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

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 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 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 | следующая лекция ==> Электрическая прочность твердой, жидкой и комбинированной изоляции | Электрический пробой твердых диэлектриков

Дата добавления: 2017-01-16 ; просмотров: 4268 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Источник

Регулирование электрическим полем во внешне изоляции

При резконеоднородных полях во внешней изоляции возможен

коронный разряд у электродов с малым радиусом кривизны. Появление короны вызывает дополнительные потери энергии и интенсивные радиопомехи. В связи с этим большое значение имеют меры по уменьшению степени неоднородности электрических полей, которые позволяют ограничить возможность возникновения короны, а также несколько увеличить разрядные напряжения внешней изоляции.

Регулирование электрических полей во внешней изоляции осуществляется с помощью экранов на арматуре изоляторов, которые увеличивают радиус кривизны электродов, что и повышает разрядные напряжения воздушных промежутков. На воздушных ЛЭП высоких классов напряжений используются расщепленные провода.

Общие требования, предъявляемые к диэлектрикам внешней изоляции

Требования, предъявляемые к изоляции в электрооборудовании (ЭО):

1) требуемый ресурс (срок службы) при рабочем напряжении;

2) достаточная электрическая прочность при воздействии внутренних и

грозовых (если это требуется) перенапряжений;

3) достаточная механическая прочность при всех возможных рабочих и

На сжатие 450МПА, изгиб 70-80МПА, Растяжение 30МПА

4) требуемая надежность;

5) минимальная стоимость;

6) в ряде случаев — минимальные размеры и масса;

7) технологичность изготовления изоляции и всего оборудования в це-

8) простота ремонта;

10) безопасность обслуживания;

11) экологическая безопасность. 12) Трекингостойкость. 13) Легкость утилизации. 14) Негидроскопичность.

Типы диэлектриков внешней изоляции.

Всем указанным требованиям в наибольшей степени удовлетворяют глазурированный электротехнический фарфор и электротехническое стекло, получившие широкое распространение, а также некоторые пластмассы.

Сравнительные характеристики стекла и фарфора можно представить следующим образом.

Электрическая прочность 30-40 кВ/мм 45 кВ/мм

Источник

Высоковольтные вводы трансформаторов — Регулирование электрических полей во вводах

Содержание материала

Практика проектирования вводов показала, что без применения специальных мер регулирования электрического поля в осевом и радиальном направлениях удается создать рациональные конструкции на номинальные напряжения 6—10 кВ, иногда до 35 кВ. Выполнить вводы на напряжения 110 кВ и более без эффективного регулирования электрического поля невозможно.
Практически во всех реальных конструкциях вводов с бумажно-масляной и твердой внутренней изоляцией на напряжения 110 кВ и выше для регулирования электрического поля используют системы конденсаторных (уравнительных) обкладок. Эскиз такой системы показан на рис. 2. Обкладки выполняют, как правило, из алюминиевой фольги толщиной 0,012—0,020 мм и закладывают в изоляционное тело при намотке слоев бумаги. Эффект регулирования электрического поля достигается при этом за счет того, что обкладки из проводящего материала принудительно создают такую систему эквипотенциальных поверхностей, которой соответствует более однородное поле во внешней и внутренней изоляции ввода.

Рис. 2. Система конденсаторных обкладок для регулирования электрического поля во вводе: 1 — токоведущий стержень (труба); 2 — втулка.

В частности, используются так называемые равноемкостные системы конденсаторных обкладок, в которых размеры обкладок выбираются такими, что емкости между всеми парами соседних обкладок получаются одинаковыми. Вследствие этого напряжение, приложенное к вводу, равномерно распределяется по слоям между обкладками. Если при этом длины уступов одинаковы для всех пар обкладок, то средние напряженности в аксиальном направлении получаются постоянными. Одновременно более равномерным получается поле и в радиальном направлении.
У краев конденсаторных обкладок электрическое поле получается резко неоднородным. Однако, области повышенных напряженностей имеют относительно небольшие размеры. Например, область у края обкладки, в пределах которой напряженность поля превышает среднюю в 3 раза и более, имеет размеры около 2 % от толщины слоя изоляции между обкладками. Поэтому число обкладок принимается достаточно большим, чтобы толщины слоев изоляции между обкладками были относительно малыми. В результате области с резко неоднородными нолями у краев конденсаторных обкладок оказываются настолько малыми, что развитие в них разрядных процессов затрудняется.
Следует обратить внимание на то, что длина последней, заземляемой конденсаторной обкладки (считая от токоведущего стержня) несколько больше, чем длина втулки. Благодаря этому экранируются острые края втулки и напряженность электрического поля около этих краев существенно снижается. Тем самым исключается возможность появления здесь короны и значительно повышается разрядное напряжение в воздухе вдоль поверхности изоляционного тела.

