الأجسام الخزفية لموصلات HVDC وصمامات الطاقة الجديدة: خصائص المواد والمعادن

تتطلب أجسام سيراميك موصل HVDC وأنابيب سيراميك الصمامات ذات الجهد العالي عزلًا كهربائيًا أعلى من 15 كيلو فولت/مم، وقوة ميكانيكية مستقرة تحت التدوير الحراري، وترابط سيراميك معدني موثوق به - أثناء انقطاع التيار المستمر . 95% على نطاق واسع. يتم اختيار سيراميك الألومينا على نطاق واسع لأن قوته العازلة، والتوصيل الحراري، وتوافق الفراغ يفي بمتطلبات أنظمة بطاريات EV، ووحدات حماية ESS، وإلكترونيات الطاقة عالية الجهد.

 

بالنسبة لتطبيقات HVDC، لا يعتمد أداء السيراميك على تركيبة المادة فحسب، بل يعتمد أيضًا على سمك المعدنة، والتحكم في التصاق Mo-Mn، وملف درجة حرارة اللحام بالنحاس، ودقة الأبعاد. يجب على الشركة المصنعة لجسم السيراميك المؤهل التحكم في سلسلة العملية الكاملة بدءًا من تشكيل السيراميك وحتى فحص CMM واختبار تسرب الهيليوم.

 

 

 

متطلبات أداء الجسم الخزفي لقواطع HVDC تحت أنظمة التيار المستمر من 900 فولت إلى 1500 فولت

 

على عكس أجهزة تبديل التيار المتردد، تواجه موصلات HVDC طاقة القوس المستمرة أثناء انقطاع التيار لأن التيار المستمر لا يحتوي على نقطة عبور صفرية طبيعية. يوفر الغلاف الخزفي عزلًا كهربائيًا ويحافظ على الفراغ الداخلي أو الغاز-في ظروف محكمة الغلق.

 

يجب أن يتحمل الجسم الخزفي:

متطلبات عزل جهد التيار المستمر من منصات البطاريات 450 فولت إلى 1500 فولت

دورات انقطاع القوس المتكررة فوق 100000 عملية

الصدمة الحرارية الناجمة عن التغيرات السريعة في درجات الحرارة

الإجهاد الميكانيكي الناتج عن هياكل الختم المعدنية

متطلبات تسرب الفراغ أقل من 1×10⁻⁹ Pa·m³/s

 

المتطلبات الهندسية النموذجية لمكونات السيراميك HVDC:

المعلمة	المتطلبات النموذجية	طريقة الاختبار
مادة السيراميك	95% ألومينا (Al₂O₃)	تحليل تكوين المواد
قوة عازلة	>15 كيلو فولت/مم	إيك 60243
مقاومة الحجم	>10¹⁴ أوم·سم	إيك 60093
الموصلية الحرارية	20–25 W/m·K	أستم E1461
قوة العاطفة	>300 ميجا باسكال	ايزو 14704
درجة حرارة التشغيل	-55 درجة إلى +200 درجة	اختبار التدوير الحراري
التسامح الأبعاد	± 0.01 ملم	فحص سي إم إم

 

يحتوي سيراميك الألومينا بنسبة 95% على حوالي 95% من أكسيد الألومنيوم مع إضافات الطور الزجاجي الخاضعة للرقابة. توفر البنية المجهرية قوة ميكانيكية أعلى من العديد من المواد العازلة التقليدية مع الحفاظ على خصائص كهربائية مستقرة في درجات حرارة مرتفعة.

 

مخاطر فشل العزل الخزفي في موصلات HVDC وتجميعات الصمامات

 

ترتبط أعطال الجسم الخزفية الشائعة بما يلي:

شقوق داخلية صغيرة -تنتج عن درجة حرارة التلبيد غير المناسبة

انخفاض قوة التصاق المعدن

لحام الفراغات بين أطراف السيراميك والنحاس/المعدن

عدم تطابق التمدد الحراري بين المكونات الخزفية والمعدنية

يجب مطابقة معامل التمدد الحراري بعناية:

 

مادة	معامل التمدد الحراري (×10⁻⁶/K)	النظر في التطبيق
95% سيراميك ألومينا	6.5–7.5	مناسبة للتعدين والنحاس Mo-Mn
النحاس C1100	16.5	يتطلب إجهاد اللحام المتحكم فيه
سبائك كوفار	5.0–5.5	سبيكة مانعة للتسرب شائعة للجمعيات الخزفية
الفولاذ المقاوم للصدأ 304	17.2	يتطلب تصميم تعويض التوسع

 

قد يؤدي عدم التطابق الذي يتجاوز النطاق المصمم إلى توليد إجهاد متبقي أثناء التبريد بعد اللحام بالنحاس، مما يؤدي إلى تشقق السيراميك.

