Конструкция и производство на кондензатори

за компенсация на коефицента на мощност в мрежите за ниско напрежение

             В статията се обсъжда качеството на кондезаторите ZEZ SILKO сравнени с евтините изделия от Азия, а също така се разказва за подходи за оптимизация на разходите.

Въведение

                Фирмата ZEZ SILKO, s.r.o.  (Жамберк, Република Чехия) е чешки производител на силови кондензатори (в СССР са пускали продукция под марката ZEZ Praha), който отдавна и добре се е доказал в Европа и на другите контитенти. Кондензаторите от завода се използват главно в енергетиката (традиционната, а също така и в слънчевата и ветрената), в транспортната техника (скоростни влакове, градски електротранспорт), в индукционното нагряване и металургията, а също така и в много други сектори на промишлеността, включващи толкова изисквани и взискателни като ядрените изследвания (става дума за многото години доставка на силови кондензатори ZEZ SILKO в CERN (Женева) за работа на ускорителите в Европейския център за ядрени изследвания и в частност адронния колайдер. 

               Компанията има 80-годишен опит в производството на силови кондензатори в Чехия, което е започнало след получаването на лиценз от компанията MIKAFIL (Франция) през 1934 година, и се развило, особено в последните 25 години, в напреднало производство. То е оборудвано със съвременно намотъчно, машинно и автоматично оборудване на известни световни компании (METAR machines, HILTON), на които се провеждат всички важни операции по изготвянето на кондензаторите. Технологичното оборудване от висок клас в съчетание с използването на материали и компоненти от най-добрите производители, а също така и опитен екип от конструктори, осигурява в процеса на производство много висок процент на висококачествените изделия в продукцията (кондензатори и индуктори). Това позволява да се избегнат непродуктивно времеви и човешки разходи за контрол в процеса на производството или за коригиране на допуснатите отклонения или бракуване поради разминаване. Осигуряването на висока степен на стабилност, надеждност и дълготрайност гарантира на всеки клиент комфортно използване на тези чешки изделия във всякакви условия на околната среда и състоянието на мрежите и веригите. Тоест, например, обвивката на свързващите проводници ще започне да се топи, но кондензаторите ZEZ SILKO (рис. 1) ще издържат. В това вече са имали възможност да се убедят потребителите от Жлобин (Беларус) до Уст Каменогорск (Казахстан).

                При разработването на нови изделия във фирмата се изхожда не само от опита и знанията получени в хода на производството на кондензатори, но също така от идеите и откритията на собствения отдел за развитие. Не на последно място, те се опират и на резултатите от многобройните тестове и проверки за издръжливост въпреки повреди, както в краткосрочен, така и в дългосрочен план, извършени в нашата собствена лаборатория за изпитване и в независими външни центрове за изпитване, по-специално в Германия. Резултатите от типовите и приемните изпитания се представят на клиента по негово желание.

                В края на статията читателят ще намери фотоприложение, където като примери са показани резултатите от неправилната конструкция или примери за отклонения от технологията в производството на някои (предимно азиатски) съвременни производители на кондензатори. Тези нарушения и отклонения са избрани като пример именно защото те не са случайни, има признаци за системни недостатъци в технологията на производство. Имената на компаниите производители няма да се споменат, тъй като антирекламата не е целта на статията. Също така не се разглеждат различните съзнателни отстъпления от някои производители на добре познатите правила за изчисляване на кондензаторите под формата на приложение, например, по-тънък диелектрик. Такива «трикове» не се явяват като пряко нарушение на технологията, но позволяват да се предложи по-евтин кондензатор,като за негов товар се предлага широколентов дросел без него използването на такъв нежен кондензатор е възможно само в мрежи с идеална косинусоида и без хармоници, което е възможно само на теория.  

Капацитивна  секция

                Най-важната част в кондензатора е капацитивна секция . Свойствата му са едни от ключовите фактори за високата надеждност и дълготрайност. Секцията по стандарт се изготвя чрез навиване на два метализирани полипропиленови филма във вакуум. Материалите за метализация са обикновено Zn, сплав ZnAl или Аl. Използват се филми различни по дебелина и широчина в зависимост от номиналното напрежение и необходимата мощност на кондензатора. Дебелината на полипропиленовото фолио обикновено е в интервала между 5-10 µm и широчина –  37,5-100 mm. Съществено условие за качествения кондензатор се явява използването на качествени полипропиленови филми на известни доказани производители. Естесвеният компонет осигуряващ качеството на тази позиция са входните тестове, както и наличието на сертификати за качество, предоставени от производителя на този филм. В допълнение към това, много важна роля в производството на кондензаторите играе съвременното намотъчно оборудване, оптималните условия за работа и спазването на изискванията за чистота, температура, влажност на въздуха в работните помещения, а също така и безупречната и отработена до най-малките детайли технология за изготовлението на целия кондензатор.

