CC BY
22
УДК 621.319
doi: 10.20998/2074-272X.2018.6.09
А.В. Беспрозванных, А.Н. Бойко, А.В. Рогинский
ВЛИЯНИЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОГО БАРЬЕРА НА РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ В ВЫСОКОВОЛЬТНОЙ КОМПОЗИТНОЙ ИЗОЛЯЦИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН
Представлен результаты розподту електричного поля в високовольтнш композитшй ноляци на ocHoei запропонова-ноТматематичноТмодел накопичення поверхневого заряду на межiроздлу тдложка - бар'ер. В сталому режимi на-пруженсть електричного поля в дiелектричнoму бар'ерi може перевищувати середне значення на 50 % в залежностг вид електрофЬичних характеристик та товщини компонент1в. Показано, що в област початку перехгдного процесу на характер розподту електричного поля впливають вiднocна дiелектрична прониктсть та товщина дiелектричнoгo бар'еру. Експериментальна перевiрка виконана для п'яти типoрoзмiрiв cклocлюдiнiтoвoТ cmрiчки по 5-ть макет1в в кожнш. Встановлено, що композитна iзoляцiя з тдвищеним вмктом cлюдинimoвoгo бар 'еру i склотканиною меншоТ товщини мае на (8-16) % вищi значення тривалоТ електричноТ мщность Бiбл. 9, рис. 5.
Ключовi слова: високовольтна композитна iзоляцiя, дiелектричний бар'ер, скловолокниста пвдложка, мшфазна поля-ризащя, розподш електричного поля, тривала електрична мщшсть.
Представлены результаты распределения электрического поля в высоковольтной композитной изоляции на основе предложенной математической модели накопления поверхностного заряда на границе раздела подложка - барьер. В установившемся режиме напряженность электрического поля в диэлектрическом барьере может превышать среднее значение на 50 % в зависимости от электрофизических характеристик и толщины компонентов. Показано, что в области малых времен переходного процесса на характер распределения электрического поля влияют как относительная диэлектрическая проницаемость, так и толщина диэлектрического барьера. Экспериментальная проверка выполнена для пяти типоразмеров стеклослюдобумажной ленты по 5-ть макетов в каждой. Установлено, что композитная изоляция с повышенным содержанием слюдинитового барьера и стеклотканью меньшей толщины имеет на (8-16) % более высокие значения длительной электрической прочности. Библ. 9, рис. 5.
Ключевые слова: высоковольтная композитная изоляция, диэлектрический барьер, стекловолокнистая подложка, межфазная поляризация, распределение электрического поля, длительная электрическая прочность.
Введение. Современные высоковольтные системы композитной изоляции электрических машин состоят из ленточных стеклослюдобумажных материалов (сухих или предварительно пропитанных) [1, 2]. Основной функцией такой изоляции является сохранение длительной электрической прочности в условиях продолжительно действующих тепловых, механических и термомеханических воздействий. Высоковольтная изоляция должна также обладать необходимым уровнем технологичности и достаточно низкой стоимостью при сохранении высоких технико-эксплуатационных характеристик.
Применение в качестве диэлектрического барьера слюдобумаги является экономически выгодным, так как она изготавливается из отходов дефицитной и достаточно дорогой щепаной слюды [1]. По сравнению с материалами на основе щепаной слюды слюдинитовые и слюдопластовые бумаги обладают большей равномерностью по толщине, повышенной и более равномерной электрической прочностью. Сочетание хорошей эластичности и механической прочности позволяют обеспечить получение плотной, монолитной термореактивной изоляции [2]. Плоские слюдяные частицы образуют диэлектрический барьер и, в зависимости от условий, связываются различными пропитывающими составами и подложками. Связующее может быть введено в состав ленты либо заранее, тогда лента называется предварительно пропитанной (Resin Rich), либо вводится в сухие ленты после их обработки в процессе вакуум-нагнетательной пропитки [1].
В качестве связующего используются эпоксидные смолы (диановые, циклоалифатические и эпокси-новолачные), которые имеют высокие механические свойства, хорошую адгезию к различным материалам, достаточную нагревостойкость (класс В и F) и коро-
ностойкость, обладают незначительным коэффициентом усадки (3-5) % [2].