 

 

 

مقارنة المواد لأنابيب السيراميك ذات الصمامات عالية الجهد وتطبيقات غلاف الموصل

 

95% من الألومينا والسيراميك الاستيتيت كلاهما مواد عازلة للكهرباء، لكن أداءهما يختلف بشكل كبير في بيئات التيار المستمر ذات الجهد العالي.

ملكية	95% سيراميك ألومينا	سيراميك ستاتيت
محتوى Al₂O₃	95%	30–45%
قوة عازلة	>15 كيلو فولت/مم	8-12 كيلو فولت/مم
قوة العاطفة	300-400 ميجا باسكال	120-200 ميجا باسكال
الموصلية الحرارية	20–25W/m·K	2–4W/m·K
مقاومة الصدمات الحرارية	عالي	واسطة
الدقة الميكانيكية	± 0.01 مم يمكن تحقيقه	±0.03 ملم نموذجيًا
تطبيق الجهد العالي DC	مُستَحسَن	محدود
مستوى التكلفة	أعلى	أدنى

 

بالنسبة للأنابيب الخزفية ذات الصمامات- ذات الجهد العالي والتي تعمل بموجب متطلبات IEC 60269، يوفر سيراميك الألومينا مقاومة أفضل ضد الحرارة القوسية- والصدمات الميكانيكية.

يُستخدم السيراميك الحجري بشكل أساسي في المكونات العازلة ذات الجهد المنخفض-حيث يكون التدوير الحراري وإجهاد العزل الكهربائي أقل.

 

متطلبات تصميم أنبوب السيراميك للمصهر عالي الجهد وفقًا لمعايير IEC 60269

 

يجب أن تحافظ أنابيب السيراميك الخاصة بصهر الطاقة الجديدة على:

القدرة على إطفاء القوس

مقاومة درجات الحرارة العالية

مسافة عزل مستقرة

القوة الميكانيكية أثناء انقطاع تيار الخطأ

 

تشمل التطبيقات النموذجية ما يلي:

حماية الصمامات لحزمة بطارية EV

حماية خزانة بطارية تخزين الطاقة

أنظمة حماية DC العاكسة للطاقة الشمسية

شحن وحدات الطاقة كومة

بالنسبة لأنظمة حماية بطارية الليثيوم التي يتجاوز تيارها المستمر 500 أمبير، يؤثر تصميم الأنبوب الخزفي بشكل مباشر على موثوقية الانقطاع.

 

طلب تقييم وسعر مجاني من سوق دبي المالي

 

 

طبقة معدنة Mo-Mn مع قوة التصاق يمكن التحكم فيها

لا يمكن للسيراميك نفسه أن يرتبط مباشرة بالنحاس أو الكوفار أو الفولاذ المقاوم للصدأ بسبب اختلاف كيمياء السطح بين هياكل أكسيد السيراميك والمعادن.

الحل القياسي هو تعدين Mo-Mn.

تتضمن عملية المعدنة ما يلي:

تنظيف وتنشيط سطح السيراميك
مو-مليون طباعة لصق
-اطلاق جو هيدروجيني بدرجة حرارة عالية
طلاء النيكل
تجميع اللحام بالفراغ

 

معلمات المعدنة النموذجية:

معلمة العملية	نطاق التحكم
مو-سمك الطبقة	10–30μm
سمك طلاء النيكل	1–5μm
درجة حرارة الاشتعال	1300-1450 درجة
أَجواء	الهيدروجين / النيتروجين
قوة الالتصاق	>20 ميجا باسكال

 

تعمل جزيئات الموليبدينوم على إنشاء تثبيت ميكانيكي داخل مسام السيراميك، بينما يعمل أكسيد المنغنيز على تحسين الترابط الكيميائي بين السيراميك والمعدن.

 

مقارنة عملية اللحام بالمقاومة والنحاس النشط

عملية	نطاق درجة الحرارة	قوة السندات	تطبيق نموذجي
مو-من المعدنة + اللحام بالنحاس	780-900 درجة	عالي	المقاولين HVDC
اللحام النشط (Ag-Cu-Ti)	850-950 درجة	عالية جدًا	تجميعات مفرغة من السيراميك-معدنية
لحام المقاومة	700-850 درجة	متوسط-مرتفع	وصلات معدنية موضعية

 

بالنسبة للأجسام الخزفية ذات موصل HVDC، يُفضل استخدام اللحام بالفرن المتحكم به لأنه يوفر توزيعًا موحدًا لدرجة الحرارة ويقلل من الإجهاد المتبقي.

