Analýza izolačního materiálu vrstvených přípojnic: Jak flexibilní a pevná izolace ovlivňuje výkon systému?

S rychlým vývojem nových energetických vozidel, systémů pro skladování energie, železniční dopravy a zařízení pro průmyslovou konverzi frekvence se laminované přípojnice staly klíčovými vodivými spojovacími součástmi ve vysokovýkonných elektronických systémech{0}}. Ať už se jedná o laminovanou přípojnici pro elektromobily, laminovanou přípojnici ve vysokovýkonovém měniči{2}} nebo přizpůsobenou laminovanou přípojnici pro IGBT, její výkon závisí nejen na konstrukci vodiče, ale také úzce na výběru izolačních materiálů.

 

Izolační systém přímo ovlivňuje výdržné napětí přípojnice, výkon při částečném vybíjení, životnost a celkovou spolehlivost. Pochopení vlastností flexibilní a tuhé izolace je zásadní pro navrhování vysoce-laminovaných nízko{2}}indukčních přípojnic.

 

 

 

Vrstvená přípojnice je vodivý spojovací systém složený z několika vrstev vodičů a izolačních materiálů, které patří k typické vícevrstvé kompozitní struktuře spojovací tyče.

 

Těsným naskládáním kladných a záporných vodičů a jejich izolací izolační vrstvou lze účinně snížit indukčnost smyčky, zlepšit výkon elektromagnetické kompatibility systému a snížit energetické ztráty. Proto je široce používán v:

 

Systémy pohonu elektrických vozidel
Konvertory pro ukládání energie (PCS)
Průmyslové frekvenční měniče
Fotovoltaické střídače
Železniční tranzitní energetické systémy
Zařízení s vysokým-napájením

 

Ve více{0}}vrstvých strukturách, jako jsou třívrstvé laminované přípojnice, poskytuje izolační materiál nejen elektrickou izolaci, ale také mechanickou ochranu a ochranu životního prostředí.

 

 

 

V současné době většina částečně laminovaných přípojnic používá flexibilní izolační fólie nalaminované na měděné vodiče.

 

Flexibilní izolační materiály jsou obvykle pevně spojeny s vodičem pomocí procesu lisování za horka-, čímž se na okrajích vodiče vytvoří úplné utěsnění, čímž se zlepší odolnost vůči vlhkosti a teplu, znečištění a stárnutí.

 

PET Polyesterový izolační materiál

PET je jedním z nejběžnějších izolačních materiálů pro vícevrstvé přípojnice.

Mezi jeho hlavní vlastnosti patří:

Dlouhodobá-provozní teplota až 105 stupňů ;
Vynikající tažnost; Méně náchylné k praskání při ohýbání.
Vynikající kvalita povrchu;
Dobré vlastnosti zpomalující hoření; Relativně ekonomické náklady.

Vzhledem ke svému vysokému CTI (relative tracking index) je PET zvláště vhodný pro vysokonapěťové aplikace.

PET materiály jsou široce používány v Subway Laminated Busbars a průmyslových energetických systémech.

Izolační materiál PI Polyimid

PI je vysoce-výkonný izolační materiál odolný vůči vysokým-teplotám-.

Mezi jeho hlavní výhody patří:

dlouhodobá-teplotní odolnost přesahující 200 stupňů;
Vynikající tepelná stabilita;
Dobrá svařitelnost; Vysoká vlastní retardace hoření.

Proto mají PI materiály významné výhody v IGBT laminovaných přípojnicích a aplikacích vyžadujících pájení kondenzátorů, induktorů a dalších součástí.

PI materiály však mají relativně slabší vlastnosti pro sledování povrchu a jsou dražší než PET. Obvykle se používají spíše ve speciálních aplikacích než v konvenčních konstrukcích.

 

 

Pružná izolace primárně pokrývá vodič, zatímco tuhá izolace slouží hlavně jako konstrukční izolace mezi vrstvami vodičů.

 

Ve vysokonapěťových systémech často nestačí pouze tenkovrstvá izolace ke splnění požadavků na částečný výboj a povrchovou vzdálenost, což vyžaduje přidání pevných izolačních vrstev.

 

Mezi běžné tuhé izolační materiály patří:

Polyesterová deska vyztužená skelnými vlákny

Deska z epoxidového skelného vlákna

Izolační kompozitní materiály s vysokou{0}}pevností

Tloušťka tuhé izolace se obvykle určuje na základě provozního napětí systému.