Механическую прочность обеспечивает стекло-тканевая подложка, которая является армирующим материалом в такой системе. Также в ней находится большая часть связующего состава в случае пропитанной ленты. Композиционная изоляция, выполненная с применением стекловолокнистых материалов, имеет повышенный предел прочности при растяжении и изгибе. Стекловолокнистые материалы отличаются высокой термической устойчивостью [1, 2].
Электрические характеристики многослойной композитной изоляционной системы определяются как долевым содержанием отдельных компонентов, так и их электрофизическими свойствами.
Постановка проблемы. Реальная межфазная граница раздела подложка - диэлектрический барьер имеет поверхностный слой конечной толщины, в пределах которого термодинамические параметры (концентрация компонентов, давление и температура) испытывают резкие изменении. Поверхностные слои каждой фазы толщиной около 0,5 нм имеют особые свойства, так как находятся в поле действия молекулярных сил соседней фазы (так называемый эффект Ребиндера) [3].
Стремление гетерогенной системы к уменьшению поверхностной энергии вызывает соответствующую ориентацию полярных молекул, ионов и электронов в граничном слое, в результате чего соприкасающиеся фазы приобретают заряды противоположного знака, но равные по значению. На границе раздела подложка - диэлектрический барьер, как на межфазных поверхностях, возникает двойной электрический слой в результате взаимодействия соприкасающихся © А.В. Беспрозванных, А.Н. Бойко, А.В. Рогинский
фаз из-за избыточной поверхностной энергии [4] с соответствующим электрическим потенциалом, поверхностной плотностью заряда, емкостью [5-7].
Целью статьи является анализ влияния электрофизических характеристик и толщины (долевого содержания) диэлектрического барьера на распределение электрического поля в композитной высоковольтной изоляции электрических машин.
Математическая модель накопления поверхностного заряда на плоской границе раздела двух диэлектриков. Высоковольтная термореактивная композитная изоляция электрических машина может быть представлена в виде двух слоев диэлектрика: стекловолокнистой подложки (1) с пропиточным составом (3) и слюдобумажной ленты (2) в качестве диэлектрического барьера (рис. 1). Анизотропия свойств слюды в данном случае слабо выражена.
°2п - = а, Ей = Е'
Лп
1
Рис. 1. Схематичное представление трехкомпонентной изоляции двухслойной лентой
Наиболее распространенный подход при моделировании накопления поверхностного заряда на границе раздела двух диэлектрических сред основан на теории Максвелла - Вагнера для межфазной поляризации [8].
Гипотетическая конфигурация границы раздела двух плоских изотропных диэлектриков с электродами представляется конденсатором Максвелла (рис. 2). В такой системе свойства изоляции изменяются в зависимости от ступенчатой функции на границе раздела сред [8].
(1)
где Б2п, Б1п - нормальные составляющие вектора электрического смещения: £>2п = ¿o¿2Е2п,
Б1п = ¿¿Е1п , е0 = 8,85-10-12 Ф/м - электрическая постоянная; е1, е2 - диэлектрические проницаемости диэлектриков, а - поверхностная плотность электрических зарядов; Е1п, Е2п - нормальные, Еи, Е2г - тангенциальные составляющие вектора напряженности электрического поля первого и второго диэлектриков соответственно.
В момент включения конденсатора к источнику напряжения и поверхностная плотность а электрических зарядов равна нулю, в результате в соответствии с (1) напряженность электрического поля в слоях пропорциональна диэлектрической проницаемости [8] Е1п ¿1 = Е2пе2 . (2)
В следующий момент времени на распределение электрического поля в слоях начинает влиять ток проводимости с соответствующей плотностью 3
31 = У1ЕЬ 32 =Y2E2, (3)
где у1 и у2 - удельные проводимости каждого из диэлектриков, См/м.
Так как плотности токов не равны (электрофизические свойства диэлектриков разные), то на границе раздела диэлектриков накапливается пространственный заряд. Переходный процесс заканчивается при уравновешивании токов 31 и 32, а также стабилизации поверхностного заряда на границе раздела диэлектриков. Для установившегося режима напряженность электрического поля в слоях пропорциональна удельной проводимости
ПЕ1 = 72Е2 . (4)
С начального момента и достижения установившегося состояния общий ток в первом и втором диэлектриках одинаков и имеет две составляющие: активную, которая обусловлена током проводимости (током утечки), и реактивную, обусловленная током смещения (током абсорбции). Таким образом, плотность общего тока определятся
СЕ1 ^ с1Е2
3 = 71Е1 +¿0 ¿1-71 = 72Е2 + ¿0 ¿2 м с с
(5)
¿2 - и
Рис. 2. Представление накопления поверхностных зарядов на границе раздела двух изотропных диэлектриков при включении под постоянное напряжение и
На поверхности раздела диэлектриков диэлектрическая проницаемость е (или вектор поляризации) изменяется скачкообразно [8, 9]. Скачок нормальной составляющей вектора электрического смещения Б равен поверхностной плотности а электрических зарядов. Тангенциальная составляющая вектора напряженности электрического поля непрерывна на любой поверхности раздела сред.