                След намотаване на секциите следва операция шопиране . Тя се състои в нанасянето на тънък слой метал (цинк) в двете крайни страни на секцията. Тези шопирани платформи осигуряват електрически контакт на отделната секция в общата конструкция на кондензатора. След това следват важни технологични операции по стабилизацията на температурата в секцията, каляване  и последващи контролни измервания за съвпадение на капацитета и tga.

Свързаве, съединяване, спойки

                Съединяването на секциите в куп става с медни проводници. При производството на трифазен кондензатор обикновено три отделни секции се включват по схемата триъгълник. Самата операция на свързване на секциите, а именно запояването на проводниците по шопираните краища на секцията, е също много важна. При тази операция съществува риск от термично повреждане на секцията, така и обратното, при недостатъчно запоено съединение има опасност за възникването на така наречените студени пукнатини. Напречното сечение на проводниците е необходимо да бъде правилно изчислено, като се вземе предвид не само номиналният ток (I = 2πfCU), но също така и на възможното увеличаване на тока поради наличието на висши хармоници в реалната мрежа. Изводните проводници, които се извеждат на клемите, имат така нареченият стопяем предпазител .  Той трябва безопасно да изключи кондензатора в случай на авария или недопустимо претоварване. По същество, става дума за точно определено механическо отслабване (стеснение) на проводника, което в процеса на производство трябва да бъде изпълнено с висока точност, за да се гарантира неговото надеждно и правилно сработване в нужния момент.

Монтаж в корпуса, импрегнация

                Готовите за монтаж секции заедно с изолацията се монтират в алуминиев корпус. Монтажът се извършва на специализирано устройство, което обезпечава необходимата безопасност на корпуса и фиксиране на изходите с преходни изолатори към корпуса. По този начин изготвените кондензатори отиват за изсушаване и вакуумиране. Непосредствено след тези операции следва запълванео на кондензатора с нелетлив газ – азот. Друго необходимо условие за производството на кондензаторите, напълнени с газ, се явява изключителната херметичност на корпуса. Затова следващата операция е 100% проверка на всички изготвени кондензатори чрез използването на специално оборудване за определяне нивото на нехерметичост. Това устройство може с изключително висока чувствителност да открие какъвто и да е микроскопичен теч.

                И накрая, на кондензатора се инсталират разрядни резистори и минава изпитания съгласно стандартите на IEC (EN).

Политика на качеството и сертификация

Качеството на своите продукти ZEZ SILKO предоставя по следния начин:

·         Входяща проверка на ключовите материали;

·         Закупуване на материали само от известни и признати производители;

·         100%-ов контрол на решаващите операции;

·         Редовно обучение на служители;

·         100%-ов краен контрол съгласно IEC (EN), с оформление на протоколи за контрол и записване на получените параметри.

                Проведени са типови изпитания в независими лаборатории VDE (Германия), в CESI (Италия); получен е сертификат UL810 (за северноамериканските потребители). Сертификатът ISO 9001 ZEZ SILKO е получила през 1999г. В момента компанията се намира в стадий на сертификация съгласно стандарта IRIS — получаване на сертификат за производителя за енергопреносната мрежа и тягови средства на железопътния транспорт. Ние внимателно се отнасяме към околната среда. Осигурено е съответствие с RoHS Директивата, както и с изискванията за екологично депониране на отпадъците; използват се само безопасни материали.

Как не трябва да бъде...

Грешки в конструкцията или технологията на продукти на някои производители от Азия

                Това, че някои производители на кондензатори не спазват разгледаните по-горе критерии при конструирането и производство на кондензатори, свидетелства в следващите снимки на кондензатори от чуждо производство, които са попаднали в лабораторията на ZEZ SILKO, придружени с нашите пояснения и коментари.

                Както е показано на фиг.2, кондензаторите нямат гънки за безопасност на корпуса. Обикновено това се извършва на разстояние 20-30мм от горната част на корпуса и значително помага за надеждното изключване на кондензатора в случай на пренатоварване или аварийна ситуация.

