Твердая изоляция внутренних высоковольтных конструкций - Выбор изоляционных промежутков

Выбор изоляционных промежутков и всей системы изоляции проходит в несколько этапов (см. рис. 7.3), включающих в себя предварительные варианты разработки и окончательный.
Многолетняя практика определила целесообразность следующих взаимосвязанных последовательных действий на предварительном этапе разработки:

1. Выбор диэлектрика с необходимыми электрофизическими, физико-механическими и технологическими свойствами.

Определение типа твердой изоляции целиком зависит от функционального назначения конструкции, условий эксплуатации, которые включают в себя не только значение рабочего напряжения, возможных перенапряжений, частоту сети, механических нагрузок, но также климатические воздействия и режимы эксплуатации, которые могут быть кратковременными, повторно-кратковременными или длительными.

1. Определение основных конструкторско-технологических решений, зависящих главным образом от назначения конструкции, типа выбранного диэлектрика, геометрии диэлектрика и электродов.

Форму отдельных элементов системы изоляции подбирают уже известной геометрии, гарантирующей в окончательном виде минимальный коэффициент неравномерности электрического поля и достижение остальных критериев оптимизации.

1. Выбор коэффициентов запаса по электрической k3 и механической &з.м прочности.

Решение связано с рассмотрением условий эксплуатации, заданной техническим заданием группой жесткости, возможности хранения и транспортировки, а также с технологической сложностью.
Значения коэффициента запаса внешней электрической прочности с учетом повышенной влажности в зависимости от рабочего напряжения приведены ниже:
Коэффициент запаса ....2,5... 3....2,2... 2,5....2,0... 2.2
Рабочее напряжение, кВ....5...20....20...100...100

Возможность перенапряжений допускается не превышающей полуторного максимального рабочего, что определяется для изоляционных конструкций условиями селективности защиты. Принимается во внимание уровень ответственности высоковольтных конструкций в общей· системе радио- или электротехнического устройства и уровень технологичности, под которым понимаются оптимальные условия изготовления, гарантирующие однородность структуры изоляции, стабильность и воспроизводимость технологических процессов при производстве отдельных элементов и всей конструкции.
Коэффициент запаса увеличивается с ростом уровня ответственности и уровня технологичности.
Коэффициенты запаса механической прочности с учетом длительных нагрузок для приближенных расчетов приведены ниже:
Коэффициент запаса для аппаратуры:
стационарной......2,0.....2,2.....2,5
передвижной....2,2....2,5....2,75
Масса, кг....100 100... 300 300

Помимо условий эксплуатации и изготовления, учитывается отношение длительного временного сопротивления на растяжение к предполагаемому термоупругому напряжению σΒ, которые определяются в зависимости от характеристик и ориентировочной площади поперечного сечения инородных, относительно диэлектрика, материалов.
Коэффициент запаса увеличивается в зависимости от уменьшения отношения, т. е. с увеличением факторов, увеличивающих ТУН.

1. Рассчитывается предварительная толщина внутренней изоляции в зависимости от электрической и механической прочности с учетом возможных ТУН, а также определяются размеры внешней изоляции.

Изоляционные расстояния для внутренней и внешней изоляции определяются в зависимости от электрической прочности на участках возможной максимальной напряженности, исходя из средней напряженности электрического поля Еср для внутренней изоляции, равной 1,5... 4 МВ/м, и допустимой жесткости монолитной конструкции, определяемой отношением объемов инородных материалов к объему всей ИК, не превышающим 0,55.
Для высокочастотных ИК производится предварительное рассмотрение условий образования термоупругих пробоев.

1. Производится сравнительный технико-экономический анализ отечественных и зарубежных аналогов.

Каждый этап разработки системы изоляции и конструкции в целом предусматривает оптимизацию массогабаритных, электрофизических, физико-механических и технологических характеристик в соответствии с критериями оптимизации на основе моделирования электрических полей.
После моделирования, когда достигнут оптимальный вариант, начинается детальная отработка конструкции (рис. 7.3).
Изоляционные расстояния (толщина диэлектрика или длина поверхности) определяют в зависимости от электрической прочности на участках с максимальной напряженностью поля Етах по условию

(8.1)
где k3 — коэффициент запаса, учитывающий конструктивнотехнологические факторы; Едоп — допустимая напряженность; Еп — электрическая прочность, определяемая экспериментально для заданного срока службы компаунда (табл. 8.1).
Расчет напряженности Едоп производится с учетом допустимого уровня частичных разрядов изоляции и отсутствия теплового пробоя.