Сумма падения напряжения на каждом из слоев равна приложенному напряжению на постоянном токе
Е к1 + Е2^2 = и , (6)
где к\, к2 - толщина диэлектриков.
При объединении (5) и (6) дифференциальное уравнение относительно Е1 имеет вид
йЕл
—1 ¿0 (¿1 ¿2 + ¿2 ¿1) + Е1 (7к + 72 ¿1) = 72и , (7)
м
решение которого ищется в виде
71к2 +72 к1
Е1(/) = Ае ;+ и
72
-П , (8)
(71к2 +72 к1)
где А - постоянная интегрирования, которая с учетом начальных условий в момент времени t = 0 и (2), (6) определяется как
(
А = и
¿2
72
¿1к2 — ¿2к 1 71к2 +72 к1
(9)
После подстановки (9) в (8) напряженность электрического поля в первом слое двухслойного диэлектрика со временем изменяется в соответствии с (10)
72_+ и_ к1 • >1 -£1Ы — /г
Е1г = и-
71к2 + 72к1 >2 + >2к1 К 71к2 + 72к1) во втором - в соответствии с (11)
Е2г = и
71
-+и-
^2 • >2 ->>Уl)
-г/т
7^2 + 72^1 (>^2 +«2^1 ) •( 71^2 + 72^0
(10)
(11)
где т - постоянная времени, с
т = >0-
(12)
3 (г) = и-
>2 +>2Л1 ) 72 + 72^)
(13)
X ехр(-г /т) + и -
7172
= 3аЪъ + 3
еопй-
Ст(0 = >о >72 ->27 •и(1-е-г/т).
(14)
К1/ т2
0.8
X 10'3 аЬв (<" )
71к2 +72 к1
Плотность общего тока, которая состоит из тока абсорбции и утечки, обусловленного наличием свободных зарядов, определяется по формуле (13) к1к2(>72 ->271) х
71к2 + 72к1
Изменение во времени плотности поверхностных зарядов о{г) на границе раздела двух диэлектриков может быть записано в виде
71 к2 +72 к1
Влияние электрофизических характеристик и толщины диэлектрического барьера на распределение электрического поля в высоковольтной композитной изоляции. На рис. 3 представлены результаты моделирования для двух случаев: кривые 1 -идентичности электрофизических характеристик барьера и подложки: > = > = 4,5; 71 =у2= 2• 10-13 См/м; кривые 2, 2' - разных: > = 4,5; е2 = 3,8; 7 = 2-1043 См/м, 72 = 24042 См/м. Индексы 1 относятся к барьеру, 2 - к подложке. Толщина диэлектрического барьера равна к1 = 0,1 мм, стекловолокнистой подложки -к2 = 0,05 мм. Кривая 2 соответствует распределению электрического поля в барьере, кривая 2' - в подложке (рис. 3,6). Расчеты выполнены для средней напряженности электрического поля Ет^ = 15 кВ/мм в композитной изоляции.
При идентичности электрофизических характеристик поверхностные заряды не накапливаются на границе раздела диэлектрических сред (кривая 1 рис. 3,а) и напряженность электрического поля равна среднему значению: Е = Ет^ = 15 кВ/мм (кривая 1 рис. 3,6). Переходный процесс - отсутствует.
В случае разных характеристик наблюдается переходный процесс длительностью порядка 10 с. В установившемся режиме поверхностная плотность зарядов составляет 0,85 мКл/м2 (кривая 2 на рис. 3,а), напряженность электрического поля в диэлектрическом барьере превышает среднее значение на 50 % (кривая 2 на рис. 3,6), в подложке - ничтожно мала (кривая 2' на рис. 3,6).
На рис. 4 показана динамика изменения во времени распределения электрического поля при варьировании удельной проводимости, относительной диэлектрической проницаемости и толщины диэлектрического барьера.
6
Рис. 3. Распределение плотности поверхностных зарядов (а) и напряженности электрического поля (6) на границе раздела подложка - диэлектрический барьер
На рис. 4,а,6 кривые 1 и 2 соответствуют: >1=4,5, >=3,8, 7! = 2-10-13 См/м, 72 = 2-10-12 См/м; кривые 1' и 2' - > = 4,5, >=3,8, 7 = 2-10-13 См/м, 72 = 2-10-11 См/м соответственно. Толщина диэлектрического барьера принята равной к1 = 0,1 мм, подложки - к2 = 0,05 мм. Долевое содержание слюды в данном случае составляет 67 % от общего объема композитной изоляции.
Влияние на распределение электрического поля относительной диэлектрической проницаемости и толщины барьера показано на рис. 4,е. Кривые 1 и 2 соответствуют характеристикам: >1=4,5, >=3,8, 71 = = 2-10-13 См/м, 72 = 2-10-12 См/м, к1 = 0,1 мм, к2 = 0,05 мм. Кривые 1' и 2': >1=3,8, >=4,5, 71 = 240-13 См/м,7 = = 210-12 См/м; к! = 0,1 мм, к2 = 0,05 мм. Кривые 1'' и 2'': >=4,5, >=3,8, 7 = 2-10-13 См/м, 7 = 2-10-12 См/м, к1 = 0,05 мм, к2 = 0,1 мм.
В области малых времен переходного процесса (10 мс - 1 с) на характер распределения электрического поля существенное влияние оказывает соотношение между диэлектрическими проницаемостями барьера и подложки при их неизменной толщине. В случае, когда > < >, напряженность электрического поля в барьере превышает среднее значение в 1,05, в то время как в подложке - в 1,1 раза соответственно (сравни кривые 1' и 2 рис. 4,е). Данный факт особенно важен при работе под переменным напряжением: диэлектрический барьер обеспечивает длительную электрическую прочность композитной изоляции.
Уменьшение толщины диэлектрического барьера (долевого содержания) при условии, что > > >, приводит к повышению напряженности электрического поля, хотя и «разгружает» в электрическом отношении подложку (сравни кривые 1'' и 1' рис. 4,е).
0
10 10 10 t: c 10 а - иолулогарифмический масштаб
10
10
E/Emid
б - двойной логарифмический масштаб
0.6 10'
\ \ ¡¡¡Nil ¡ ¡ ¡¡¡Mil i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 lililí
i i i i ---т 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 II. 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 ~ Г "1 П T ПТ1 1 ГТТГП 1 1 1 1 1 \Л 1 1 1 't I 1 . 1 1 1 1 ^¿¡^^ 1 1 1 1 _ I _ г 1П тг 1 1 1 ' ,i
---i- - -1- -1 -1 -I" М +1---1--1— -1— —1— MiH^^ Ч 1 111 ill ^1-1 +1" i iS^i 111
1 ---+. 1 1 1 - 4- -1 -1 4 И-И---1--I-4- + J-MM--- 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2' i . 1 i i i 1 1 1 n^ki i ill ii^
t, c 10
на распределение электрического поля в композитной изоляции (см. рис. 4,а-в) [длительная электрическая прочность на переменном токе частоты 50 Гц меньше в сравнении с постоянным за счет больших потерь, обусловленных процессом поляризации].
На рис. 5 приведены результаты испытаний длительной электрической прочности макетов в зависимости от толщины композитной изоляции. Интегральные функции распределения длительной электрической прочности приведены на рис. 5,а, средние значения - на рис. 5,б.
Normal Probability Plot
0.95 0.90
5 те
о 0.50 Í
0.25
0.10 0.05
...................f................
___________ JgL.._________4_____________
у 2tT 7 i 3 __________j_______J!L____________________
______________________ Y A
SI é _________________________________________________ ' i i.........................................
20
25
30 35
Ebr, kV/mm
Emidbr, 29 kV/mm
10 10 в - полулогарифмический масштаб Рис. 4. Влияние на распределение электрического поля электрофизических характеристик и толщины компонентов на границе раздела подложка - диэлектрический барьер
Экспериментальная проверка влияния долевого содержания слюдобумажной ленты на длительную электрическую прочность образцов композитной высоковольтной изоляции. Для опробования лент в отвержденном состоянии изготовлено по 5 макетов с каждой стеклослюдобумажной лентой разной толщины разных производителей: 1 - к = 0,15 мм, 2 - к = 0,14 мм, 3 - к = 0,14 мм, 4 - к = 0,18 мм, 5 - к= 0,18 мм.
Макеты представляют медные шины размером 6^30x800 мм, которые изолированы на лентоизолиро-вочном станке ЛИСП-4 с подогревом ленты до температуры 50-60 °С и натяжением 40-60Н. Макеты, закрытые планками по широким граням, опрессованы гидростатическим способом. Длительная электрическая прочность готовых макетов определена при непрерывной выдержке под напряжением из расчета 15 кВ/мм промышленной частоты.
Корректность адекватности результатов моделирования на постоянном токе экспериментальными исследованиями на переменном допустима, т. к. в области малых времен переходного процесса проявляется влияние, как электрофизических характеристик, так и долевого содержания диэлектрического барьера
ЧГГ
б
h,mm
Рис. 5. Влияние слюдинитового барьера на длительную электрическую прочность композитной высоковольтной изоляции электрических машин
Наименьший разброс значений пробивной электрической прочности имеют системы изоляции толщиной к = 0,14 мм (кривая 3 рис. 5,а), что может быть связано с более равномерной толщиной стеклослюдо-бумажной ленты за счет применения другого типа связующего. Наклон интегральной функции распределения электрической прочности макетов с данной системой изоляции существенно отличается от остальных (сравни кривую 3 с кривыми 1, 2, 4, 5 на рис. 5,а).
Для образца толщиной композитной изоляции к = 0,15 мм (кривая 1 рис. 5,а) наблюдается наибольшее значение длительной электрической прочности: на уровне 50 % вероятности среднее значение равно 28,75 кВ/мм (рис. 5,6). В данном макете применена лента с повышенным содержанием слюдинитового барьера и стеклоткань меньшей толщины (в соответствии с техническим описанием на ленту).
Выводы. Впервые получено распределение электрического поля в высоковольтной композитной изоляции электрических машин на основе предложенной математической модели накопления поверхностного заряда на плоской границе раздела подложка - диэлектрический барьер.
10
10
10
0
10
t, c
а
28.5
28
27.5
27
26
25.5
25
U.15
11.16
U.17
U.18
Установлено, что в установившемся режиме напряженность электрического поля в барьере превышает среднее значение на 50 % в зависимости от электрофизических характеристик и толщины компонентов.
В области малых времен переходного процесса (до 1 с) существенное влияние на характер распределения электрического поля в композитной изоляции оказывает относительная диэлектрическая проницаемость барьера. Применение диэлектрического барьера с большей диэлектрической проницаемостью и долевым содержанием в сравнении с подложкой приводит к увеличению на 5 % напряженности электрического поля относительно среднего значения.
Экспериментальные исследования длительной электрической прочности макетов стеклослюдобуж-ных лент в отвержденном (термореактивном) состоянии согласуются с результатами моделирования.
Композитная изоляция на основе стеклослюди-нитовой ленты с повышенным содержанием слюдинитового барьера и стеклотканью меньшей толщины имеет на (8 - 16) % более высокие значения длительной электрической прочности.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Электроизоляционные материалы и системы изоляции для электрических машин. В двух книгах. Кн. 2 / В.Г. Огоньков и др.; под. ред. В.Г. Огонькова, С.В. Серебрянникова. - М.: Издательский дом МЭИ, 2012. - 304 с.
2. Пак В.М., Трубачев С.Г. Новые материалы и системы изоляции высоковольтных электрических машин. - М.: Энергоатомиздат, 2007. - 416 с.
3. Ребиндер П.А. О влиянии изменений поверхностной энергии на спайность, твердость и другие свойства кристаллов // Съезд русских физиков. Перечень докладов, представленных на съезд, с кратким их содержанием. - М. - Л.: ГИЗ, 1928. - С. 29.
4. Гиббс Дж.В. Термодинамика. Статистическая механика. - М.: Наука, 1982. - 584 с.
5. Михайлов В.М. Исходные соотношения и приближенные граничные условия для расчета поля в системах с тонкими слоями // Электричество. - 2007. - №3. - С. 49-55.
