Твердая изоляция внутренних высоковольтных конструкций - Выравнивание полей внутренней изоляции

КОНСТРУКЦИИ С ВЫРАВНЕННЫМ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ПОЛЕМ

1. ВЫРАВНИВАНИЕ ПОЛЕЙ ВНУТРЕННЕЙ ИЗОЛЯЦИИ

Как было показано в § 2.2, срок службы эпоксидной, да и другой твердой изоляции с kK =3... 4 увеличивается, при прочих условиях, по сравнению с kH > 4, на 1—2 порядка.
Рациональное использование диэлектрика, снижение массо- габаритных характеристик изоляционных конструкций и повышение их надежности связаны с обеспечением равномерного или близкого к равномерному электрического плоя во всем объеме изоляции. При удовлетворении указанного условия исключается локальное увеличение изоляционных промежутков на участках повышенной или максимальной напряженности электрического поля. Появление таких участков связано с общим ростом толщины всего изоляционного слоя, так как его местное увеличение обычно невозможно по технологическим или конструктивным условиям. Например, из-за краевого эффекта обмотки трансформатора или арматуры изолятора приходится увеличивать толщину изоляции вдоль всей поверхности, так как изоляция выбирается с учетом максимальной напряженности.
Утолщение изоляции из-за локальной повышенной напряженности можно избежать путем изменения радиусов кривизны электродов в опасной зоне или же изменения их формы. Иногда для этого достаточно заменить в обмотке трансформатора прямоугольный провод на круглый, обладающий большим радиусом кривизны.
Проектирование с учетом выравнивания электрических полей обеспечивает достижение минимальной толщины главной и наименьших размеров внешней изоляции, выбранной по кратковременной или длительной ее прочности. Такой подход обеспечивает одновременно создание изделия с минимальными габаритами и массой.
Таким образом, максимальная напряженность электрического поля Етах будет равняться или приближаться к значению средней напряженности Еср:
Е max =kHEcp,
где kH— коэффициент неравномерности электрического поля; Еср = U/l (I — толщина диэлектрика).
Проектирование высоковольтного изделия осуществляется с учетом коэффициента неравномерности электрического поля, значение которого в идеальном варианте приближается к единице, т. е. kH = 1.

Следовательно, максимальное значение напряженности поля в изоляции соответствует ее среднему значению и будет во всем объеме приблизительно одинаковым. В общем случае коэффициент неравномерности электрического поля зависит от радиуса кривизны электродов r0 и от расстояния между ними l, определяемых геометрическим коэффициентом. Положительный характер роста величины р с целью уменьшения коэффициента неравномерности К сказывается до определенных пределов и имеет конкретные значения для каждого типа электродов.

Таблица 6.1

Рис. 6.1. Секционная катушка высоковольтного трансформатора (I...3 — области, выбранные для моделирования)

При kн = 1 возникает равнопрочная в электрическом отношении конструкция, которая характеризуется не только минимальными габаритами, но и при правильном выборе допустимого значения электрической прочности изоляции, заданной надежностью, т. е. имеет заданный запас электрической прочности. Выбор геометрии системы изоляции (электродов и диэлектрика) производится аналитическим, графоаналитическим методом, или посредством моделирования электрических нолей [31].
Аналитический метод для сложных конструкций является трудоемким и используется для определения максимальной напряженности электрического поля между электродами простой формы.
Графоаналитический метод при наличии достаточною количества кривых (семейства кривых) зависимости kH = f(р) для данного типа электродов дает оперативную информацию и позволяет быстро найти для них оптимальные соотношения.
Аналитическое решение задач электрического поля ограничено типами электродов, ставших классическими.

Рис. 6.2. Зависимость коэффициента неравномерности электрического поля kK от коэффициента р=r0/1 для обмоток вариантов 1 и 2 табл. 6.1

Рис. 6.3. Зависимость коэффициента неравномерности электрического поля
kK от коэффициента p=r0/l для обмоток вариантов 3 и 4 табл. 6.1

Графоаналитический метод получил распространение при проектировании типовых элементов конструкции, встречающихся в трансформаторах, дросселях, конденсаторах и в других высоковольтных изделиях. Зависимости kH = f(р) для электродов произвольной формы определяются методом моделирования электрических полей.
В табл. 6.1 приведены примеры типовых конструкций катушек трансформаторов и дросселей. В общем виде катушка приведена на рис. 6.1. Наиболее распространенным является выбор изоляции в торцевой части катушки с металлизированной поверхностью или без металлизации.
При этом возможны два случая:
размеры обмотки равны или больше толщины слоя изоляции (варианты 1 и 2 табл. 6.1);
размеры обмотки меньше, чем слой изоляции (варианты 3 и 4 табл. 6.1).
Из приведенных на рис. 6.2 и 6.3 кривых следует, что для вариантов 1 и 2 зависимости kH = f(р) при постоянных углах кромки и радиусах кривизны увеличение одного из размеров изоляции по сравнению с другими более чем в 2 раза не приводит к заметному (выше 15%) снижению коэффициента kH.
Влияние на значение kK изменения угла кромки обмотки показано на рис. 6.4. Из приведенных зависимостей видно, что трапецеидальная форма обмотки, которая применяется для увеличения разрядного расстояния поверхности между первым и последним слоями, с уменьшением угла а приводит к росту коэффициента неравномерности у кромки обмотки.
Для представленного на рис. 6.2 увеличения изоляционного промежутка b между обмотками относительно торцевой изоляции в 2 раза и более не дает улучшения коэффициента неравномерности электрического поля больше чем на 10... 15%. Эта зависимость соответствует реальному типовому промежутку, когда угол обмотки ВН обращен к обмотке НН, а толщина обмотки ВН больше в 2... 3 раза толщины изоляции.

Рис. 6.4. Зависимость коэффициента неравномерности электрического поля от коэффициента р=r0/l для обмотки варианта 5 табл. 6.1

Увеличение радиуса кривизны кромки обмотки r0 в типовых вариантах 1...4 (табл. 6.1) с целью уменьшения коэффициента целесообразно производить до значении rо/l=0,3 ... 0,5. Дальнейшее изменение радиуса кривизны обмотки незначительно улучшает коэффициент неравномерности.
Из кривых на рис. 6.2 и 6.3 следует, что изменение расстояния между секциями обмотки ВН слабо влияет на уменьшение k„ и его значение зависит, главным образом, от толщины обмотки, радиуса кривизны края секции и потенциалов на обмотках. Коэффициент неравномерности достигает значительных величин, если потенциалы на углах обмотки сильно различаются.
Как следует из кривых, приведенных на рис. 6.2 и 6.3, ими можно пользоваться, когда толщина торцевой части изоляции равна или больше толщины главной изоляции (b=l), и когда отношение b/1 равно 1, 2, 5 и бесконечности. Для промежуточных значений b/1 при р = 0,1 можно воспользоваться уравнениями.
В табл. 6.2 приведены типовые варианты прямоугольных и трапецеидальных обмоток (или секций), расположенных у металлизированных торцов залитых эпоксидным компаундом катушек. Обмотки (секции) имеют различные значения коэффициентов в точке А (на углу обмоток) при разных соотношениях толщины изоляции b и l. Сравнение значений кн, приведенных в табл. 6.2 для варианта 1 и 3, показывает резкое увеличение коэффициента kH при разных потенциалах на обмотках.
Такой же характер изменения зависимостей kH=f(р) имеют варианты 2 и 4 для трапецеидальных обмоток. С помощью зависимостей, приведенных в табл. 6.2, можно определить изменение при переходе от прямоугольных форм обмоток к трапецеидальной форме.

На основании этих данных и картин электрических полей для них можно сделать следующие выводы:

Рис. 6.5. Зависимость коэффициента неравномерности электрического поля кн от коэффициента р=b/l при наличии металлизации (кривая I) и без металлизации при наличии магнитопровода (кривая 2)

1. максимальная напряженность рассмотренных конструкций определяется концентрацией поля вблизи кромки;
2. зависимость kH =f(р) является монотонной функцией и оптимального соотношения между b и l не существует;
3. профиль электродов, соответствующий определенному значению k, можно найти по картине электрического поля.

Если по картине электрического поля можно обмотке придать форму эквипотенциала 0,6 или 0,8 (0,9 проходит у металлизированной поверхности), то поле между обмотками будет равномерным.
Увеличение радиусов кривизны и угла кромки в обмотке, необходимое для выравнивания электрического поля, достигается одним из следующих способов:
увеличением диаметра провода на углу обмотки;
изменением числа витков в слоях обмотки;
расположением вблизи угла обмотки экрана, обращенного вогнутостью к углу и находящегося под потенциалом углового витка (или близкого к нему по значению).
В реальных конструкциях расстояние края обмоток ВН и НН от металлизированной поверхности катушек, т. е. слой изоляции на торце относительно этих обмоток, принимается в 1,5—2 раза толще слоя между обмотками (рис. 6.1, область 3). Результаты исследования значений k у верхней (точка 1) и у нижней (точка 2) кромок обмотки ВН (φ3=1)! приведены в табл. 6.3. Они свидетельствуют о равенстве значений kH для точек 1 и 2 прямоугольной катушки при одинаковых соотношениях l1 и l и различаются — для трапецеидальной.
Электрическое поле катушек без металлизации на поверхности характеризуется повышенной напряженностью только на участках, приближенных к острым кромкам электродов.

Картина электрического поля в таких конструкциях резко отличается от картины поля металлизированных С и D поверхностей катушек (рис. 6.5). Максимальная напряженность поля возниκает в воздушном зазоре. Особенно она возрастает при наличии деталей с острыми кромками.

Таблица 6.3

При увеличении воздушного зазора до значения, превышающего в 1,5 раза толщину изоляции (а/1 =1,5), поле в зазоре можно считать равномерным и
оно является неоднородным только у края металлизации (кривая 2 на рис. 6.5). Металлизации торцов катушки сказывается на росте максимальной напряженности поля в зазоре относительно магнитопроводов, но не отражается на ходе зависимости kн = f(a/b).
Целесообразность металлизации обусловлена наличием вблизи изделия заземленных элементов. В то же время учитывается, что коэффициент неравномерности электрического поля в главной изоляции при экранировании поверхности катушки может увеличиться на 10—60%.
Определение влияния на коэффициент kH геометрии обмоток, расположенных на большом расстоянии от торцов или от боковых металлизированных поверхностей с учетом толщины намотки, показало, что имеет место большая, чем у других типовых промежутков, зависимость kH от размеров обмотки. Особенно заметна зависимость коэффициента k от р для тонких обмоток.
Напряженность электрического поля в изоляции возрастает при наличии выступов над поверхностью намотки, а коэффициент К возрастает с увеличением выступающей части а и уменьшением ее радиуса кривизны (рис. 6.6).

Рис. 6.6. Зависимость коэффициента неравномерности электрического поля от размера выступа р=r0/l одной обмотки относительно плоскости другой обмотки при а/l= 1,0
Когда отношение ширины выступа b к оставшейся части изоляции и к краю выступа l больше единицы (b/l=1) в области р <0,1, значение k определяется следующими уравнениями:

Для изоляционных конструкций типа опорных, поворотных и проходных изоляторов электрическое поле внутренней и внешней изоляции невозможно разделить, так как оно определяется в большинстве случаев одной и той же арматурой. Учитывается также условие, что изоляционный промежуток по поверхности (или по воздуху) заведомо обладает даже в нормальных климатических условиях меньшей электрической прочностью, чем внутренняя прочность твердого диэлектрика, и требует большего изоляционного промежутка. Внутренняя прочность заведомо обеспечивается большим запасом.
Сложность разработки конструкции с коэффициентом связана с необходимостью увеличения радиуса кривизны, а следовательно, и размеров металлической арматуры, которая является электродом изоляционной конструкции. Возрастание объемов металлических деталей в теле изолятора при их монолитной связи с диэлектриком приводит к увеличению термоупругих напряжений. Повышается вероятность образования внутренних трещин в теле изолятора и отслоений арматуры.
Минимизация термоупругих напряжений в монолитной изоляционной конструкции достигается не только благодаря исключению концентраторов механических напряжений, но также за счет обеспечения минимальной разницы значений ТКЛР и модулей Юнга

и минимального содержания металла в арматуре или минимальной площади их поперечного сечения.
Для надежной эксплуатации значение термоупругих напряжений должно быть в 1,25—2 раза меньше длительного временного сопротивления диэлектрика на растяжение о„ и длительной адгезионной прочности диэлектрика с арматурой оа. В первом приближении материалы для арматуры могут выбираться по максимальному коэффициенту работоспособности, во всем температурном диапазоне при эксплуатации:

где σт.х— терморелаксационная характеристика, определяющая способность диэлектрика к образованию термоупругих напряжений при монолитном соприкосновении с материалом арматуры и учитывающая не только ТУН, вызываемые различием характеристик материалов, но и влияние механических напряжений.
Рассмотренные положения позволяют разработать для трех основных типов изоляционных материалов (керамики·, заливочных и прессовочных полимерных материалов) варианты электродов для конструкций с равномерным электрическим полем при минимальных значениях термоупругих напряжений. Создается основа для создания надежных изоляционных конструкций с взаимозависимыми электрическими и механическими характеристиками, обладающих изоляцией с заданным запасом электрической и механической прочности.
Схематически такие конструкции представлены в табл. 6.4.
В керамических изоляторах (вариант 1), 'изготавливаемых из высокочастотной керамики, например марки Б-17, методами литья или холодной обработки на токарных или фрезерных станках сырого материала с последующим отжигом, форма и размеры электродов образуются эллипсоидальными полостями в теле опорных изоляторов и их металлизацией посредством вжигания серебра. Металлическая арматура для крепления изолятора выбирается на основании конструктивно-технологических требований и обычно ограничивается применением букс с внутренней резьбой. Электрический контакт между буксой и металлизированной поверхностью (электродом) в изоляторе создается пайкой припоями, контактолом, электродиффузионной сваркой или любым другим способом, а букса в полости заливается портландцементом, эпоксидным компаундом и подобными адгезивами.

Возможна заливка буксы в полость полупроводящим полимерным адгезивом без предварительного выжигания серебра.
Таблица 6.4

Примечание. В таблице обозначено: 1 — тело изолятора; 2 — металлизированная полость; 3 — металлическая арматура; 4 — металлическая сетка; 5 — металлическая букса; 6 — полупроводящая полимерная арматура; 7 — металлизация; 8 — дисковая, металлическая или полимерная полупроводящая арматура.

Вжигание в поверхность полости тонкого слоя серебра для образования электрода, обладающего минимальной металлоемкостью, обеспечивает устойчивость покрытия к деформациям, а также высокую адгезионную прочность и достаточную электрическую проводимость на высоких частотах с учетом электромагнитной прозрачности металла.
Применение серебра для образования надежного покрытия обусловлено не только близкими к характеристикам керамики значениями а и Е', но и простотой технологических операций. Надежный электрический контакт керамики с серебром гарантирует однородность электрического поля из-за отсутствия под покрытием воздушных и инородных включений, минимальные диэлектрические потери на высоких частотах и возможность термообработки после заливки компаундом букс в полости изолятора.
Попытки изготовления полимерных прессованных изоляторов с электрическим полем, выравненным с помощью максимально облегченных металлических электродов (табл. 6.4, вариант 2), приводят к образованию трещин, отслоений и в конечном итоге — к пробою тела изолятора.
Оптимальным в электрическом и технологическом отношениях вариантом монолитных опорных изоляторов с внутренней заделкой арматуры является эллипсоидальная форма электродов с расстоянием относительно боковой и торцевой поверхности тела изолятора не менее 1/6 диаметра.
Выравнивание электрического поля в изоляционных конструкциях из заливочных компаундов, для изготовления которых не требуется повышенного давления, минимальные ТУН достигаются применением электростатических экранов из металлической сетки (табл. 6.4, вариант 3). Края сетки для снижения краевого эффекта и увеличения механической прочности завальцовываются в проволочное кольцо.
Металлическая сетка имеет большую активную площадь адгезии и не разделяет тело изолятора на отдельные области полимеризации, как это наблюдается при использовании экранов из фольги. Экран из металлической сетки припаивается к латунной буксе, посредством которой он закрепляется в заливочной форме, и при установке обеспечивается электрический контакт экрана с внешним высоковольтным или заземленным элементом.
Для изоляционных конструкций из полимерных прессовочных или литьевых композиций с применением давления для выравнивания электрического поля используются полимерные металлизированные электроды или электроды из полупроводящих материалов, матрица которых имеет тот же состав, что и тело изолятора (табл. 6.4, варианты 4 и 5).

Металлизированные электроды прессуются (или заливаются) из материала тела изолятора (например, из эпоксидного компаунда) и металлизируются гальваническим электростатическим путем или шоопированием цинком. Металлическая букса с резьбой для крепления изолятора запрессовывается при изготовлении электрода.
При использовании трубчатых опорных изоляторов с внешними электродами (табл. 6.4, вари!ант 6) минимизация коэффициента неравномерности и нормальных составляющих напряженности электрического поля достигается двумя путями: минимизацией напряженности электрического поля в зоне тройного сопряжения по внутреннему и наружному диаметру трубки, являющейся телом изолятора, и обеспечением формы электрического поля с минимальной нормальной составляющей напряженности электрического поля, гарантирующей пробой не по поверхности, а по воздуху, что позволяет использовать некороностойкие и недугостойкие материалы.
Минимизация коэффициента k и нормальной составляющей напряженности электрического поля основана на использовании экранирующего эффекта узкой щели в электроде, которая неспособна исказить ближайшую к электроду эквипотенциаль.
Для трубчатых конструкций такая минимизация выполняется с помощью арматуры, внешняя и внутренняя плоскости которой располагаются на одном уровне (рис. 6.7).
На рис. 6.7 показана картина электрического поля для вариантов опорных изоляторов с различными типами внешней арматуры, которые, помимо трубчатого, не исключают применения и монолитного тела изолятора.


Рис. 6.7. Электрическое поле двух вариантов заделки арматуры в тело изолятора

Иp положения эквипотенциали 0,9 около внешней части арматуры видно, что размещение наружной и внутренней плоскостей арматуры на разных уровнях увеличивает значение максимальной напряженности почти в 2 раза, а нормальной составляющей напряженности — в 9 раз по сравнению с арматурой одного уровня.
Для повышения электрической прочности наружный диаметр арматуры выбирается по эмпирической формуле Dz = D1+ 3,3δ — 2,7, где — внутренний диаметр тела изолятора (трубки); б — толщина ее стенки.
На рис. 11.3 показан трубчатый изолятор на напряжение 20 кВ с оптимальной геометрией и размерами, а также показано распределение напряженности по наружной поверхности тела изолятора. Незначительное повышение напряженности отмечается только на арматуре, чего практически избежать невозможно.
Конструкционные размеры трубчатых изоляторов определяются методами планирования экспериментов, в результате которых получена эмпирическая формула, связывающая основные размеры: δ= 0,8 + 0,3(D2—D1).
Эта зависимость справедлива для изоляторов, работающих при наиболее употребляемых в радиотехнических устройствах напряжениях до 40 кВ с длиной пути тока утечки от 30 до 150 мм и толщиной стенок трубки больше 3 мм.
Наиболее постоянное значение напряженности электрического поля вдоль активной поверхности электродов обеспечивается профилем Фелиси, который задается уравнениями:

где d — минимальное изоляционное расстояние между электродами; Θ — параметр, изменяющийся от нуля до л. Однако сложность изготовления такого профиля сокращает области его применения.
В полимерных сварных конструкциях из полиэтиленовых или полипропиленовых труб, получивших применение в последние годы для высоковольтных выключателей и переключателей, возникли задачи выравнивания электрического поля по шву или в зоне формования замковых соединений с металлической арматурой.
Так как изготовление сварного шва с однородной структурой практически невозможно, то стараются поместить его в области минимальных напряженностей или в экранированной области, где поле отсутствует.

В высоковольтных реле на основе герконов управляющая обмотка помещается в эпоксидной изоляции, а для выравнивания электрического поля предусматривается канавка полукруглого или эллипсоидального сечения, в которой уложенный провод образует оптимальное, относительно металлической внутренней, экранирующей геркон трубки, электрическое поле. Можно для уменьшения неравномерности поля, образованного проводом, паз металлизировать и обмотку укладывать на предварительно уложенный изолирующий слой.