Materials d'aïllament per a barres laminades: una breu discussió sobre l'aïllament flexible i rígid i els seus paràmetres

Una barra colectora laminat és un component de connexió elèctrica compost per múltiples capes de conductors i materials aïllants. S'utilitza àmpliament en sistemes electrònics d'alta-potència-densitat i potència compactes, com ara barres de bus laminats de baixa inducció i barres de bus laminats de coure. El seu objectiu bàsic de disseny és millorar l'eficiència i la fiabilitat globals del sistema optimitzant la distribució del camp elèctric i la inductància paràsit a través d'una estructura tridimensional, alhora que compleix els requisits d'alta tensió i transmissió d'alta corrent. Les aplicacions típiques inclouen barres laminades en convertidors d'alta-potència i barres laminates per a sistemes de distribució de corrent continu.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Estructuralment, les barres laminades solen utilitzar materials aïllants flexibles laminats amb conductors per formar unitats conductores bàsiques. Aquesta estructura també es coneix com a barra de bus parcialment laminada o una barra de connexió d'estructura composta multi-capes. Durant un procés de premsat-calent, el material aïllant flexible s'uneix fortament al conductor mitjançant capes adhesives, formant un segell efectiu a les vores del conductor, mantenint així un rendiment d'aïllament estable fins i tot en entorns complexos. Els materials d'aïllament flexibles comuns inclouen el polièster (PET) i la poliimida (PI), essent el PET el més utilitzat en barres colectores laminates de tres capes i productes de barres estandarditzades a causa dels seus avantatges de rendiment complets.

 

Els materials de polièster tenen una resistència a la temperatura moderada (normalment 105 graus), mantenint propietats mecàniques i elèctriques estables en condicions de cicle tèrmic a llarg termini-. El seu allargament pot superar el 100%, per la qual cosa és menys propens a esquinçar-se o reduir el gruix durant la flexió i l'enquadernació de les vores. A més, el PET té un índex de seguiment relatiu (CTI) elevat, que redueix eficaçment el risc de fugida, que és especialment crític per a aplicacions d'alta tensió, com ara les barres d'inversor a prova d'explosió d'alta tensió-. Tot i que compleix les classificacions ignífugues (p. ex., V0), el PET també està disponible en diversos gruixos (p. ex., de 50 μm a 350 μm) per adaptar-se a diferents nivells de tensió i requisits de disseny estructural, oferint així una gran versatilitat en aplicacions com ara barres laminates per a inversors de tres nivells i barres laminades personalitzades per a IGBT.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

En canvi, els materials de poliimida (PI) són materials d'aïllament d'alt rendiment amb una major resistència a la temperatura (el RTI normalment supera els 200 graus), el que els fa adequats per a aplicacions que impliquen soldadura a alta-temperatura o càrregues de calor localitzades elevades, com ara estructures que impliquen soldadura de condensadors o components electrònics en barres de bus laminats per a cotxes elèctrics. Els materials PI tenen una major rigidesa mecànica i són menys propensos a relaxar-se sota tensió a llarg termini-, cosa que ajuda a mantenir l'estabilitat de l'estructura segellada. Tanmateix, el seu rendiment CTI és relativament baix, normalment requereix un disseny de distància de fuga més gran, cosa que els fa més adequats per a entorns de tensió mitjana- i baixa{-, com ara algunes aplicacions de barres de bus laminats de condensadors d'enllaç de CC{- o de barres de bus laminats de condensadors de suport de CC.

 

En un sistema complet de barres laminades, l'aïllament flexible s'utilitza principalment per a l'aïllament elèctric i el segellat entre capes conductores, mentre que els materials d'aïllament rígid s'utilitzen per al suport estructural i l'aïllament elèctric entre els conjunts de barres. El gruix de l'aïllament rígid sol estar directament relacionat amb el nivell de tensió del sistema; un principi general de disseny és aproximadament 1 mm de material d'aïllament rígid per quilovolt. En sistemes d'alta tensió, com ara barres laminades per a convertidors-a-de gran-capacitat o barres inversores per a sistemes de trànsit ferroviari i metro, normalment es requereixen capes d'aïllament rígides amb gruixos entre 1 mm i 6 mm per complir els requisits de control de descàrrega parcial i un funcionament llarg{9} fiable.

 

Pel que fa als paràmetres clau de rendiment, l'índex de temperatura relativa (RTI) i l'índex de seguiment relatiu (CTI) són indicadors importants per avaluar els materials d'aïllament. RTI mesura la capacitat d'un material per mantenir el rendiment en condicions d'envelliment tèrmic a llarg termini-; la seva avaluació de la vida útil es basa normalment en proves d'envelliment accelerat que superen les 20.000 hores i segueix una relació exponencial entre la temperatura i la vida útil. CTI reflecteix la resistència d'un material al seguiment en entorns contaminats i és crucial per al disseny de la distància de fuga en sistemes d'alta tensió-. A més, l'allargament del material afecta directament la seva adaptabilitat durant el processament i és un dels paràmetres clau per avaluar el rendiment del segellat i la fiabilitat mecànica.

 

Els requisits de rendiment dels materials d'aïllament en barres colectores laminats varien significativament segons les diferents àrees d'aplicació. A les aplicacions industrials d'alta tensió-, com ara barres d'inversor a prova d'explosió d'alta tensió- o sistemes de conversió d'energia a gran-escala, les tensions de funcionament normalment oscil·len entre 1000 V i 6000 V. Aquestes aplicacions exigeixen uns estàndards extremadament alts per al control de descàrregues parcials, el rendiment d'aïllament elèctric i la vida útil a llarg termini-. Per tant, es requereix una combinació de dissenys d'aïllament flexibles i rígids, sent l'opció preferida els materials d'alt CTI. En el sector dels vehicles d'energia nova, com ara les barres de bus de condensadors de pel·lícula metal·litzada d'alta conductivitat tèrmica per a sistemes de control d'EV, les tensions del sistema solen ser inferiors als 800 V. Els requisits de rendiment d'aïllament són relativament més baixos, amb un major èmfasi en el disseny lleuger, la resistència a la calor i la compatibilitat amb el procés de muntatge. Per tant, els materials PI ofereixen certs avantatges en estructures soldades específiques.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A més, en algunes estructures no-laminades o aplicacions d'un sol-conductor, també es pot utilitzar un aïllament de recobriment en pols, és a dir, barres colectores laminates pintades en pols- amb un gruix de recobriment dielèctric que oscil·la entre 0,2 mm i 3,00 mm. Aquest procés és adequat per aïllar conductors de formes complexes, aconseguint una bona cobertura superficial i segellat. Tanmateix, a causa de la dificultat per controlar la consistència de l'aïllament a les vores dels conductors i les cantonades afilades, generalment no s'utilitza en sistemes de barres laminades d'alta precisió, com ara en aplicacions exigents com la barra de barres laminat d'inversor de coure personalitzada per a instal·lacions elèctriques.

 

En general, com a components electrònics passius típics de barres colectores laminates, el rendiment de les barres colectores laminats depèn molt de la selecció dels materials d'aïllament i del disseny estructural. En combinar adequadament els materials d'aïllament flexibles i rígids i tenint en compte escenaris d'aplicació específics (com araBarres laminades per a instal·lacions complexes de barres), es pot aconseguir una major densitat de potència i integració del sistema alhora que es garanteix la seguretat elèctrica.