CC BY
34
УДК 621.331.3
Е. Д. КИМ (УИПА)
Украинская инженерно-педагогическая академия, отделение электротехнологического факультета, 84100, г. Славянск, Донецкая обл., ул. Добровольского, 1, тел.: (06262) 3-33-34
ОПТИМИЗАЦИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ высоковольтного ПОЛИМЕРНОГО ПРОХОДНОГО ИЗОЛЯТОРА
Введение
Целесообразность создания проходных высоковольтных изоляторов с полимерной изоляцией обусловлена, прежде всего, простою их монтажа и обслуживания, а также сравнительно низкой себестоимостью, поскольку отсутствует дорогостоящий и при этом хрупкий фарфоровый элемент. Как известно, смолы полиэфирные и эпоксидные, используемые при изготовлении стеклопластиковых труб и стержней, имеют такую же прочность на разрыв, что и фарфор. В тоже время удельная энергия на развитие трещины, на два порядка больше, чем у фарфора [1]. Вследствие этого можно прогнозировать, что при замене в проходном изоляторе хрупкой фарфоровой рубашки аналогичным элементом из пластичных материалов, из стек-лопластиковой трубы с внешней резиновой оболочкой, механическое разрушение, обусловленное различными внешними факторами, в том числе динамическим нагревом то ко провода, практически можно исключить. Вместе с тем опыт разработки и эксплуатации полимерных проходных изоляторов показывает необходимость поиска конструктивных и технологических возможностей повышения внутренней электрической прочности.
Рассмотрим полимерные проходные изоляторы с цилиндрическим то ко провод ом. Изоляционное тело, охватывающее концентрически токопровод, выполняется из двух составляющих: из механически прочной опорной цилиндрической втулки, представляющей собой стеклопластиковую трубу, и из эластичной изоляции, из кремнийорганической резины. Резиной целиком заполняется пространство между то ко поводом и опорной втулкой. Ею покрывают внешнюю поверхность втулки, и заполняется монолитно с защитным покрытием промежуток втулка - фланец. Принимаемая мера по герметизации для полимерных изоляторов обусловлена необходимостью защиты стеклопла-стиковой втулки от конденсации атмосферной влаги на ее поверхности и минимизации очагов электрического повреждения изоляции. Таким образом, проходной изолятор можно предста-
вить, как изоляцию цилиндрического конденсаторного типа (рис. 1).
Г 1 \ \ а 1 ч а ь
1 \ К -1-► ¡ \ \ 1 >1 1
1 к
1 \ -►
1 и---3 р
Рис. 1. Макет полимерного проходного изолятора
Известно, что на распределение электрического поля в многослойном изоляционном промежутке, в данном случае, токопровод - заземляемый фланец, существенное влияние оказывают диэлектрические характеристики составных элементов изоляции и соотношение их толщин. Кроме того, максимальные значения напряженности электрического поля, что имеет место у поверхности электродов: у то ко провода и фланца, также зависят от взаимного расположения и их конфигурации.
Ранее было показано, что для оценки максимальной напряженности поля в серединной области изолятора, на поверхности токопровода напротив фланца, достаточно воспользоваться уравнением поля цилиндрического конденсатора [2]:
С учетом = £3 ©КимЕ. Д., 2013
електоопостачання / оо\л/ег Биос!
По данным измерений диэлектрическая проницаемость резин 8| заметно меньше чем
£2 стеклопластиковой изоляции, поэтому вторая слагаемая в знаменателе (2) всегда имеет отрицательное значение. По этой причине, чем меньше это значение, тем меньше окажется максимальная напряженность поля у поверхности то ко прово да, т.е., можно записать следующее условие минимума
Из соотношения (3) вытекает, что для снижения поля у токопровода необходимо применять изоляционные материалы с близкими диэлектрическими проницаемостями или как можно уменьшить толщину опорной трубы:
(
1-
82
Л
1пг2
Ч
82 Ч
(1)
ДГ
где дв = 82 -в^; дг = Г2 -Для инженерной практики удобнее пользоваться условием, учитывающим общее изоляционное расстояние между электродами АЯ
при соблюдении которого можно ожидать, что напряженность поля в резине на поверхности токопровода незначительно будет отличаться от возможной минимальной величины. Оно было получено на основе плоскопараллельной модели электрического поля изолятора [2]. Правомерность критерия (5) оптимального выбора соотношений между диэлектрическими характеристиками и геометрическими параметрами была подтверждена проведением численных расчетов с помощью математических моделей электростатического поля с комплексной проводимостью исследуемой области для реальных проходных изоляторов на классы напряжения 10-35 кВ.
