ESVT_IETOp (1)

ЭСВТ ЭЛТИ

воздействия напряжения (Kt), т.е. К=Кε K Kt; Емах- максимальная напряженность поля при перекрытии изолятора типа «шайба». Для изолятора типа «шайба» из полиэтилена (ПЭ) в масле на импульсах положительной полярности при t=0,2-0,3 мкс

трансформаторном масле наибольшее Uпер имеют изоляторы из полиэтилена ( εv =2,2-2,3), для которых Uпер изоляторов типа «шайба» составляет (0,85-0,90)Uпр трансформаторного масла.

Изоляторы вогнутой формы типа «желоб» имеют Uпер практически равное (0,91-0,95)Uпр масляного промежутка.

Рис.3-1. Зависимость Uпер в трансформаторном масле отεv твердого диэлектрика (D/d=38/15) на импульсах положительной полярности

На рис.3-2 приведены данные по влиянию формы и материала изолятора на Uпер в трансформаторном масле на импульсах положительной полярности (а 2000 кВ/мкс).

Вольт-секундная характеристика перекрытия изоляторов типа «шайба» (D/d=56/20) в трансформаторном масле на импульсах положительной полярности может быть представлена выражением

ЭСВТ ЭЛТИ

где t - длительность импульса, с.

Для изоляторов из ПЭ коэффициент А=792; В=246. Для изоляторов из ПММА коэффициент А=702; В =198.

На импульсах отрицательной полярности Uпер центрирующих изоляторов на 10-30 % выше, чем на импульсах положительной

полярности. Эффект полярности становится более заметным при воздействии импульсов малой длительности.

Рис.3-2. Влияние формы изолятора на Uпер в трансформаторном масле. D=56 мм; d= 20 мм; 1-пробой трансформаторного масла; 2-изоляторы из ПЭ; 3-изоляторы из ПММА

Экспериментально установлено, что при удельном объемном сопротивлении воды ρV≤5 103 Ом см Uпер центрирующих изоляторов не зависит существенно от формы изолятора и материала, из которого он изготовлен, а также от полярности воздействующего напряжения.

В воде повышенной очистки ( ρv ≥ 104 Ом см) становится заметным влияние полярности, формы и материала изолятора. При

ЭСВТ ЭЛТИ

этом изоляторы из ПММА, в отличие от перекрытия в трансформаторном масле, имеют Uпер выше, чем изоляторы из ПЭ, что объясняется меньшей разницей между диэлектрическими

проницаемостями воды ( εm ≈ 80 ) и ПММА ( εv ≈ 3,5 ). Вследствие своей геометрии изоляторы типа «шайба» производят наименьшее искажение поля в межэлектродном промежутке и имеют наибольшее Uпер, которое для изоляторов из ПММА в воде с

ρv = 1,25 105 Ом см составляет 0,8Uпр воды. Для этих же условий Uпер изолятора типа

«желоб» не превышает 0,6Uпр воды.

На рис.3-3 показано влияние на Uпер формы центрирующих изоляторов из ПЭ и ПММА в воде при положительной полярности импульсов ( а = 2000 кВ / мкс ).

Рис.3-3. Влияние формы на Uпер изоляторов в воде

( ρv = 1,2 105 Ом см). D=56 мм; d =20 мм.

Импульс положительный.1- пробой воды; 2- изоляторы из ПММА; 3-изоляторы из ПЭ.

Для изоляторов типа «шайба» зависимость Uпер=f( ρv ) при D/d =38/15 с небольшим приближением может быть апроксимирована выражением

Для изоляторов из полиэтилена А=118; В=107; для изоляторов из полиметиметакрилата А=123; В=121. Полученное уравнение

ЭСВТ ЭЛТИ

справедливо в диапазоне ρv = 6 103 ÷ 2 105 Ом см при положительной полярности импульсов.

При конструировании элементов изоляции, находящихся в воде, следует иметь в виду очень малую скорость роста разрядного напряжения изоляторов при увеличении пути перекрытия. Например, при увеличении межэлектродного расстояния δ (при D/d ≈e ) примерно в три раза Uпер изоляторов типа «шайба» в воде с

ρv ≈ 2 105 Ом см увеличивается примерно на 25-30%. При аналогичных условиях опыта Uпер изоляторов в трансформаторном масле возрастает на 60-70%.

В исследованном диапазоне δ зависимость максимальной напряженности поля при перекрытии изоляторов типа «шайба» в

Для изоляторов из полиэтилена А=51,2; В=1,3; для изоляторов из полиметиметакрилата А=53,8; В=1,1.

При увеличении ρv воды с 6 103 до 2 105 Ом см напряжение перекрытия изоляторов на импульсах отрицательной полярности возрастает с 5 до 15 % по сравнению с импульсами положительной полярности.