 

مراقبة جودة تعدين السيراميك ووصلات اللحام بالنحاس

يشمل فحص الإنتاج ما يلي:

قياس الأبعاد CMM

اختبار التصاق المعادن

فحص -الأشعة السينية لفراغات اللحام

اختبار تسرب الهيليوم

اختبار الصدمة الحرارية

اختبار عزل الجهد العالي

 

معايير الجودة النموذجية:

البند التفتيش	متطلبات القبول
البعد السيراميك	± 0.01 ملم
معدل الفراغ بالنحاس	<5%
تسرب الهيليوم	<1×10⁻⁹ Pa·m³/s
جهد العزل	>15 كيلو فولت/مم
التصاق المعدنة	>20 ميجا باسكال

 

 

 

التحكم في تشكيل وتلبيد السيراميك بموجب أنظمة الإنتاج ISO 9001

تتضمن عملية التصنيع ما يلي:

تحضير مسحوق السيراميك
الضغط الجاف أو القولبة بالحقن
التصنيع الأخضر
تلبيد درجة حرارة عالية
طحن دقيق
تعدين
مختلط
التفتيش النهائي

 

معلمات الإنتاج الرئيسية:

مرحلة التصنيع	المعلمة التي تسيطر عليها
خلط المسحوق	توزيع الجسيمات
اضغط على التشكيل	توحيد الكثافة
تلبيد	1600-1700 درجة
طحن	± 0.01 مم التسامح
تعدين	التحكم في سماكة الطبقة
تقتيش	CMM + الاختبار الكهربائي

 

يمكن أن يؤدي التحكم غير المناسب في التلبيد إلى:

المسام المفتوحة

انخفاض قوة عازلة

الشقوق السطحية

انخفاض الموثوقية الميكانيكية

 

متطلبات إدارة الجودة لعملاء السيارات وتخزين الطاقة

بالنسبة لسلاسل التوريد العالمية للمركبات الكهربائية وESS، يتبع موردو مكونات السيراميك عادةً ما يلي:

IATF 16949 إدارة جودة السيارات
مراقبة التصنيع ISO 9001
ISO 14001 الإدارة البيئية
تقديم PPAP المستوى 3
الامتثال لـ RoHS و REACH

 

تتضمن وثائق جودة المورد عادةً ما يلي:

شهادة المواد
مخطط تدفق العملية
خطة التحكم
تحليل FMEA
تقرير فحص الأبعاد
تقرير اختبار الموثوقية

 

 

أنظمة بطاريات المركبات الكهربائية ذات منصات الجهد العالي 400 فولت - 1000 فولت

تستخدم مكونات السيراميك HVDC في:

موصلات البطارية الرئيسية
موصلات الشحن المسبق-
وحدات الشحن السريع بالتيار المستمر
وحدات فصل البطارية

متطلبات:

عزلة عازلة عالية
تيار تسرب منخفض
عمر تبديل طويل
المقاومة ضد تآكل القوس

أنظمة حماية العاكسات ESS وPV وفقًا لمعايير IEC

تتطلب أنظمة تخزين الطاقة مكونات عازلة من السيراميك من أجل:

حماية رف البطارية
صناديق توحيد العاصمة
أنظمة تحويل الطاقة
-تجميعات منصهرات الجهد العالي

 

ظروف التشغيل النموذجية:

طلب	نطاق الجهد	النطاق الحالي
نظام بطارية السيارة الكهربائية	400-1000 فولت تيار مستمر	100–600A
رف ESS	750-1500 فولت تيار مستمر	200–1000A
العاكس الكهروضوئية	600-1500 فولت تيار مستمر	50–500A

 

اختيار الشركة المصنعة لجسم سيراميك الألومينا لتطبيقات HVDC

 

يجب أن يقدم المورد المؤهل ما يلي:

قدرة مادة سيراميك الألومينا بنسبة 95%
تقنية تعدين Mo-Mn
عملية اللحام بالفراغ
القدرة على التفتيش CMM
وثائق PPAP المستوى 3
نظام تتبع الدفعة

 

بالنسبة للفرق الهندسية التي تقوم بتطوير موصلات HVDC، وأجهزة حماية الصمامات، ووحدات الطاقة الإلكترونية، يجب تقييم اختيار المواد الخزفية جنبًا إلى جنب مع تصميم المعدن، وعملية الختم، ومتطلبات الموثوقية مدى الحياة.

 

 

 

س 1: ما هي مادة السيراميك الموصى بها للأجسام الخزفية ذات موصل HVDC؟

يوصى باستخدام 95% من سيراميك الألومينا لأنه يوفر قوة عازلة أعلى من 15 كيلو فولت/مم، وقوة انثناء أعلى من 300 ميجا باسكال، وأداء مستقر في ظل التدوير الحراري.

 

س2: هل يمكن لمصنع جسم سيراميك الألومينا تقديم مستندات PPAP من المستوى 3؟

نعم. يمكن لموردي السيارات توفير حزم PPAP من المستوى 3، بما في ذلك PFMEA وخطة التحكم وتقارير الأبعاد وشهادات المواد وسجلات اختبار الموثوقية.

 

س3: كيف يتم التحكم في سمك المعدنة Mo-Mnأنابيب الصمامات السيراميك?

يتم عادةً التحكم في سمك المعدنة Mo-Mn في حدود 10–30 ميكرومتر باستخدام معلمات طباعة الشاشة، وظروف الاحتراق، واختبار الالتصاق بعد المعدنة.