На рис. 2 приведен пример распределения радиальной напряженности поля в изоляции в поперечном направлении (см. рис. 1), начиная от токопровода т. а и заканчивая торца фланца изолятора с полусферическим профилем т. Ь. При расчете были приняты следующие параметры высоковольтного проходного изолятора с номинальным напряжением 35 кВ.
Таблица 1
ч
Напряжение Материал Примечание
Резина Стеклопластик Воздух
и = 25 кВ 81 =2,5; С1 =1х10"13 82=3...8; с2 =1х10"12 8в =1; св =1х10"16 с - удельная проводимость, См/м
Е, кВ/см
ш ■ Д ^^^Г 1 \ 1 \
1 : \\
| Край \1 1 ! фланца 1 I !
1 | ■ч
О 10 20 30 мм
Рис. 2. Распределение напряженности поля в промежутке т. а - т. Ъ (см. рис. 1)
©КимЕ. Д., 2013
График распределения поля наглядно иллюстрирует последствие значительной разницы величин диэлектрической проницаемости резины и стеклопластика, отмечаемое вытеснением поля из объема опорной трубки в сторону резиновых оболочек. Из рис. 2 (кривая 1) также видно, что максимальная напряженность поля у торца фланца намного превосходит поле у токо-провода, что обусловлено краевым эффектом.
Как известно, краевой эффект удается существенно смягчить увеличивая радиус кривизны, в данном случае, торцевой части электрода. Количественная оценка сравниваемых полей представлена на рис. 3 в виде распределений 1,8
напряженностей вдоль наиболее электрически нагруженных поверхностей краев электрода [2]. Величины поля на этом рисунке приведены в относительных единицах, относительно наибольшей напряженности на поверхности края фланца с измененным профилем (зависимость 2). Это сделано для того чтобы наглядно представить уровень возможного выравнивания поля. Как можно заключить по рис. 3, посредством оптимизации формы краев фланца по образцу электрода Роговского [3] удается уменьшить напряженности поля ниже наибольшей напряженности поля на поверхности токопровода:
Расстояние вдоль края фланца, мм
Рис. 3. Распределение напряженности поля вдоль поверхности краев фланца
В качестве другого способа выравнивания напряженности поля в области торца фланца может быть предложено применение экранирующих обкладок, как таковое предусмотрено в высоковольтных вводах с бумажно - масляной изоляцией [4]. Технология изготовления проходных полимерных изоляторов не позволяет изолирующее тело вести более двух обкладок в виде тонких проводящих покрытий на внутренней и внешней поверхностях опорного элемента. Расчеты показывают, что для снижения напряженности поля у торца фланца до уровня напряженности на поверхности токопровода (6) можно ограничиться только одной экранирующей обкладкой на внешней стороне стеклопластикового диэлектрика. Как отмечалось выше (см. рис. 2) стеклопластик нагружен электрически значительно слабее, чем резиновая изоляция и этим обстоятельством объясняется неэффективность второй выравнивающей обкладки. Более того технически непросто
нанести на внутренней поверхности опорной втулки покрытие с заданной длиной.