 

V obecném inženýrském designu:

Na každé zvýšení provozního napětí o 1 kV je zapotřebí přibližně 1 mm izolační vzdálenosti.
Čím vyšší je úroveň napětí, tím větší je tloušťka tuhé izolace.
Vysokonapěťové systémy mohou vyžadovat izolační struktury 3–6 mm nebo dokonce silnější.

 

Tuhá izolace se proto ve vysokonapěťových aplikacích, jako je například vysokonapěťová výbušná-přípojnice měniče, stala nepostradatelnou a zásadní součástí.

 

 

RTI-Relativní teplotní index

RTI (Relative Thermal Index) představuje nejvyšší teplotní třídu, při které může izolační materiál pracovat nepřetržitě po dlouhou dobu.

Tento index se používá k hodnocení schopnosti materiálu zachovat si mechanickou pevnost a elektrické vlastnosti za dlouhodobých-podmínek tepelného stárnutí.

Obvykle:

 

Vyšší teploty zkracují životnost materiálu.

S každým zvýšením teploty o 10 stupňů se životnost materiálu může zkrátit na polovinu.

S každým poklesem teploty o 10 stupňů se životnost materiálu může zdvojnásobit.

Proto je pro dlouhodobě-provozované vrstvené přípojnice pro složité instalace přípojnic rozhodujícím faktorem při výběru materiálu RTI (Relative Tracking Index).

 

CTI-Relativní index sledování

CTI vyhodnocuje odolnost povrchu izolačního materiálu vůči stopování.

Vyšší hodnoty CTI:

Menší požadavky na povrchovou vzdálenost;
Silnější odolnost proti znečištění;
Bezpečnější a stabilnější provoz při vysokém napětí.

Pro aplikace nad 1000 V je CTI často kritickým parametrem určujícím návrh izolace.

 

Prodloužení

Tažnost odráží schopnost materiálu odolávat praskání a ztenčování během natahování.

Vysoká tažnost znamená:

Lepší vhodnost pro složité ohýbací procesy;
Snadnější utěsnění okraje vodiče;
Vyšší spolehlivost izolace.

PET materiály mají typicky tažnost přesahující 100 %, zatímco PI materiály mají obecně tažnost nižší než PET.

 

 

Průmyslové energetické systémy

Průmyslové aplikace obvykle zahrnují:

Provozní napětí od 1000V do 6000V;
dlouhodobé-provozní požadavky;
Vysoké požadavky na částečný výboj;
Přísné specifikace povrchové vzdálenosti.

Laminované přípojnice pro tří{0}}úrovňové měniče a velké sběrnicové systémy měničů proto často využívají kombinaci flexibilní a tuhé izolace.

 

Nové aplikace energetických vozidel

Nové systémy energetických vozidel obvykle pracují při napětích soustředěných v:

400V plošiny

800V platformy

Vzhledem k relativně nižším úrovním napětí:

Nižší požadavky na částečný výboj;
Pevná izolace není ve většině scénářů vyžadována.
Důraz je kladen na lehký design a využití prostoru.

Laminované přípojnice pro elektrická auta proto často využívají lehké vrstvené struktury, aby splnily požadavky na vysokou hustotu výkonu.

 

 

 

Kromě tradiční laminované izolace jsou běžnými způsoby izolace také práškové lakování a epoxidové lakování.

 

Tyto procesy jsou vhodné pro složité struktury nebo aplikace s jedním-vodičem a dosahují:

Ochrana povrchové izolace;
Ochrana proti korozi;
Ekologické těsnění.

U přípojnicových systémů vyžadujících nízkou indukčnost a vysokou spolehlivost však zůstává hlavním řešením vrstvená izolace.

 

 

S nepřetržitým vývojem technologie výkonové elektroniky se laminované přípojnice vyvinuly z jednoduchých vodivých konektorů na klíčové komponenty integrující vodivost, odvod tepla, izolaci a elektromagnetickou optimalizaci. Vhodný výběr izolačních materiálů přímo ovlivňuje bezpečnost, spolehlivost a životnost systému, ať už se jedná o nová energetická vozidla, železniční dopravu nebo průmyslová zařízení pro přeměnu energie.

 

Pro modernílaminovaná přípojniceFlexibilní izolace je odpovědná za dosažení účinného zapouzdření vodičů, zatímco tuhá izolace splňuje požadavky na odolnost proti vysokému-napětí. Společně zajišťují dlouhodobý-stabilní provoz celého energetického systému.