                Гънката за безопасност на корпуса заедно с възможността за подуване на горната част на корпуса с около 10-15 мм осигуряват надеждна и безотказна функция на прекъсвача за налягане, което се е превърнало в неразделна част от производството, затова отсъствието му трябва да предупреди потребителя, тъй като това свидетелства за изоставане в технологията на производство у дадения производител. Липсата на гънка за безопасност на корпуса на кондензатора значително повишава риска от неконтролирано разрушение на корпуса в случай на авария или пренатоварване на кондензатора.

                При неправилно проектирани и неработещи прекъсвачи за налягане съществува също така много голям риск от разрив на корпуса от газове, които възникват при активен процес на регенерацията на метализираното полипропиленово фолио. Това може да се случи поради неправилна технология на производството на секциите или поради силно пренатоварване и повишена температура.

                По отношение на монтажа на температурния датчик като допълнителна мярка за сигурност, която позволява да се изключи или съхрани кондензаторът до задействането на аварийния прекъсвач за напрежение, то е необходимо да се отбележи следното: критическата температура на кондензатора с големи загуби ще бъде достигната очевидно по-рано от кондензатора с ниски загуби, и фактически такъв датчик позволява да се съхрани не много качествен кондензатор, който не търпи наличието на хармоници в мрежата или други отклонения от условията за експлоатация. Потребителят обаче в резултат на такава защита и изключването на прегрели кондензатори ще получи от мрежата некомпенсирана реактивна енергия, за която ще трябва да плати на доставчика на електроенергия, тоест кондензаторът в такива случаи не изпълнява своята пряка задача. Един правилно проектиран и избран въз основата на анализ на мрежата кондензатор ще се нагрява при определено ниво на хармоници или от каквито и да било други източници на повишена температура на работещите секции, но неговият запас на устойчивост ще позволи уверено да се осигури компенсация на мрежата на потребителя до нивото на пренатоварване определено от стандартите. По този начин, по наше мнение, монтажът на температурния датчик за изключване на кондензатора при неговото прегряване се явява като спорно решение.

                Некачественото пресоване на детайлите от пластмаса, например за терминалната клема, води до лошото съединение на тези части. В последствие на това отделни части не се държат в механизма и резултатът е очевиден на снимката. Не е особено необходимо да се изброява към какво води това: пробойна между контактите, ненадежден контакт между свързващите проводници и т.н.

 Разрядни резистори

                Неправилното разположение на разрядните резистори е показано на рис. 3. Резисторите в процес на работа се награвят в зависимост от приложената мощност (P = U2 / R).  В случая на поставяне на резистора на неподходящо място се извършва допълнително загряване на клемата, което може да доведе до нагряване на контакта, повишаване, в следствие на това, на преходното съпротивление в местата на съединение и последващите сериозни повреди.

 СЕКЦИЯ

                На рис. 4 са представени елементи на капацитивната секция. В случай на използване на неподходящ запълнител (напълнител на кондензатора) вече в течението на относително кратък период ще започне разбухване на полипропиленовото фолио и нейното увреждане – напукване, разслояване и други нарушения на метализацията. В резултат на това се увеличава стойността на коефицента на загубите, което ще доведе до повишаване на температурата в секциите и на свой ред ще ускори по-нататъшното унищожаване на метализацията на фолиото. В резултат на това ще последва скорошното излизане от строя на целия кондензатор. Кондензаторът спира да работи, т.е. не изпълнява своята функция, и се изключва от мрежата.

                Ние тук не оценяваме този факт, че показаната на снимката свръзка на секции е поставена в цилиндричен корпус. Очевидно е, че по такъв начин производителят се е опитал да покаже тези кондензатори, че тези кондензатори поне отвън отговарят на съвременните подходи в проектирането и производството на компенсационни кондензатори за низко напрежение. Но, както виждаме, този производител е бил длъжен да събере кондензатора от малки секции, което свидетелства за липсата на оборудване за навиване на големи секции, тъй като е очевидно, че такава „гирлянда“ даже теоретично отстъпва по надеждност на връзката от цели секции, т.е. на кондензатор, в който всяка секция е навита точно на необходимия капацитет.

Предпазители

            На фиг. 5 е показан резултатът от отказа на слабо конструиран предпазител. Средният предпазител е прекъснат, т.е. е сработил, а предпазителят отляво е цял, т.е. не е сработил. Това показва, че функцията на разделяне, на защита в този кондензатор не е сработила, както е трябвало. В този случай ние виждаме, че е имало откъсване на контакта на предохранителния проводник от шопированата повърхност на секцията. Правилно конструираният и инсталиран предпазител трябва винаги да сработва на разрив на електрическата верига. Както и при случая с неправилно изчисления и произведения разединител за напрежение, в случая при неправилно задействащите се електрически предпазители съществува сериозен риск от произволно разкъсване на корпуса от газове (взривяване на кондензатора), които в този случай възникват от непрекъсващия се авариен ток, надвишаващ позволените стойности.