Качественно эффект выравнивания поля проводящим подслоем (экранирующей обкладкой) можно оценить соотношением разностей потенциалов промежутков токопровод - обкладка, Дфо 2 и обкладка - фланец, Дф2 з , иными словами, соотношением емкостей этих промежутков Сд 2 и С 2 3 :
ЛФ2,3 С0,2
Л(Р0,2 С2,3
-> min
(3)
При заданных диэлектрических характеристиках емкость цилиндрического конденсатора зависит от толщины изоляционной прослойки и от длины электродов: чем тоньше изоляция и чем длиннее электроды, тем больше емкость. Очевидно, величина емкости промежутка токопровод - обкладка Сд 2 возрастает непрерывно с увеличением длины проводящей обкладки, в
©КимЕ. Д., 2013
тоже время наибольшая емкость С2 3 промежутка обкладка - фланец практически ограничивается осевой длиной фланца. Поэтому, для того чтобы следовать условию (7), требуется наносить проводящий слой на опорную трубу на длину примерно равную длине фланца. Следует предостеречь, что введение проводящего элемента может привести к образованию очагов повышенной электрической напряженности в теле изоляции, поэтому во избежание такого явления целесообразно наносить демпфирующие кольцевые покрытия на краях экрана из
слабо проводящей резины с »
-21
На рис. 4 представлены зависимости максимальной напряженности поля на поверхности торца фланца (кривая 1) и напряженности у края проводящей обкладки (кривая 2) от параметра, определяющего протяженность этой обкладки относительно фланца. А на рис.2 пунктирными линиями (кривая 2) иллюстрирован результат выравнивания поля в наиболее напряженном участке внутренней изоляции введением проводящей обкладки до уровня, соответствующего с условием (6).
¡1-10 ^ См/м
S 10
Длина параметра 41 (см. рис.1), мм
15
Рис. 4. Зависимости максимальных напряженностей поля на краях фланца и обкладки
от взаимного их расположения
Как показывают расчеты, место расположения опорной трубы слабо сказывается на величину максимальной напряженности электрического поля у поверхности торцов фланца. В тоже время, как вытекает из условия (4), чем больше радиус опорной втулки г у при выбранной толщине ее стенки Дг тем ниже напряженность у токопровода. Основной функцией опорного элемента является придание необходимой механической устойчивости изолятора к изгибающему возмущению. Поэтому и с этой точки зрения при заданной толщине стенки диаметр трубы должен быть с учетом технологической возможности как можно большой, что увеличивает момент сопротивления этого элемента.
В настоящее время большинство производителей высоковольтных полимерных изоляторов применяют так называемую твердую резину, НТУ. Из-за высокой вязкости исходного материала резина инжектируется в пресс-форму при высоком давлении, порядка 150-250 бар и по-
©КимЕ. Д., 2013
лимеризация изоляторов осуществляется на 400-500 тонных машинах. С применением двухкомпонентных эластомеров LSR - жидких силиконовых резин упрощается реализация конструкторских решений, направленных на повышение надежности изоляторов, в том числе, внутренней электрической прочности. Низкая вязкость сырья из жидких резин позволяет при относительно невысоком избыточном давлении (не более 50 бар) добиться полной герметизации узких зазоров между опорным элементом и фланцем, исключить наличие воздушных щелей в изоляции, на поверхностях составных элементов изолятора. Кроме того, как показывает опыт, с применением жидкой резины просто решается задача однооперационной заливки резинных оболочек, что исключается вероятность попадания загрязнений в технологических стыках при многоразовой заливке.
Выводы
При разработке высоковольтных проходных полимерных изоляторов с целью повышения внутренней электрической прочности рекомендуется:
- предпочтительно выбирать материалы изоляции с близкими диэлектрическими про-ницаемостями, а соотношения толщин составляющих изоляцию элементов определять в обратной зависимости от их диэлектрических проницаемостей согласно условиям (4), (5). При этом зазор между опорным элементом и внутренней поверхностью фланца должна быть минимальная;
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ источников
1. Гордон, Дж. Конструкции, или почему не ломаются вещи [Текст] / Дж. Гордон. - М.: Издательство "Мир", 1980. - 327 с.