Одновременно рассматривается длительное при эксплуатации и кратковременное при испытаниях и возможных перенапряжениях воздействие механической нагрузки.
В качестве примера приводятся значения электрической прочности эпоксидных компаундов горячего отверждения (kн= 1) и резко неравномерного электрического поля.
Для выбора толщины эпоксидной изоляции в зависимости от механической прочности можно воспользоваться данными, приведенными в табл. 8.2.
Таблица 8.2

Все приведенные значения получены при определенном уровне технологии заливки и не претендуют на универсальность. В каждом отдельном случае толщина внутренней изоляции выбирается в зависимости от электрической и механической прочности, особенностей конструкции и возможных ТУН.
Для выбора внешней изоляции можно использовать параметры, рассчитанные в гл. 3, с учетом приведенных коэффициентов запаса.
Расчет изоляции трансформатора или дросселя является составной частью общего расчета и производится методом последовательных приближений. От коэффициента заполнения окна магнитопровода медью зависит ориентировочное значение толщины изоляции, которое может быть проверено исходя из электрической прочности 1,5...4 МВ/м. Для изделий с напряжением до 5... 7 кВ толщина изоляции определяется главным образом в зависимости от механической прочности или технологических возможностей, способных обеспечить минимальную толщину эпоксидного слоя.
Так, для изделий мощностью до 10... 20 В-A минимальная толщина изоляции может быть 3 мм.

С увеличением габаритных размеров толщина возрастает до 6 и даже до 10 мм, что значительно превосходит необходимую для рабочего напряжения 5... 7 кВ толщину компаунда по электрической прочности.
Предварительная проверка механической прочности изоляции производится по допустимой жесткости обмоток, которая определяется отношением объема меди к объему всей катушки. Это отношение не должно превышать 0,55.
При дальнейшей разработке изоляции трансформаторов предусматриваются два взаимосвязанных метода определения размеров и формы компаунда по условию электрической прочности с учетом коэффициента неравномерности электрического поля и по условию механической прочности на основе расчета термоупругих напряжений.
Последующая разработка изоляции трансформаторов может быть представлена в такой последовательности:

1. после ориентировочного определения размеры и форму главной изоляции уточняют по условию электрической прочности с учетом неравномерности электрического поля и влияния жесткости обмотки на термоупругие напряжения в изоляции;
2. производят расчет механической прочности изоляции в зависимости от термоупругих напряжений;
3. если напряженность электрического поля или механические напряжения превосходят соответственно электрическую или механическую прочность компаунда или если необходимо уменьшить размеры изделия за счет уменьшения толщины изоляции, то принимают меры по уменьшению напряженности электрического поля и термоупругих напряжений; возможно также использование средств по увеличению электрической и механической прочности компаунда.

В такой последовательности расчет повторяют до момента, пока напряженность электрического поля и термоупругие напряжения не будут соответствовать электрической и механической прочности изоляции.
После выполнения указанных условий производят выбор остальных размеров, в том числе внешней изоляции.
Изоляционные расстояния выбираются в зависимости от рабочего напряжения на изоляции UP, т. е. наибольшего значения напряжения, длительное воздействие которого на изоляцию изделия допустимо в условиях его эксплуатации или испытаний.
В высокопотенциальных трансформаторах это напряжение может определяться суммарным напряжением между началом и концом обмотки U~ и потенциалом, под которым находится обмотка. Если потенциал имеет постоянное напряжение U=, то
U'p = kU= + U~, (8.2) где k = 0,5.

Это рабочее напряжение определено для переменного напряжения. В зависимости от условий эксплуатации по формуле (8.2) могут определяться импульсные или с различной формой кривой напряжении.
Кроме того, на изоляцию в процессе работы могут воздействовать максимальные напряжения Umax различной длительности и формы кривой, например, перенапряжения импульсной формы или испытательные напряжения в течение одной или пяти минут.
Для обеспечения надежной изоляции ее характеристики выбирают в соответствии с прочностью компаунда при длительном или кратковременном воздействии напряжения. Для неравномерного поля эти напряжения обозначаются Ед.н и Ек.м.
Параметры внешней изоляции будут определяться в зависимости от электрической прочности при поверхностном пробое с учетом окружающих условий (атмосферного давления, относительной влажности и т. д.). Все значения электрической прочности компаундов приведены в гл. 2.
Дальнейшее проектирование изоляции производится в зависимости от допустимой электрической прочности Едоп с учетом неравномерности электрического поля — см. формулу (8.1).
Коэффициент запаса для главной изоляции принимают k3 = 1,5... 2,0. Для внешней изоляции его значения приведены ранее.
Разброс значений электрической прочности компаунда, вызванный рецептурными и технологическими факторами, учитывают выбором соответствующей электрической прочности с заданной вероятностью.
Весь расчет ведут в предположении, что уровень частичных разрядов не превосходит допустимого значения. Также имеется в виду отсутствие теплового пробоя.
Из двух значений изоляционных расстояний, полученных с учетом длительного и кратковременного воздействия, выбирают большее.
Механический расчет параметров эпоксидной изоляции трансформаторов и дросселей производят для исключения появления трещин или отслоений эпоксидного компаунда от залитых деталей в процессе эксплуатации, хранения и транспортировки вследствие появления термоупругих напряжений. К расчету приступают после выбора изоляции по электрической прочности.
Термоупругие напряжения достигают максимального значения на участках главной изоляции с минимальными радиусами кривизны, в местах с резким изменением толщины изоляции, на границе компаунда и деталей из твердых материалов с коэффициентом линейного теплового расширения и модулем упругости, отличными от характеристик компаунда.

Расчет выполняют в два этапа: на первом — производят  предварительный выбор толщины изоляции графоаналитическим способом; на втором — делают полный расчет термоупругих напряжений на участках с максимальными значениями эквивалентных напряжений, которые вычисляют по критерию прочности

(8.3)
где σ — допустимое напряжение; σв.доп — временное сопротивление на растяжение при заданных условиях; kз.м — коэффициент запаса, учитывающий влияние на прочность конструктивно-технологических, эксплуатационных и других факторов.
На первом этапе уточняют толщину межслоевой и главной изоляции, которые связаны зависимостями:

(8.4)
(8.5)
где δмсл — толщина межслоевой изоляции; dпр — диаметр провода обмотки; к.обм — коэффициент заполнения обмотки металлом; kK — отношение площади поперечного сечения обмотки Fобм к площади поперечного сечения катушки:
(8.6)

где FM и Fобм — площадь сечения металла в обмотке и площадь поперечного сечения обмотки;

Рис. 8.1. Зависимость толщины межслоевой изоляции от диаметра провода (область, лежащая между кривыми 1 и 5,—-предельная толщина; область между кривыми 3 и 5 — рекомендуемая)

(8.7)
— длина и толщина обмотки в рассматриваемом сечении.
Значение допускается определять по обмотке, имеющей наибольший коэффициент заполнения металлом:
(8.8)
где Σ Fобм — суммарная площадь поперечного сечения всех обмоток;
(8.9)
— площадь наименьшего поперечного сечения катушки (lк и bк — длина и толщина катушки в рассматриваемом сечении).

Уравнение (8.6) определяет жесткость самой обмотки. Выбор толщины межслоевой изоляции в зависимости от диаметра провода производят по кривым на рис. 8.1.

Рис. 8.2. Зависимость коэффициента заполнения обмотки металлом от отношения площади поперечного сечения обмотки к площади поперечного сечения катушки 1 — область допустимых значений; 2 — область рекомендуемых значений

Выбор толщины межслоеной изоляции в рекомендуемой области графика, обеспечивающей коэффициент заполнения обмотки от 0,45 до 0,55 для проводов с большим диаметром, следует выбирать ближе к нижней границе области. Это делается с целью уменьшения жесткости обмотки, которая возрастает с увеличением диаметра провода.
Принимать значение r.обм меньшим 0,45 нецелесообразно, так как дальнейшее увеличение доли межслоевой изоляции незначительно уменьшает жесткость обмотки.
График зависимости kобм = f(rк) на рис. 8.2 учитывает деформации, возникающие из-за разности ТКЛР меди и компаунда. Если площадь поперечного сечения катушки неравномерная, то для получения запаса прочности принимают наименьшее значение SК.
Выбор межслоевой и главной изоляции по графикам на рис. 8.1 и 8.2 производят последовательным приближением до получения данных, удовлетворяющих требованиям тех и других зависимостей.
Если выбранная толщина изоляции не соответствует диаграмме на рис. 8.2, следует или увеличивать толщину слоя изоляции, или уменьшать жесткость обмоток, или принимать другие меры, позволяющие снизить значения максимальных термоупругих напряжений или выбрать изоляционный материал с большей механической прочностью и меньшим коэффициентом линейного теплового расширения.
Одной из наиболее эффективных мер повышения механической прочности изоляции является армирование слоя компаунда.
Армирование слоя изоляции, прилегающего к обмотке с проводами большого сечения, удобно производить батистовой или стеклолентой, уложенной по образующей этой обмотки.
Наружные слои изоляции армируют металлическими сетками или проводящей и полупровoдящей стеклотканью, а также миткалевой лентой. Тогда будет срабатывать также эффект буфера.
Уменьшение напряжения в компаунде достигается посредством армирования. Напряжение определяется из выражения
(8.10)
где σв — термоупругие напряжения в изоляции; Е'м, Sм и Е'к,

 
SK — модуль упругости и площадь поперечного сечения армирующего материала и компаунда; S — площадь поперечного сечения изоляции.
Из выражения (8.10) следует, что напряжение в компаунде будет снижаться с ростом коэффициента упругости армирующего материала и с увеличением его площади поперечного сечения.
Таким образом, эффект армирования сказывается в снижении доли нагрузки, которая приходится на компаунд.
Важным для расчетов является также увеличение временного сопротивления на растяжение армированного слоя.
После конструкторской проработки изделия приступают к окончательному расчету механической прочности.
Механическая прочность литой изоляции катушки обеспечивается, если эквивалентные напряжения в опасных точках σэкв не превосходят временного сопротивления на растяжение σв или адгезионной прочности с учетом суммарного коэффициента запаса в соответствии с уравнением (8.3).
Временное сопротивление σ.в.доп принимают с учетом его значения в условиях, при которых производится расчет: заданных температуры и срока службы, условий нагружения и т. д. (см. гл. 4).
Для длительной эксплуатации, когда изоляция находится непрерывно в состоянии нагружения, сопротивление σ.в.доп будет составлять 60% кратковременного значения — при сроке службы до 10 тыс. ч и 50%—при работе в течение более 10 тыс. ч.
В условиях транспортировки, учитывая, что она может производиться при отрицательных температурах, когда нагружение возрастает, σ.в.доп=0,85σΒ.

Снижение адгезионной прочности имеет ориентировочно такой же характер. Временное сопротивление на растяжение, которое имеет компаунд при кратковременных термоударах после изготовления, определяют, пользуясь зависимостью на рис. 4.4 с учетом времени, прошедшего после изготовления. Как было показано выше (см. гл. 4), изоляция при нормальной температуре окружающей среды находится в состоянии нагружения и процессы старения в ней протекают систематически. Суммарный коэффициент запаса прочности определяется из выражения
(8.11)
где n1 — степень ответственности изделия (от 1,0 до 1,3); n2 — точность расчета (от 1,0 до 1,1); n3 — разброс характеристик компаунда (от 1,1 до 1,25); n4 — влияние среды на старение (от 1,1 до 1,3).
Выбор этих коэффициентов производится с учетом дополнительных факторов.

Для расчетов, погрешность которых имеет место только в сторону увеличения запаса прочности, коэффициент запаса  может не учитываться, так же как и коэффициент п3 — разброс характеристик компаунда, если эти характеристики принять по наихудшим значениям. Коэффициент степени ответственности выбирается с учетом качества изготовления и тщательности контрольных испытаний.
Влияние среды на старение может иметь весьма емкое содержание. В данном случае n4 учитывает только те факторы, которые могут повлиять с течением времени на механическую прочность и на образование термоупругих напряжений (см. гл. 3). Приведенные в главе данные свидетельствуют о необходимости творческого подхода к расчету электрической и механической прочности изоляции и важности экспериментального начала в процессе отработки конструкции, так как невозможно предусмотреть все технологические нюансы, которые могут отрицательно повлиять на изоляцию.