Источник

Изоляция электрических установок

Изоляция электрических установок разделяется на внешнюю и внутреннюю.

К внешней изоляции установок высокого напряжения относят изоляционные промежутки между электродами (проводами линий электропередачи (ЛЭП), шинами распределительных устройств (РУ), наружными токоведущими частями электрических аппаратов и т.д.), в которых роль основного диэлектрика выполняет атмосферный воздух. Изолируемые электроды располагаются на определенных расстояниях друг от друга и от земли (или заземленных частей электроустановок) и укрепляются в заданном положении с помощью изоляторов.

К внутренней изоляции относится изоляция обмоток трансформаторов и электрических машин, изоляция кабелей, конденсаторов, герметизированная изоляция вводов, изоляция между контактами выключателя в отключенном состоянии, т.е. изоляция герметически изолированная от воздействия окружающей среды корпусом, оболочкой, баком и т.д. Внутренняя изоляция как правило представляет собой комбинацию различных диэлектриков (жидких и твердых, газообразных и твердых).

Важной особенностью внешней изоляции является ее способность восстанавливать свою электрическую прочность после устранения причины пробоя. Однако электрическая прочность внешней изоляции зависит от атмосферных условий: давления, температуры и влажности воздуха. На электрическую прочность изоляторов наружной установки влияют также загрязнения их поверхности и атмосферные осадки.

Особенностью внутренней изоляции электрооборудования является старение, т.е. ухудшение электрических характеристик в процессе эксплуатации. Вследствие диэлектрических потерь изоляция нагревается. Может произойти чрезмерный нагрев изоляции, который приведет к ее тепловому пробою. Под действием частичных разрядов, возникающих в газовых включениях, изоляция разрушается и загрязняется продуктами разложения.

Пробой твердой и комбинированной изоляции — явление необратимое, приводящее к выходу из строя электрооборудования. Жидкая и внутренняя газовая изоляция самовосстанавливается, но ее характеристики ухудшаются. Необходимо постоянно контролировать состояние внутренней изоляции в процессе ее эксплуатации, чтобы выявить развивающийся в ней дефекты и предотвратить аварийный отказ электрооборудования.

Внешняя изоляция электроустановок

При нормальных атмосферных условиях электрическая прочность воздушных промежутков относительно невелика (в однородном поле при межэлектродных расстояниях около 1 см ≤ 30 кВ/см). В большинстве изоляционных конструкций при приложении высокого напряжения создается резконеоднородное электрическое поле. Электрическая прочность в таких полях при расстоянии между электродами 1-2 м составляет приблизительно 5 кВ/см, а при расстояниях 10-20 м снижается до 2,5-1,5 кВ/см. В связи с этим габариты воздушных ЛЭП и РУ при увеличении номинального напряжения быстро возрастают.

Целесообразность использования диэлектрических свойств воздуха в энергетических установках разных классов напряжения объясняется меньшей стоимостью и сравнительной простотой создания изоляции, а также способностью воздушной изоляции полностью восстанавливать электрическую прочность после устранения причины пробоя разрядного промежутка.

Для внешней изоляции характерна зависимость электрической прочности от метеорологических условий (давления p, температуры Т , абсолютной влажности Н воздуха, вида и интенсивности атмосферных осадков), а также от состояния поверхностей изоляторов, т.е. количества и свойства загрязнений на них. В связи с этим воздушные изоляционные промежутки выбирают так, чтобы они имели требуемую электрическую прочность при неблагоприятных сочетаниях давления, температуры и влажности воздуха.

Электрическую прочность вдоль изоляторов наружной установки измеряют в условиях, соответствующих разным механизмам разрядных процессов, а именно, когда поверхности изоляторов чистые и сухие, чистые и смачиваются дождем, загрязнены и увлажнены. Разрядные напряжения, измеренные при указанных состояниях, называю соответственно сухоразрядными, мокроразрядными и грязе- или влагоразрядными.

Основной диэлектрик внешней изоляции — атмосферный воздух — не подвержен старению, т.е. независимо от воздействующих на изоляцию напряжений и режимов работы оборудования его средние характеристики остаются неизменными во времени.