2. Ким Е.Д., Назаренко A.B., Карюк Д.Г. Исследование электрического поля высоковольтного проходного изолятора с полимерной изоляцией [Текст] / Е.Д. Ким, A.B. Назаренко, Д.Г. Карюк // Вестник ХГПУ «ХПИ»,- 2013,- Выпуск 17,- с. 93-99.
3. Техника высоких напряжений. [Текст] под ред. М.В. Костенко. - М.: «Высшая школа». - 1973. - 528 с.
4. Патент RU(11)2423765(13)C1(51). Способ подбора профиля поверхности электродов для высоковольтных разрядников. Юрьев A.J1., Николаев Д. П., Эльяш С.Л. - 2006.
Поступила в печать 16.10.2013.
Внутренний рецензент Гетъман Г. К.
- увеличивать радиус кривизны торцевой части фланца или предусмотреть экранирующую обкладку нанесением проводящего покрытия на наружной поверхности опорного изоляционного элемента на противоположном от фланца участке с осевою длиною, близкой длине фланца; по краям обкладки нанести сла-бопроводящее покрытие;
- минимизировать технологические факторы, которые могут внести инородные включения в изоляции, особенно, в промежутке фланец - токопровод. В этой связи предпочтительнее использовать в качестве герметизирующей элемента и защитной оболочки материалы с низкой вязкостью.
REFERENCES
1. Gordon. Dzh. Konstruktsii, ili pochemu ne lomayutsya veshchi [Design, or why do not break things], Moscow, MirPubl., 1980. 327 p.
2. Kim E.D., Nazarenko A.V., Karyuk D.G. Issledo-vanie elektricheskogo polya vysokovol'tnogo prokhod-nogo izolyatora s polimernoy izolyatsiey [Research of the electric field of high voltage bushing polymer insulated]. Vestnik Khar'kovskogo gosudarstvennogo politekhnich-eskogo universiteta [Bulletin of Kharkov State Polytechnic University], 2013, no 17, pp. 93-99.
3. Kostenko M.V. Tekhnika vysokikh napryazheniy [Technics of high pressure]. Moscow, Vysshaya shkola Publ. 1973. 528 p.
4. Yur'ev A.L., Nikolaev D.P., El'yash C.L. Sposob podbora profilya poverkhnosti elektrodov dlya vysokovol'tnykh razryadnikov [The method of selection of the surface profile of electrodes for high-voltage arresters.]. Patent no RU(11)2423765(13)C1(51).
Внешний рецензент Андриенко П. Д.
Разработка высоковольтных проходных изоляторов с применением полимерных диэлектрических материалов обусловлена низкой удельной энергоемкостью при их изготовлении и устойчивостью к механическим воздействиям в сравнении с фарфоровыми изоляторами. Вместе с тем существует проблемы раннего отказа полимерных изоляторов по причине пробоя изоляции, что требует поиска конструктивных и технологических путей повышения внутренней электрической прочности.
Приведены результаты аналитического исследования электрического поля высоковольтного проходного изолятора с полимерной изоляцией на основе многослойной модели цилиндрического и плоскопараллельного конденсаторов, а также численных решений уравнения Лапласа для комплексной проводимости рассматриваемых областей. Обоснованы оптимальные соотношения между геометрическими параметрами и диэлектрическими характеристиками материалов составных элементов изолятора по критерии минимума наибольшей напряженности поля у поверхности токопровода. Показано возможность существенного демпфирования краевого эффекта поля на стороне торцов фланца выполнением профиля торцов с большим радиусом кривизны по аналогии электрода Роговского. Предложены практические рекомендации по выравниванию распределения напряженности поля у фланца введением экранирующей обкладки путем нанесения проводящего покрытия на наружной поверхности опорной втулки изолятора, дано обоснование наилучшего места расположения покрытия и его протяженности относительно фланца.
Ключевые слова: изолятор, полимер, электрическое поле, отказ, технология, покрытие.
©КимЕ. Д., 2013 ISSN2307-4221 Електрифтащя транспорту, № 6. -2013.
