Поиск по сайту
Начало >> Книги >> Архивы >> Твердая изоляция внутренних высоковольтных конструкций

Образование термоупругих пробоев в изоляции - Твердая изоляция внутренних высоковольтных конструкций

Оглавление
Твердая изоляция внутренних высоковольтных конструкций
Влияние режимов работы изоляционных конструкций на внутреннюю изоляцию
Стационарный режим эксплуатация трансформаторов в схемах выпрямителей
Переходные режимы эксплуатации трансформаторов в схемах выпрямителей
Эксплуатация трансформаторов тока и напряжения
Эксплуатация трансформаторов и дросселей в усилителях низкой частоты
Катушки индуктивности и вариометры
Эксплуатация импульсных трансформаторов и зарядных дросселей
Разъединители механической блокировки, контакторные устройства, выключатели, переключатели
Антенно-фидерные тракты
Влияние режимов работы изоляционных конструкций на внешнюю изоляцию
Влияние климатических и механических условий эксплуатации
Влияние температуры
Влияние повышенной   влажности
Радиационная стойкость и механические факторы
Электрические свойства диэлектриков
Электрические свойства полимерных материалов
Электрические свойства стеатитовой керамики
Кратковременная и длительная электрическая   прочность эпоксидных компаундов
Кратковременная и длительная электрическая прочность полиолефинов
Кратковременная и длительная электрическая прочность керамики, лейкосапфиров
Электрическая прочность эпоксидных компаундов при механическом нагружении
Короностойкость и дугостойкость полимерных материалов
Полупроводящие полимерные материалы
Пробой в воздухе на постоянном напряжении и при частоте 50...400 Гц
Пробой вдоль поверхности на постоянном напряжении и при частоте 50...400 Гц
Пробой в воздухе и вдоль поверхности при высокой частоте
Факторы, влияющие на механические свойства изоляции, эпоксидные компаунды
Физико-механические свойства изоляции термопластов
Физико-механические свойства изоляции стеатитовой керамики
Физико-механические свойства изоляции стеклопластиков
Физико-механические свойства изоляции эпоксидных компаундов
Физико-механические свойства изоляции термопластов
Физико-механические свойства изоляции стеклопластиков
Адгезионная прочность
Образование термоупругих напряжений в изоляции
Снижение термоупругих напряжений
Образование термоупругих пробоев в изоляции
Выравнивание полей внутренней изоляции
Выравнивание полей внешней изоляции
Электромоделирование электрических полей изоляционных конструкций
Решение краевых задач электростатики на ЭВМ
Оптимизация систем изоляции высоковольтных конструкций
Выбор изоляционных промежутков
Оптимизация технологии систем изоляции высоковольтных конструкций
Конструкции высокопотенциальных трансформаторов
Конструкции высокопотенциальных блочных трансформаторов
Конструкции высокопотенциальных трансформаторов с малой емкостью
Проектирование высоковольтных силовых и анодных трансформаторов
Проектирование высоковольтных силовых и анодных трансформаторов средней мощности
Проектирование высоковольтных силовых и анодных трансформаторов большой мощности
Проектирование трансформаторов модуляционных и   низкой         частоты
Проектирование импульсных трансформаторов
Высоковольтные дроссели, катушки индуктивности и вариометры - проектирование
Проектирование изоляции поворотных и опорных изоляторов
Проектирование изоляции высокочастотных изоляторов
Проектирование изоляции поворотных изоляторов
Проектирование изоляции проходных изоляторов
Проектирование изоляции реле, выключателей и переключателей
Коаксиальные высоковольтные конструкции антенно-фидерных трактов - проектирование
Системы изоляции нестандартных высоковольтных устройств - проектирование
Список литературы

