Регулирование электрических полей во внутренней изоляции

Электрические поля во внутренней изоляции обычно получаются неоднородными, по крайней мере на отдельных участках. Такие поля характеризуют отношением k_н наибольшей напряженности E_макс к средней Е_ср, которое называют коэффициентом неоднородности электрического поля.

В слабонеоднородномэлектрическом поле (k_н < 3,0) разрядный процесс, возникший в области наибольших напряженностей, безостановочно развивается в глубь изоляционного промежутка и может привести к сквозному пробою или значительному повреждению изоляции. Поэтому для нормальной работы изоляционной конструкции должно соблюдаться условие

или (4.21)

где E_доп — допустимая напряженность, соответствующая отсутствию разрядных процессов в изоляции при данном виде воздействующего напряжения U_возд (импульсном, одноминутном испытательном, рабочем).

Из этого условия следует, что толщина изоляции d должна быть d ≥ (E_возд E_доп) k_н т.е в k_н раз больше, чем в однородном электрическом поле.

В резконеоднородныхэлектрических полях (k_н > 3,0) принципиально допустимы разрядные процессы в малых объемах изоляции при условии, что выделяемая при этом энергия недостаточна для разрушения изоляции. В этом случае, естественно, наибольшие допустимые напряженности E_доп выше, чем в слабонеоднородных полях, однако накладываются ограничения на размеры областей, в которых напряженности имеют повышенные значения.

Регулирование электрических полей в изоляции высоковольтного оборудования используется для снижения коэффициента неоднородности k_н или для уменьшения размеров тех областей, в которых напряженности особенно велики. За счет регулирования полей достигается уменьшение толщины изоляции при сохранении неизменной ее электрической прочности. В зависимости от конструкции и технологии изготовления изоляции применяют различные меры регулирования.

Рис. 4.16. Зависимость коэффициента неоднородности электрического поля k_н от радиуса скругления края электрода.

Округление краев электродов. Эффективность этой меры в однородной изоляции иллюстрируется приведенными на рис. 4.16 зависимостями коэффициента k_н от отношения радиуса скругленпя r к расстоянию между электродами S.

При отсутствии специального скругленпя острые края электродов имеют очень малый, случайно изменяющийся по длине, но конечный радиус кривизны и коэффициент k_н достигает 5 – 10, т. е. поле получается резконеоднородным. Как следует из кривых на рис. 4.16, небольшое увеличение радиуса r сильно снижает степень неоднородности электрического поля. При r > 0,55S поле получается уже слабонеоднородным, а при r/S> 1,0 коэффициент k_н не пре­вышает 1,3.

Полупроводящие покрытия. В тех случаях, когда электрод с острой кромкой находится в газе или жидкости и примыкает к поверхности твердой изоляции (рис. 4.17), скругление края электрода приводит к образованию узкой щели между электродом, и твердой изоляцией. При этом эффект от скругления края электрода получается существенно меньшим, так как напряженность в щели возрастает из-за различия диэлектрических проницаемостей газа (жидкости) и твердой изоляции. Если щель нельзя по технологическим причинам заполнить твердой изоляцией или если скругление края усложняет конструкцию (например, скругление стали статора в месте выхода обмотки из паза вращающейся машины), используют полупроводящие покрытия. Элемент такой изоляции показан на рис. 4.17. В нем с помощью покрытия достигается уменьшение составляющих напряженности Е_х, направленных вдоль поверхности твердой изоляции.

Рис. 4.17. Регулирование электрического поля с помощью полупро водящего покрытия.а — устройство изоляции (на участке АВ — покрытие); б —схема замещения; в — изменение напряженности Е_х вдоль поверхности твердой изоляции.

При отсутствии покрытия изменение потенциала и напряженности Е_х вдоль поверхности твердой изоляции определяется главным образом удельным поверхностным сопротивлением ρ_s, и удельной поверхностной емкостью С_пов = ε₀ε/d, где ε и d — соответственно диэлектрическая проницаемость и толщина твердой изоляции. Поэтому напряженность Е_х может быть определена с помощью схемы замещения, приведенной на рис. .17, б (при l_п = 0). Наибольшее значение напряженность Е_х имеет в точке А:

(4.22)

При наличии полупроводящего покрытия с удельным поверхностным сопротивлением ρ_п < ρ_S напряженность в точке А становится равной

(4.23)

т. е. уменьшается в раз.

Конец покрытия образует острую кромку, поэтому на участке x>l_П напряженность Е_х увеличивается. В точке В она равна:

(4.24)

где —напряжение на твердой изоляции при х=l_П, Причем данное выражение справедливо при достаточно больших l_П, т.е. . Вследствие падения напряжения в полупроводящем покрытии U_В < U₀ поэтому и Е_B < E_A0. Удельное сопротивление ρ_П и длину покрытия l_П можно подобрать так, чтобы Е_B =E_AП < Е_доп где Е_доп — допустимая напряженность, соответствующая отсутствию разрядов по поверхности твердой изоляции при рассматриваемом виде воздействующего напряжения U₀. Для этого, как следует из (4.23) и (4.24), должны выполняться условия:

(4.25)

(4.26)

Графики изменения напряженности Е_х вдоль поверхности твердой изоляции в отсутствие и при наличии полупроводящего покрытия показаны на рис. 4.17, в.

Дополнительные электроды. Такой способ регулирования электрического поля у острого края электрода наиболее удобен в случае многослойной изоляции (бумажнопропитанной, маслобарьерной). Дополнительные электроды выполняются из тонкой металлической фольги.

Рис. 4.18. Регулирование электрического поля у края электрода в плоской изоляции с помощью дополнительных электродов 1 — основные электроды; 2— дополнительные электроды

Вначале рассмотрим элемент изоляции с плоскими основными электродами (1), показанный на рис 4.18. Допустимое напряжение для него ограничивается условием отсутствия разрядов у острого края верхнего электрода. Для изоляции без дополнительных электродов это условие имеет вид:

(4.27)

С помощью п дополнительных электродов изоляция разбивается на n+1 слоев одинаковой толщины, для каждого из которых допустимое напряжение будет . Предположим, что напряжение распределяется по слоям равномерно. Тогда допустимое напряжение для изоляции с п дополнительными электродами будет:

(4.28)

т. е. увеличится в (n+1)^0,5 раз. На самом деле напряжения на слоях изоляции получаются неодинаковыми и эффект от дополнительных электродов оказывается несколько меньшим.

В рассмотренном случае и при наличии дополнительных электродов электрическое поле у края верхнего электрода остается резконеоднородным. Кроме того, появляются новые участки с резконеоднородным полем у краев дополнительных электродов. Однако размеры каждой области с повышенной напряженностью оказываются меньшими. Это затрудняет появление разрядов и позволяет повысить допустимое напряжение. Конструкция, показанная на рис. 4.18, называется конденсаторной разделкойкрая электрода.

Дополнительные электроды широко используются для регулирования электрических полей в проходных изоляторах и кабельных муфтах.

Градирование изоляцииприменяется, как правило, в изоляционных конструкциях с электродами в виде соосных цилиндров, например в кабелях высокого напряжения, и позволяет выравнивать электрическое поле в радиальном направлении. Регулирование поля достигается за счет изменения диэлектрической проницаемости слоев изоляции.

Устройство градированной изоляции с тремя слоями показано на рис. 4.19, а. В силу симметрии электрического поля и теоремы Гаусса имеет место равенство

(4.29)

где E_макс1, E_макс2 и E_макс3 – наибольшие напряженности в соответствующих слоях изоляции.

Из (4.29) следует, что при условии достигается равенство наибольших напряженностей в слоях, т. е. E_макс1,=E_макс2=E_макс3. При этом, как видно из рис. 4.19, б, неоднородность электрического поля уменьшается.

Рис. 4.19. Регулирование электрического поля путем градирования изоляции.а — схема градированной изоляции: б – изменение напряженности в изоляции без градирования и при градировании.

Можно показать, что для соблюдения условия (4.21) без градирования толщина изоляции должна быть

(4.30)

А в случае градирования (в два слоя)

(4.31)

Если , то суммарная толщина градированной изоляции d_град окажется меньше, чем толщина изоляции однородной, т. е. d_град/d < 1,0. Наибольший эффект достигается при условии

(4.32)

Зависимость d_град/d = f (ε₁/ε₂)Для изоляции из двух слоев при разных значениях r₁/d₀, где d₀ = U_возд/E_доп приведена на рис. 4.20.

Все рассмотренные способы применяются для регулирования электрических полей в изоляции, работающей при переменном напряжении, а некоторые, например скругление краев электродов, — и при постоянном напряжении. При выборе средств регулирования полей в изоляции оборудования постоянного тока необходимо учитывать особенности распределения электрических полей при постоянном напряжении. В этом случае картина поля определяется удельными сопротивлениями, которые в реальной изоляции могут быть различными по разным направлениям (в многослойной изоляции — вдоль и поперек слоев) и, главное, сильно зависят от температуры, резко уменьшаясь при нагреве. Поэтому на характер поля при постоянном напряжении сильно влияет распределение температуры в изоляции.

Рис. 4.20. Зависимости d_град/d = f (ε₁/ε₂) для градированной изоляции из двух слоев.

Например, в случае электродов в виде соосных цилиндров (одножильный кабель, проходной изолятор) и одинаковой по толщине однородной изоляции температуре электрическое поле при постоянном напряжении точно такое же, как и при переменном напряжении, и наибольшая напряженность имеет место у внутреннего электрода. Если же по внутреннему электроду проходит ток и выделяющееся при этом тепло отводится через изоляцию, то температура в разных точках изоляции оказывается неодинаковой. Вблизи внутреннего электрода, где температура наибольшая, удельное объемное сопротивление получается наименьшим, и это приводит к снижению напряженности в этой области. Напротив, вблизи наружного электрода поле усиливается. При некотором перепаде температур в изоляции, т. е. при определенном токе во внутреннем электроде, напряженность у поверхности наружного электрода становится даже более высокой, чем у внутреннего электрода.