т
УДК 621.331.3
Е. Д. KIM (У1ПА)
Украшська ¡нженерно-педагопчна академт, вщдшення електротехнолопчного факультету, 84100, м. Слов'янськ, Донецька обл., вул. Добровольського, 1, тел.: (06262) 3-33-34
ОПТИМ13АЦ1Я ЕЛЕКТРИЧНОГО ПОЛЯ високовольтного ПОЛИМЕРНОГО ПРОХ1ДНОГО 130ЛЯТ0РА
Розробка високовольтних прохщних ¡золяторт ¡з застосуванням пол1мерних дюлектричних матер1ал1в обумовлена низькою питомою енергоемшстю при Тх виготовленш \ спйюстю до мехашчних впливт в порЬ внянш з фарфоровими ¡золяторами. Разом з тим ¡снують проблеми ранньоТ вщмови пол1мерних ¡золяторт з причини пробою ¡золяци, що вимагае пошуку конструктивних \ технолопчних шляхт пщвищення внутрш-ньоТ електричноТ мщносп.
Наведено результати анал1тичного дослщження електричного поля високовольтного прохщного ¡золя-тора з пол1мерною ¡золящею на основ1 багатошаровоТ модел1 цилшдричного \ плоскопараллельного конденсатор^, а також численних ршень ртняння Лапласа для комплексно! провщносп розглянутих областей. Обг'рунтовано оптимальш стввщношення м1ж геометричними параметрами \ дюлектричними характеристиками матер1ал1в складових елементш ¡золятора по критери м1н1муму найб1льшо1' напруженосп поля у поверхн1 струмопроводу . Показано можливють ¡статного демпф1рування крайового ефекту поля на сторон! торцт фланця виконанням профтю торц1в з великим рад1усом кривизни по аналоги електрода Роговсько-го. Запропоновано практичш рекомендацИ' щодо вир1внювання розпод1лу напруженосп поля у фланця введениям екрануючоТ обкладки шляхом нанесення провщного покриття на зовн1шн1й поверхн1 опорноТ втулки ¡золятора, дано обг'рунтування найкращого мюця розташування покриття та його протяжносп в1д-носно фланця.
Ключов1 слова: ¡золятор, пол1мер, електричне поле, вщмова, технолог1я, покриття.
Внутршнш рецензент Гетъман Г. К. Зовншшш рецензент Андргенко П. Д.
Ukrainian Educational-Scientific Professional Pedagogics Institute, Electrotechnological faculty office, 84100, Slovyansk, Donetsk region, 1 Dobrovolskogo Street, tel.: (06262) 3-33-34
Development of high voltage bushings using polymeric dielectric materials due to low specific energy in their production and resistance to mechanical stress compared with porcelain insulators. However, there is the problem of early failure of polymeric insulators due to insulation breakdown, which requires the search for constructive and technological ways to improve the internal electrical resistance.
The results of an analytical study of the high-voltage electric field of the output insulator polymer insulated multilayer models of cylindrical and plane-parallel capacitors, as well as numerical solutions of the Laplace equation for the conduction of a comprehensive consideration of areas. The optimal ratio between the geometric parameters and dielectric properties of composite materials insulator elements for minimum criteria for the highest field strength at the surface of the conductor. Shown the possibility of significant damping of the edge effect of the field on the side of the torus samples flange execution profile ends with a large radius of curvature along the lines of the Rogowski electrode. Practical recommendations for equalizing the distribution of the field intensity at the flange introduction shielding electrode by applying a conductive coating on the outer surface of the bearing sleeve insulator, provide a rationale for the best places locations of the coating and its length relative to the flange.
Keywords: insulator, polymer, electric field, failure, technology, cover.
UDC 621.331.3
E. D. KIM (UESPPI)
OPTIMIZATION OF HIGH-VOLTAGE ELECTRIC FIELD OF POLYMER BUSHING INSULATOR
Internal reviewer Getman G. K.
External reviewer Andrienko P. D.
©КимЕ. Д., 2013