Термоупругий пробой (ТУП) вызывается термоупругими напряжениями в керамике и в других твердых диэлектриках вследствие неравномерного разогрева диэлектрика в поле высокой частоты.
Растрескивание может явиться следствием ионизации газа в крупных порах, приводящей к дополнительному тепловыделению, а в плотной керамике с незначительными порами раскалывание связано с тепловыделением в твердой фазе. Опасные градиенты температурного поля возникают как в однородных, так и в неоднородных электрических полях.
Наиболее полная и сбалансированная теория нарушения сплошности твердых диэлектриков в высокочастотных электрических полях нашла свое отражение в докторской диссертации Ю. М. Волокабинского.
В зависимости от характеристик диэлектрика, частоты электрического поля и условий охлаждения раскалывание может происходить из-за появления разрушающего перепада температур в условиях теплового равновесия или при прогрессивном нагреве диэлектрика после нарушения теплового равновесия.
Для высокочастотных изоляционных конструкций наибольший интерес представляет расчет ТУП для керамических и стеклянных (ситалловых) стержней, трубок и сфер. Для полимерных высокочастотных материалов ПЭ, ПП, Ф-4 и т. п. вследствие малых диэлектрических потерь и значений модуля Юнга возможность появления ТУП крайне незначительна.
Расчеты раскалывающего напряжения (или напряженности) и появления разрушающего перепада температур рассматриваются без учета краевых эффектов для электрических полей, близких к равномерным. Последнее оправдывается нецелесообразностью по механическим и экономическим соображениям разработки изоляционных конструкций с резко неравномерным электрическим полем. При одинаковых габаритах и частоте наиболее высокие напряжения выдерживают конструкции с равномерным электрическим полем.
Важность определения ТУП для керамики связана как с определением ее кратковременной прочности, так и с ее старением на высоких частотах под воздействием процессов рекристаллизации и роста микротрещин. Внутренние механические напряжения увеличиваются по мере роста частоты и напряженности электрического поля из-за вызываемого им в теле изолятора перепада температур.

 
Когда к изолятору приложена растягивающая сила F или в процессе изготовления, хранения и транспортировки в теле изолятора возникают значительные внутренние напряжения, обусловленные осевым напряжением σ0= F/(R2), условия напряжения раскалывания можно записать в виде

Силу, которая вызывает разрыв изолятора, находящегося в однородном электрическом поле Е, можно определить из выражения

Для диапазонов частот в десятки мегагерц, когда внутри стержневого изолятора условия охлаждения несоизмеримы с охлаждением внешних слоев, возникают чрезмерные перепады температур, приближающиеся к Δtρ. Более равномерные условия охлаждения внутренней и наружной поверхности возникают в трубчатых конструкциях, особенно с тонкими стенками. Применение трубок позволяет значительно сократить перепад температур и поднять значение частоты и напряжения высокочастотного изделия.
Рассмотрим предельные случаи, когда охлаждается только наружная поверхность изолятора или когда и внутренняя и внешняя. В последнем случае их температуры равны, а максимальная температура tmax будет внутри стенки изолятора на расстоянии rт от его оси.
Наиболее распространенными на практике являются опорные и натяжные трубчатые изоляторы, у которых внутреннее отверстие закрыто арматурой и охлаждение происходит только через наружную поверхность.
Напряженность электрического поля, при которой происходит раскалывание опорного и натяжного трубчатого изоляторов без учета внешней нагрузки, будет

где r0 — радиус внутреннего отверстия трубки.

Для расчета трубчатых изоляторов, охлаждаемых с внутренней и с наружной поверхностей, что возможно, например, для проходного изолятора, можно воспользоваться уравнением

На основании приведенных уравнений рассчитаны и построены графоаналитические характеристики для трубчатых опорных и натяжных стеатитовых изоляторов, работающих в диапазоне, соответствующем мегагерцам (рис. 5.7).
Из рисунка следует, что с уменьшением толщины стенок стеатитовых трубок и соответственно со снижением разницы температуры между наружной и внутренней поверхностью трубок повышается раскалывающая напряженность или, что то же самое, при уменьшении толщины стенок можно повышать частоту.
Керамические стеатитовые изоляторы в форме сферы находят применение в качестве поворотных для высоковольтных высокочастотных вариометров контурных устройств. Такая форма способствует уменьшению высоты изоляторов и самого вариометра, а также обеспечивает необходимую механическую прочность при повороте массивного ротора.

Рис. 5.7. Зависимости напряженности электрического поля раскалывания стеатитовых трубок от частоты при толщине стенок трубок диаметром 25 мм, равной 2 мм (кривая 1), 5 мм (кривая 2) и 10 мм — кривая 3
Вследствие того что внутренние части шара более нагреты, чем наружные, в шаре возникают сжимающие радиальные ТУН. Этот процесс характерен также при изготовлении шаровых изоляторов. Из-за большого перепада температур внутри и снаружи шара при недостаточно медленном остывании возникают не только микротрещины, но и большие разломы.
Перепад температур в центре шара и на его поверхности, приводящий к раскалыванию, определяется уравнением

где G — модуль сдвига.