Запояване

            На фиг. 6 е приведен пример за лоша технология на запояване. На фиг. 6а – съединенията не са слети, запояването се получава послойно. Недостатъчното нагряване на оловото е довело до така наречената студена пукнатина, съпроводено с високо преходно съпротивление, което в процеса на работа се нагрява и води до повишаване на температурата на кондензатора, което от своя страна, в най-добрия случай, води до намаляване срока на неговия живот.Голямото количество съединения в малък участък от шопирования край на секцията не е необходимо за правилната работа на кондензатора. Напротив: при запояване на големи контактни площадки се получава прекомерно награвяне на полипропиленовото фолио в местата на запояване. Това ще доведе до увреждане на фолиото под шопирания слой. В резултат се получава неизбежно намаляване срока на живот или дори нарушение на секцията и отказ на кондензатора.

                От снимките също така се вижда прекомерното използване на флюс – окислител, необходим за запояване. В резултат на използване на неподходящо средство то може да проникне в слоевете на секцията и да повреди метализацията. На фиг.6б, в струва да се обърне внимание на качеството на лицевите (шопировани краища) страни на секцията. Забележими пръстени и неравномерна структура на лицевата част на секцията на третата снимка свидетелстват за неосвоена технология за навиване на секцията. Имайте предвид, че само качествено навиване на секциите осигурява дълготрайност на кондензатора.

                Всички горепосочени технологични дефекти, т.е. неправилно запояване на проводниците, некачествено навити секции, неподходящ импрегнант и други технологични и конструктивни недостатъци, като резултат води до повишено нагряване на кондензаторите и значително намаляване на тяхната дълготрайност. В случай на неподходящи, неправилно конструирани или дори отсъстващи елементи за безопасност на кондензатора (например, предпазители-разединители срещу превишено налягане) съществува сериозен риск от увреждане на кондензаторите, разрив на корпуса или дори опасност от пожар с трайни последствия за заобикалящото оборудване и обслужващия персонал.

За подходите за оптимизация на разходите чрез компенсация на реактивна енергия

                Както се вижда по фиг. 2-6, такива изделия, поради ниското си технологично равнище и качество на изработка, не съответстват на изискванията на днешните пазари с огромното количество сложни потребители (различни преобразуватели, излъчващи в мрежата висши хармоници), голямо количество индуктивни товари, различни импулсни устройства и т.н.). Производителите на такива кондензатори разбират това и затова излизат на пазара с по-ниски цени, но до каква степен тези цени отговарят на понижените покзатели за качество на техните продукти?