Регулирование электрических полей во внешней изоляции

При резконеоднородных полях во внешней изоляции возможен коронный разряд у электродов с малым радиусом кривизны. Появление короны вызывает дополнительные потери энергии и интенсивные радиопомехи. В связи с этим большое значение имеют меры по уменьшению степени неоднородности электрических полей, которые позволяют ограничить возможность возникновения короны, а также несколько увеличить разрядные напряжения внешней изоляции.

Регулирование электрических полей во внешней изоляции осуществляется с помощью экранов на арматуре изоляторов, которые увеличивают радиус кривизны электродов, что и повышает разрядные напряжения воздушных промежутков. На воздушных ЛЭП высоких классов напряжений используются расщепленные провода.

Внутренняя изоляция электроустановок

Внутренней изоляцией называются части изоляционной конструкции, в которых изолирующей средой являются жидкие, твердые или газообразные диэлектрики или их комбинации, не имеющие прямых контактов с атмосферным воздухом.

Целесообразность или необходимость применения внутренней изоляции, а не окружающего нас воздуха обусловлена рядом причин. Во-первых, материалы для внутренней изоляции обладают значительно более высокой электрической прочностью (в 5-10 раз и более), что позволяет резко сократить изоляционные расстояния между проводниками и уменьшить габариты оборудования. Это важно с экономической точки зрения. Во-вторых, отдельные элементы внутренней изоляции выполняют функцию механического крепления проводников, жидкие диэлектрики в ряде случает значительно улучшают условия охлаждения всей конструкции.

Элементы внутренней изоляции в высоковольтных конструкциях в процессе эксплуатации подвергаются сильным электрическим, тепловым и механическим воздействиям. Под влиянием этих воздействий диэлектрические свойства изоляции ухудшаются, изоляция “стареет” и утрачивает свою электрическую прочность.

Механические нагрузки опасны для внутренней изоляции тем, что в твердых диэлектриках, входящих в ее состав, могут появиться микротрещины, в которых затем под действие сильного электрического поля возникнут частичные разряды и ускорится старение изоляции.

Особая форма внешнего воздействия на внутреннюю изоляцию обусловлена контактами с окружающей средой и возможностью загрязнения и увлажнения изоляции при нарушении герметичности установки. Увлажнение изоляции ведет к резкому уменьшению сопротивления утечки и росту диэлектрических потерь.

Внутренняя изоляция должна обладать более высоким уровнем электрической прочности, чем внешняя изоляция , т.е. таким уровнем, при котором пробой полностью исключаются в течение всего срока службы.

Необратимость повреждения внутренней изоляции сильно осложняет накопление экспериментальных данных для новых видов внутренней изоляции и для вновь разрабатываемых крупных изоляционных конструкций оборудования высокого и сверхвысокого напряжения. Ведь каждый экземпляр крупной дорогостоящей изоляции можно испытать на пробой только один раз.

Диэлектрические материалы должны также:

обладать хорошими технологическими свойствами, т.е. должны быть пригодными для высокопроизводительных процессов изготовления внутренней изоляции;

удовлетворять экологическим требованиям, т.е. не должны содержать или образовывать в процессе эксплуатации токсичные продукты, а после отработки всего ресурса они должны поддаваться переработке или уничтожению без загрязнения окружающей среды;

не быть дефицитными и иметь такую стоимость, при которой изоляционная конструкция получается экономически целесообразной.

В ряде случаев к указанным выше требованиям могут добавляться и другие, обусловленные спецификой того или иного вида оборудования. Например материалы для силовых конденсаторов должны иметь повышенную диэлектрическую проницаемость, материалы для камер выключателей — высокую стойкость к термоударам и воздействиям электрической дуги.

Длительная практика создания и эксплуатации различного высоковольтного оборудования показывает, что во многих случаях весь комплекс требований наилучшим образом удовлетворяется при использовании в составе внутренней изоляции комбинации из нескольких материалов, дополняющих друг друга и выполняющих несколько различные функции.

Так, только твердые диэлектрические материалы обеспечивают механическую прочность изоляционной конструкции. Обычно они имеют и наиболее высокую электрическую прочность. Детали из твердого диэлектрика, обладающего высокой механической прочностью, могут выполнять функцию механического крепления проводников.

Использование жидких диэлектриков позволяет в ряде случаев значительно улучшить условия охлаждения за счет естественной или принудительной циркуляции изоляционной жидкости.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник