Failure analysis of capacitor for sub-module in HVDC

HVDC 서브모듈용 커패시터의 고장 분석

Abstract

In general, capacitors have a large influence on the life of the system due to frequent charging and discharging. In this paper, we analyze the cause of the core failure of high voltage, high current HVDC sub-module film capacitor and analyze the precautions of the capacitor design and manufacturing process. First, the cause of the fault, the failure mode, and the effect are analyzed through the FMEA of the capacitor. To quantitatively evaluate the causes and effects of faults that have the greatest effect on the failure of a capacitor, a fault tree for the capacitor is presented and the failure rate is analyzed according to the design parameters and the driving conditions. It is verified that the main cause of capacitor failure is the capacitance change, and it is necessary to minimize the temperature rise, corona occurrence, electrode expansion, and insulation distance decrease during capacitor design and manufacturing process in order to reduce the failure rate of the capacitor.

일반적으로 커패시터는 빈번한 충 방전으로 시스템의 수명에 큰 영향을 미친다. 본 논문에서는 고전압, 대전류의 HVDC 서브모듈용 필름 커패시터의 핵심 고장원인을 분석하여 커패시터의 설계 및 제조공정의 주의사항을 분석한다. 먼저 커패시터의 FMEA 수행을 통해 고장원인, 고장모드, 고장영향에 대해 분석한다. 커패시터의 고장에 가장 큰 영향을 주는 고장원인과 영향을 정량적으로 평가하기 위해 커패시터에 대한 고장나무(Fault-tree)를 제시하고 설계인자와 구동환경의 조건에 따른 고장률을 분석한다. 커패시터 고장의 핵심 원인이 커패시턴스 변화에 있음을 확인하고, 커패시터의 고장률 저감을 위해서 커패시터의 설계와 제조공정 중 온도상승, 코로나 발생, 전극팽창, 절연거리 감소를 최소화할 필요가 있음을 검증한다.

Fig. 1. Influence and result of cause of failure, (a) design perspective, (b) manufacture process perspective. 그림 1. 고장원인별 영향 및 결과, (a) 설계관점, (b) 제조공정 관점

Fig. 2. Fault-tree of MKP. 그림 2. MKP의 고장나무

Fig. 3. Variation of failure-rate when the failure rate of the basic event of the driving environment and the design factor is given equally. 그림 3. 구동환경과 설계인자의 기본 사상의 고장률이 동일하게 주어진 경우의 고장률 변화

Fig. 4. Variation of failure-rate when the failure rate of the design parameter is constant. 그림 4. 설계인자의 고장률이 일정한 경우 구동환경의 고장률 증가에 따른 고장률 변화

Fig. 5. Variation of failure-rate when the failure rate of the driving environment is constant. 그림 5. 구동환경의 고장률이 일정한 경우 설계인자 고장률 증가에 따른 고장률 변화

Fig. 6. Configuration of low events occurring capacitance rise, (a) capacitance rise, (b) electrode expansion, (c) corona increase, (d) temperature rise. 그림 6. 커패시턴스 변화 사상에 대한 하위 사상 구조, (a) 커패시턴스 감소, (b) 전극팽창, (c) 코로나 발생, (d) 온도상승

Table 1. Failure mode and effect analysis of MKP. 표 1. 커패시터(MKP)의 고장모드/영향 분석