                Производителите, осигуряващи високи показатели на качество, определят своите цени не само въз основа на текущата цена на суровините, разходите по работната сила и конюнктурата на пазара, но също така и на базата на дългогодишния опит на безотказна експлоатация на своите продукти, тъй като точно показателите за откупване, съотнесени с реалния срок на живот, позволяват да се определи справедливата пазарна цена (очевидно е, че един кондензатор, който е отработил 20 или повече години, трябва да струва най-малко 3 пъти повече от кондензатор, чийто срок на живот в най-добрия случай е 5-7 години – толкова «бюджетни» кондензатори са нужни, за да се покрие срокът на действие на един качествен кондензатор с определен срок на служба. Производителите на евтини кондензатори осъзнават недостатъците на своите продукти и дори отиват при потребителя със занижена цена, необяснявайки своята политика на ценообразуване, непредупреждавайки за реалната дълготрайност на своите кондензатори, добре разбирайки психологията на потенциалния купувач, който по различни причини не е способен и понякога дори не е заинтересован адекватно да оцени реалната цена на използването на «евтините» кондензатори (взривове, запалвания, престой на оборудването и персонала, допълнителни разходи по замяна на необосновани откази, преждевременно стареене, разходи за ремонт и пр.). Може да предположим, че и самите производители на такива «бюджетни» кондензатори не са способни справедливо да оценят своите продукти, цената на които трябва да бъде, очевидно, в пъти по-ниска по отношение на нивото на цените на висококачествените кондензатори, тъй като рисковете от употребата на такива кондензатори са много големи и реално те са готови винаги да нанесат щети на бюджета на предприятието – както и на този, който е поставил такива кондензатори в своето оборудване, така и на онзи, който използва това оборудване. На практика, обаче, потребителят вижда предложенията, макар и съблазнителни, но все пак неразличаващи се радикално от цените на водещите производители. Никой не смята загубите от такива кондензатори в отраслите, тези неоправдани загуби са скрити зад общите цифри на загубите на конкретното предприятие, за това няма никаква официална статистика, затова мащабите на повредите на такива кондензатори и икономическия спад от тяхното използване в мащабите на отраслите е неизвестен. Реално обаче той съществува, информацията се разпространява между специалистите, и това, безусловно, оказва натиск върху крайната цена на кондензаторите, не само на така наречените  «бюджетни», но и като цяло. На този феномен е необходимо да се спрем по-подробно: поради отсъствието на обективна информация за спирането на устройствата на конкретни производители се появява невежество и изкривени представи у хората, приемащи решения. Разбираемо е, че е невъзможно да се оцени правилно качеството на кондензаторите, но получавайки понятни и прости критерии за отличаване на качествените продукти от некачествените, придружени от почти идентични описания на техническите параметри и препратки към еднаквите стандарти, води до това, че се формира интуитивно усещане у купувачите, че цените на кондензаторите за всеки случай трябва да са по-ниски. Потребител, който дори разполага с необходимата изпитана база за входен контрол, не е гарантиран от това, че високите показатели на получените проби ще бъдат стриктно спазвани в бъдеще. Това обърква и влияе на ценовата политика на всичките производители. Затова понякога производителите на висококачествени кондензатори са принудени да отстъпят пред натиска на специалистите по  «ппродаваеми» цени, тъй като и двете страни са лишени от обективни насоки за оценка на качеството, а тези параметри, които са определени от стандартите като показатели на качеството, в действителност отразяват само примерно, най-ниското ниво, под което не трябва да се спуска. А именно това е записано в каталозите на производителите, тъй като и те самите не са много заинтересовани в разкриването на всички свои предимства. А тъй като конкурентите не се срамуват да използват снимки на кондензаторите на ZEZ SILKO в своите рекламни материали, може да се предположи, че и най-добрите показатели бързо ще се окажат там.

                Ние тук не говорим за международната система за осигуряване на качеството, тъй като наличието на акредитирани независими тестови центрове и лаборатории също така не дава пълна гаранция в смисъл на епизодичност и специфика на контрола.

Заключение

                По такъв начин, говорейки за справедливата цена за неогтоварящите кондензатори, необходимо е да се разбере, че, купувайки такова «евтино» устройство за сравнително ниска цена, потребителят парадоксално значително надплаща за неговата ненадеждност, несъответствие със стандартите, дълготрайност и други отклонения, свързани с неспазването на технологията, които не винаги могат да се определят по външния вид на изделието.

                Тук е уместно да се използва житейската мъдрост: «ние не сме достатъчно богати, за да купуваме евтини неща...». Обаче си спомнят за това накрая, както винаги, когато толкова успешно придобитият кондензатор изведнъж тихо спре да работи или шумно изгърми, толкова силно, че всичко, което е вътре в уреда, изгори. Ние прекрасно разбираме такива потребители,  и така наречените "рушвети" и още по-нататъшно стимулиране отговаря за покупките за честа смяна.

                Ако нашият анализ не Ви убеждава, ние няма да настояваме на нашата собствена гледна точка като единствената правилна. И въпреки че работим бързо, за да успяваме да изпълним множеството поръчки, но ние отдавна за никъде не бързаме, ние сме готови да изчакаме, докато потребителят сам не се увери във всичко – зад нас е опитът на многото поколения чешски производители на силови кондензатори и, между другото, такива прости свидетелства за правилно избрания път, както нашите дилъри, не само в Европа, но и в страните в Азия, продаващи нашите «скъпи» кондензатори в самия център на производство на «евтините» - в Китай, Пакистан, Иран, Турция.

Мотото на компанията «ZEZ SILKO — това е повече от просто един добър партньор!» става ясно, когато нашата продукция започнат да я сравняват в процеса на работа.

Сергей Чаплыгин

Владимир Фальта

ZEZ SILKO, s.r.o.

Настоящата публикация е изготвена със съдействието на „Шандор” ООД, гр. Пловдив.

Plovdiv, Bulgaria                                    www.kondenzatori.com                                 +359 898 528828