Напряженность электрического поля при эксплуатации без учета внешних и технологических внутренних напряжений определяется для равномерного электрического поля уравнением

где ε и tgδ — значения при средней температуре, a G — модуль сдвига.

где t — температура на поверхности шара.
Для выбора предпочтительной формы изолятора при одинаковом удельном тепловыделении, когда диаметр сферы равен диаметру стержня и толщине пластины, ТУН на поверхностях пластины, стержня и шара относятся как 40: 15: 8, а разрушающие перепады температур в пластине, стержне и шаре относятся как 3:4:5. Таким образом, наилучшие условия эксплуатации создаются в изоляторах в форме пластины и стержня, а наихудшие, естественно, — в форме шара.
Все уравнения выведены с указанными ранее допущениями и не учитывают такие особенности реальных изоляционных конструкций, как возможные изменения геометрии в виде полостей, ребер, разнотолщинностью, наличия металлической арматуры или конструктивных армирующих деталей, и т. п. Все это необходимо принимать во внимание при расчетах в процессе проектирования изоляционных конструкций.
Обычно такие характеристики определяются экспериментальным путем и в дальнейшем учитываются поправочными коэффициентами, которые вводятся в приведенные уравнения.
Другим существенным условием эксплуатации высокочастотных конструкций является нагрев в поле высокой частоты металлических элементов и деталей, монолитно связанных с телом изолятора. Нередко температурная доля такого нагрева оказывается настолько существенной, что приводит к локальным разрушениям изолятора, особенно по границе диэлектрика с этими деталями.
При работе изоляционной конструкции в высокочастотном поле, одновременно с диэлектрическими потерями в теле изолятора, в металлической арматуре возникают джоулевые потери, обусловленные емкостным током, сопротивление которому возрастает за счет эффекта вытеснения, а потери — за счет вихревых токов.
Глубину проникновения тока в металл при поверхностном эффекте можно определить по формуле

где р — удельное сопротивление металла; μπ — магнитная проницаемость; f — частота.
Распределение плотности тока может быть представлено в виде уравнения


где Η — напряженность магнитного поля; δ — глубина его проникновения.
Это уравнение применимо лишь в том случае, если поверхность, по которой идет ток, будет плоской или иметь кривизну весьма большого радиуса. При соотношении δ=0,25rо уравнение для плотности тока будет иметь вид

где х = r0 — r— расстояние от оси, до которой проникает ток·
При относительно малых радиусах и δ= 0,25го уравнение примет вид

Из приведенных уравнений следует, что при относительно больших частотах, а значит, малых глубинах проникновения, ιοκ сосредоточивается вблизи поверхности и сравнительно мало зависит от радиуса кривизны. При относительно низких частотах зависимость плотности от кривизны весьма велика, так как ток спадает линейно с уменьшением радиуса кривизны.
Потери, вызываемые в металлической арматуре вихревыми токами, определяются уравнением

где g — удельная проводимость; кф— коэффициент формы; Вт — индукция; δ — толщина проводящей среды или глубина проникновения тока; f—частота; V — объем проводящей среды.
Проведенными экспериментами было подтверждено, что основная доля в нагревание арматуры вносится вихревыми токами в ее толще.
Для уменьшения влияния эффекта вихревых токов могут быть предложены следующие способы изготовления арматуры:
сваркой тонкостенной конструкции из двух половинок немагнитного материала;
штамповкой из изолированного друг от друга тонколистового немагнитного материала с высокой проводимостью;
прессованием из высокочастотного полимерного материала с последующим серебрением на толщину электромагнитной проницаемости для данной частоты;
прессованием из высокочастотных ферритов с малыми потерями на вихревые токи.
Наиболее часто употребляемые и простые в технологическом отношении способы связаны с применением материалов, обладающих высокой проводимостью, или серебрением поверхности арматуры.



 
« Такелажные работы при монтаже оборудования электростанций   Телемеханика в энергоснабжении промышленных предприятий »
Карта сайта + все метки | Контакты
© Электроэнергетика При перепечатке и цитировании активная гиперссылка на сайт обязательна.