Твердая изоляция внутренних высоковольтных конструкций - Оптимизация систем изоляции высоковольтных конструкций

ГЛАВА ВОСЬМАЯ
ОПТИМИЗАЦИЯ СИСТЕМ ИЗОЛЯЦИИ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ КОНСТРУКЦИЙ
КРИТЕРИИ ОПТИМИЗАЦИИ
Оптимизация любой системы изоляции независимо от ее назначения сводится к достижению возможно меньших габаритов и массы при заданных запасах электрической и механической прочности и при наименьших затратах труда. Особое внимание уделяется надежности эксплуатации при условии отсутствия частичных разрядов внутри и на поверхности изоляции. Учитываются особо сложные условия работы при непрерывных переходных процессах с различной формой нагрузки, при перенапряжениях, тяжелых механических и климатических воздействиях.
Снижение габаритов и массы отдельных изоляционных конструкций иногда приводит к значительному уменьшению размеров всего радио- или электротехнического устройства. Непременно достигается снижение трудозатрат, размеров технологической оснастки и приспособлений, энергоемкости оборудования и обрабатывающих станков.
Минимальные массогабаритные характеристики конструкций при заданном запасе электрической и механической прочности возможны при равномерном распределении этих нагрузок внутри твердой изоляции и на ее поверхности.
Принцип равнопрочности, в первую очередь, имеет место при электрическом поле, близком к равномерному, а термоупругие напряжения имеют минимальные значения (σв→min) и равномерно, без концентраторов напряжения, распределяются по всему объему изоляции.
Как было показано в § 2.2, при k→1 повышается срок службы изоляции, поверхностные частичные разряды (ПЧР) возникают практически при предпробойных значениях напряженности электрического поля, повышается напряжение образования самостоятельного разряда и напряжение возникновения объемного заряда, а на высоких частотах повышается напряжение раскалывания диэлектрика (термоупругий пробой). Повышается также напряжение, при котором происходит снижение пробивных напряжений при частотах, превышающих первую критическую.
Было также показано, что при более низких внутренних механических напряжениях повышается срок службы твердой изоляции и улучшаются ее электрические характеристики.
В конструкциях с равномерным или слабо неравномерным полем и с минимальными ТУН удовлетворяются главные требования разработки изоляционных конструкций любого назначения и обеспечивается, при прочих равных условиях, достижение минимальных габаритов и массы, повышение надежности.
Минимизация величин k и σв принимается в качестве основных критериев оптимизации.
Повышение электрической прочности по поверхности изоляции или уменьшение изоляционных промежутков может иметь место при минимизации нормальной составляющей напряженности электрического поля Еп и уменьшении площади поверхности тела изолятора. Обе характеристики зависят главным образом от размеров и формы поверхности изоляции.
Отрицательное влияние роста доли нормальной составляющей напряженности электрического поля на границе раздела поверхности диэлектрика и воздуха описано в § 3.1. Увеличение нормальной составляющей может проявиться в уменьшении, па 20... 30% значения напряжения поверхностного пробоя.
При резко неравномерном поле и большой нормальной составляющей, при прочих равных условиях, снижается напряжение возникновения ПЧР и стримеров, более медленно растут напряжения поверхностного пробоя с ростом расстояния между электродами.
Сам поверхностный пробой чаще происходит непосредственно по поверхности, чем по воздуху, оставляя трек и снижая электрическую прочность конструкции.
Минимизация нормальной составляющей (Е→min) может служить третьим по значимости критерием оптимизации.
Универсальным условием оптимизации независимо от функционального назначения конструкции является также уменьшение площади поверхности диэлектрика, что достигается исключением выступов и заглублений (см. § 6.2). Это условие обеспечивает, помимо снижения значения нормальной составляющей напряженности, также уменьшение максимальной напряженности электрического поля и снижение коэффициента его неравномерности. Обеспечиваются условия более равномерных условий увлажнения и загрязнения.
Формализовать данный критерий можно как Sпов→min, причем площадь определяется индивидуально в зависимости от геометрии тела изолятора.
Следующим критерием, способным улучшить электрические свойства изоляционной конструкции, является повышение (максимизация) напряжения возникновения самостоятельного разряда, которое зависит также от формы (геометрии) системы изоляции.
На этот критерий сильное влияние оказывают конструктивно-технологические факторы: компоновка арматуры, ее радиусы закругления, наличие поднутрений в зоне металл — диэлектрик-воздух и в особенности — газовый клин между диэлектриком и арматурой.
Все приведенные критерии оптимизации являются универсальными, в большей или меньшей степени зависят от степени равномерности электрического поля и могут определяться последовательно с учетом моделирования картины электрического поля.
К универсальным критериям могут быть отнесены экономические характеристики минимизации материало-, трудо- и энергоемкости. В отдельных случаях наряду с универсальными могут учитываться индивидуальные критерии. Например, при сохранении условия Кн→1 возможно требование минимальной высоты для поворотных или диаметра для проходных изоляторов.
При разработке высокочастотных высоковольтных конструкций специфическим требованием для твердых диэлектриков с высокими значениями модулей Юнга приобретает критерий максимизации напряженности электрического поля. Существенным фактором становится максимизация напряжения образования факельного разряда Uф. Помимо равномерности электрического поля при Eтуп→max, имеет значение условие равномерного нагревания или охлаждения тела изолятора, а для Uф— специфические условия его образования (§ 3.2).
Формализация критериеви U0,
Uф, Етуп→мax осуществляется применительно к конкретным размерам системы изоляции, включающей в себя диэлектрик и арматуру (электроды) изоляционной конструкции.
Оптимальность варианта конструкции, учитывающего все приведенные критерии, определяется методом последовательных приближений в процессе решения конструкторско-технологических, электрофизических, физико-механических и экономических задач (см. рис. 7.3).
Для отдельных типов изоляционной конструкции можно решить комплексную задачу оптимизации по специальной программе на ЭВМ, что целесообразно при разработках большого числа конструкций одинакового функционального назначения.
Универсальное применение программы ЭВМ на оптимизацию по критериям приобретает неоправданно громоздкий характер и связано с большими затратами машинного времени. Невозможно также учесть все конструктивно-технологические варианты применительно к оборудованию завода-изготовителя изоляционных конструкций. Даже при разработке экспериментального образца с учетом возможности его быстрого изготовления приходится творчески переработать несколько вариантов в зависимости от наличия необходимых материалов или возможности выполнения отдельных технологических операций.
Новые решения уже смоделированной конструкции могут возникнуть на конструктивно-технологической или экономической стадии проработки и потребовать нового оптимального сочетания критериев и следующего моделирования электрического поля.