Слабовыраженная зависимость Uпер от межэлектродного расстояния показывает, что возрастание последнего не является эффективным способом увеличения разрядного напряжения изоляторов в воде с низкой степенью очистки.

Наиболее существенным для увеличения Uпер изоляторов является использование воды с высоким значением ρv.

Результаты измерения Uпер центрирующих изоляторов из ПЭ и ПММА различных типов на импульсах положительной полярности в воде могут быть обобщены в виде эмпирического уравнения

где Еmax - максимальная напряженность поля при перекрытии изолятора типа «шайба», определяемая из уравнения (3-11), кВ/мм;

ЭСВТ ЭЛТИ

D и d - наружный и внутренний диаметры электродов, мм; Кρv - коэффициент, учитывающий влияние ρv воды на Uпер изоляторов; Кf - коэффициент, учитывающий влияние формы

изолятора; Кε -коэффициент, учитывающий влияние материала

изолятора; Uперш- напряжение перекрытия изолятора типа «шайба».

Уравнение (3-12) справедливо при расчете элементов изоляции в воде в следующих пределах:

где U / пер( ρv ) и U / / пер( ρv ) - напряжение перекрытия изолятора

типа «шайба» при заданном значении ρv и ρv = 2 105 Ом см соответственно, определяемое из уравнения (3-10). Для упрощения расчетов Uпери при ρv < 6 103 Ом см можно принять Кρv = 0,38 − 0,40 , т.к. дальнейшее снижение ρv воды не приводит к существенному уменьшению Uпер.

где Uпери и Uперш - напряжение перекрытия изолятора заданной формы и изолятора типа «шайба» при известном значении ρv . Значение Кf может быть найдено из данных, приведенных на

рис. 3-3. При ρv ≤ 104 Ом см для всех типов изоляторов можно принять Кf = 1,0 , т.к. влияние формы изолятора в данном случае

несущественно.

Коэффициент Кε можно определить из выражения

ЭСВТ ЭЛТИ

где U / перш и U / / перш -напряжение перекрытия изолятора типа «шайба» для заданного материала (полиэтилена или полиметилметакрилата, соответственно). В нашем случае Кε = 1,0 ,

т.к. влияние материала учитывается величиной максимальной напряженности

поля Еmax в соответствии с выражением (3-11).

М а с л о б а р ь е р н а я и з о л я ц и я. Барьером называется тонкая перегородка определенной формы (чаще плоской или цилиндрической) из твердого диэлектрика, помещаемая в масляный промежуток. При этом барьер затрудняет образование сплошных проводящих мостиков из примесей, а в резконеоднородных полях способствует также выравниванию поля, что и приводит к увеличению электрической прочности промежутка.

Наиболее широкое распространение маслобарьерная изоляция (МБИ) получила в конструкциях трансформаторов и маслобарьерных вводов.

Расчет пробивного напряжения МБИ, применяемой в трансформаторах, проводится по уравнению

При одноминутном воздействии переменного напряжения промышленной частоты А=28;5; для срезанного импульса - А=93,2; для полной импульсной волны - А=82,5; S-толщина маслобарьерной изоляции, см.

В маслобарьерных вводах такая изоляция представляет собой чередование цилиндров и каналов, по которым циркулирует масло, охлаждая токоведущий стержень и барьеры. Электрическая прочность маслобарьерных вводов определяется максимальной напряженностью поля в масле вблизи токоведущего стержня.

Для более равномерного распределения напряжения в радиальном и аксиальном направлениях поверх изоляционных цилиндров накладываются конденсаторные обкладки, причем емкости отдельных слоев должны быть равными, тогда на каждый слой будет приходиться равное падение напряжения.

При регулировании поля в радиальном направлении принимают толщину слоя r = const , а длину уступа l = var при обеспечении равенства емкостей слоев. При таком способе регулирования аксиальное распределение напряжения является крайне нерав-

ЭСВТ ЭЛТИ

номерным, и разрядное напряжение изолятора снижается. При регулировании поля в аксиальном направлении

принимают l = const , a r = var так, чтобы емкости слоев были равны.

При этом одновременно происходит и некоторое выравнивание напряженностей в радиальном направлении, что позволяет уменьшить габариты и повысить разрядные характеристики изолятора.

Расчет внутренней изоляции маслобарьерного ввода проводится следующим образом. Задавшись числом промежуточных обкладок n (в зависимости от номинального напряжения 1÷8) при равномерном распределении напряжения между ними, определяют напряжение, приходящееся на один канал между обкладками

где Uсхв - суховыдерживаемое напряжение изолятора, кВ.

