50 Гц при различной диэлектрической проницаемости вещества, заполняющего поры в бумаге изображена на рис.73.

Исходя из последовательной эквивалентной схемы, можно представить что пробой конденсаторной бумаги при переменном напряжении происходит в две стадии: сначала большая часть напряжения прикладывается к меньшей емкости пор , заполненных газом или пропиточной массой, происходит пробой газообразной или жидкой фазы, после чего все напряжение прикладывается к емкости клетчатки и она пробивается. Можно получить следующее выражение:

, [199]

где – толщина бумаги в мкм;

– пробивное напряжение вещества, заполняющего поры.

С ростом плотности бумаги электрическая прочность растет. С увеличением толщины бумаги электрическая прочность падает (рис.74).

После пропитки электрическая прочность бумаги возрастает, так как увеличивается значение . Увеличение дает улучшение однородности распределения напряжения между порами и клетчаткой, что способствует повышению электрической прочности.

В случае постоянного напряжения распределение напряжения между и будет определяться значениями проводимостей. Проводимость пропиточных масс обычно выше, чем клетчатки, поэтому основная доля напряжения приходится на волокна клетчатки. При постоянном напряжении бумага с большей плотностью сохраняет свое преимущество перед бумагой с меньшей плотностью, как при кратковременном, так и при длительном воздействии напряжения (рис.75).

При переменном напряжении преимущество более плотной бумаги сохраняется лишь при кратковременном действии напряжения, так как благодаря меньшим потерям в менее плотной бумаге снижается перегрев конденсатора, что замедляет старение, а так как ионизационные процессы развиваются медленнее при снижении плотности бумаги, так как облегчается рассасывание газов, выделяющихся при этих процессах. Практически бумага с плотностью 1200 предназначена для работы при постоянном напряжении, а бумага с плотностью 1000 и 800 – при переменном напряжении, причем первая из них – при пропитке нефтяным маслом, а вторая – при пропитке полярными хлорированными жидкостями. Для постоянного напряжения желательно даже иметь бумагу с еще большей плотностью порядка 1300 ,которая может дать дополнительное повышение ; увеличение потерь у такой бумаги при постоянном напряжении неопасно. Поэтому конденсаторная бумага марок КОН08 и КОН1 применяется при работе на переменном напряжении, а КОН2 и КОН3 – на постоянном напряжении.