Затем определяется максимальная напряженность поля в слое масла в каждом канале ввода, которая не должна превосходить допустимые значения (Едоп = 40-65 кВ/см). Считается, что пробой слоя масла приводит к пробою всего ввода.

На рис. 3-4 представлен эскиз изоляционного канала маслобарьерного ввода.

Максимальная напряженность в слое масла

Рис.3-4. Эскиз маслобарьерного канала:

1- бумажное покрытие;

2- трансформаторное масло;

3- барьер;

4- конденсаторная обкладка.

ЭСВТ ЭЛТИ

где U2 - напряжение на слое масла; ε1, ε2, ε3 - диэлектрические проницаемости бумажного покрытия, масла и материала барьера, соответственно.

При испытательном напряжении допустимая напряженность в слое масла не должна превышать значений, определенных из уравнения

где r, R- минимальный и максимальный радиусы слоя, см.

Радиус токоведущего стержня для конденсаторного ввода определяется из условия минимума максимальной напряженности поля

где U - расчетное напряжение ,кВ (U = 1,1Uсхв);

Er max - расчетный максимальный градиент, кВ/см, определяемый из формулы

где Еr раб- радиальный рабочий градиент, кВ/см. Для бумажно-

масляных конденсаторных вводов Er раб = 30 − 50 кВ / см.

Uраб - наибольшее рабочее напряжение, кВ.

Для систем с глухим заземлением нейтрали (Uн ≥ 110 кВ)

Для систем с изолированной нейтралью (Uн ≤ 35 кВ)

Uраб = (1,1-1,15)Uн , кВ. (3-24)

Радиус стержня, полученный расчетным путем, необходимо проверить по токовой нагрузке. Проверка производится по допусти-

ЭСВТ ЭЛТИ

мой плотности тока jдоп для токоведущих стержней вводов.

Обычно токоведущие стержни выполняются в виде латунных или медных труб (стержней).

Исходя из токовой нагрузки радиус токоведущего стержня может быть найден из выражения

где Iн - номинальный ток, А; jдоп- допустимая плотность тока

( jдоп= 1,0-1,5 А/мм2); r0 - радиус стержня.

В результате расчета по формулам (3-21 и 3-25) должен быть выбран стержень (труба) с размерами, удовлетворяющими требованиям как по минимальной напряженности, так и по допустимой плотности тока.

Б у м а ж н о - м а с л я н а я и з о л я ц и я. На сегодняшний день по совокупности всех свойств бумажно-масляная изоляция (БМИ) может быть признана одним из совершенных видов изоляции. БМИ представляет собой чередующиеся слои пропитанной бумаги с масляными прослойками микронной толщины, что позволяет достичь высокой электрической прочности многослойной изоляции. Бумажно-масляная изоляция получила широкое распространение в конструкциях маслонаполненных аппаратов и устройств (кабели, конденсаторы, трансформаторы, вводы).

Для бумаги, пропитанной жидкими диэлектриками, диэлектрическая проницаемость определяется по формуле

где εкл - диэлектрическая проницаемость клетчатки ( εкл = 6,5 ); εп - диэлектрическая проницаемость пропитки; х - объем пор

в бумаге в относительных единицах.

Для комбинированной (бумажно-пленочной) изоляции, используемой в конденсаторостроении,

ЭСВТ ЭЛТИ где εб и εпл - диэлектрическая проницаемость пропитанной бума-

ги и пленки, соответственно;

dб, dпл - суммарная толщина бумаги и пленки в секции;

d - общая толщина комбинированной изоляции. Для бумажно-пленочной изоляции

щей толщине диэлектрика в секции.

С увеличением плотности конденсаторной бумаги увеличиваются диэлектрические потери. Поэтому менее плотную бумагу КОН-I, для которой tg δ = (13-15) 10-4, обычно используют на переменном напряжении при U >1 кВ, а КОН-II с tg δ = (18-24) 10-4 - при постоянном напряжении и при переменном напряжении меньше 1 кВ, а также на импульсном напряжении.

Электрическая прочность бумажно-масляной изоляции имеет максимальное значение, соответствующее некоторому

оптимальному числу слоев бумаги nопт, которое, в свою очередь, зависит

от толщины одного слоя бумаги d1. Поэтому для слоистого диэлект-

рика dопт = nопт d1 .

В конденсаторах высокого напряжения для более эффективного использования диэлектрика всю толщину изоляции разбивают на ряд последовательно включенных секций с толщиной диэлект-

трика, равной dопт. Толщина диэлектрика в секции может быть от 60-70 до 80-120 мкм, что соответствует 6-12 слоям при толщине слоя бумаги 10-12 мкм.

Выбрав оптимальную толщину изоляции dопт и рабочую напряженность в диэлектрике Ераб, можно определить рабочее напряжение секции