6. Ким Ен Дар, Калмыков В.Л. Исследование электрического поля изоляционной конструкции с тонкими протяженными областями // Вестник НТУ «ХПИ». - 2005. - №42. - С. 65-70.
7. Беспрозванных А.В., Бойко А.Н. Распределение плотности поверхностных зарядов на границе раздела контактирующих изолированных проводников // Техшчна електро-динамжа. - 2014. - №6. - С. 18-23.
8. Хиппель А.Р. Диэлектрики и волны. - М.: Издательство иностранной литературы, 1960. - 439 с.
9. Демирчян К.С., Нейман Л.Р., Коровкин Н.В., Чечурин В.Л. Теоретические основы электротехники: В 3-х т. Учебник для вузов. - СПб.: Питер, 2003. - 463 с.
REFERENCES
1. Ogonkov V.G., Serebryannikov S.V. Elektroizoliatsionnye materialy i sistemy izoliatsii dlia elektricheskikh mashin. V dvukh knigakh. Kn. 2 [Electrical insulation materials and insulation systems for electrical machines. In 2 books. Book 2]. Moscow, Publishing house MEI, 2012. 304 p. (Rus).
2. Pak V.M., Trubachev S.G. Novye materialy i sistemy izoliatsii vysokovol'tnykh elektricheskikh mashin [New materials and systems for isolation of high-voltage electrical machines]. Moscow, Energoatomizdat Publ., 2007. 416 p. (Rus).
3. Rebinder P.A. O vliianii izmenenii poverkhnostnoi energii na spainost', tverdost' i drugie svoistva kristallov [On the effect of changes in surface energy on the cleavage, hardness and other properties of crystals]. Congress of Russian physicists. The list of reports submitted to the congress, with a brief summary. Moscow - Leningrad, 1928. 29p. (Rus).
4. Gibbs J.V. Termodinamika. Statisticheskaia mekhanika
[Thermodynamics. Statistical mechanics]. Moscow, Nauka Publ., 1982. 584 p. (Rus).
5. Mikhailov V.M. Initial relations and approximate boundary conditions for calculating the field in systems with thin layers. Electricity, 2007, no.3, pp. 49-55. (Rus).
6. Kim Yong Dar, Kalmykov V.L. Study of the electric field of an insulating structure with thin extended areas. Bulletin of NTU «KhPI», 2005, no.42, pp. 65-70. (Rus).
7. Bezprozvannych G.V., Boyko A.N. Distribution of surface density of charges on the interface between contacting isolated conductors of the cables. Technical Electrodynamics, 2014, no.6. pp. 18-23. (Rus).
8. Hippel A.R. Dielektriki i volny [Dielectrics and waves]. Moscow, Publ. House of Foreign Literature, 1960. 439 p. (Rus).
9. Demirchian K.S., Neiman L.R., Korovkin N.V., Chechurin V.L. Teoreticheskie osnovy elektrotekhniki: V 3-kh t. Uchebnik dlia vuzov [Theoretical bases of electrical engineering. In 3 vols.]. St. Petersburg, Piter Publ, 2003. 463 p. (Rus).
Поступила (received) 14.07.2018
Беспрозванных Анна Викторовна1, д.т.н., проф.,
Бойко Антон Николаевич2, к.т.н.,
Рогинский Александр Владимирович3, аспирант,
1 Национальный технический университет «Харьковский политехнический институт», 61002, Харьков, ул. Кирпичева, 2,
e-mail: [email protected]
2 Компания «WebMeridian в Украине», 61002, Харьков, ул. Чернышевского, 13,
3 Государственное предприятие «Завод «Электротяжмаш», 61089, Харьков, Московский проспект, 299,
e-mail: [email protected]
G.V. Bezprozvannych1, A.N. Boyko2, A.V. Roginskiy3
1 National Technical University «Kharkiv Polytechnic Institute», 2, Kyrpychova Str., Kharkiv, 61002, Ukraine.
2 Company «WebMeridian in Ukraine»,
13, Chernyshevskogo Str., Kharkiv, 61002, Ukraine.
3 SE РЬП Electrotyazhmash,
299, Moskovsky Ave., Kharkiv, 61089, Ukraine. Effect of a dielectric barrier on the electric field distribution in high-voltage composite insulation of electric machines. Introduction. Modern high-voltage systems for composite insulation of electrical machines consist of tape glass mica paper materials (dry or pre-impregnated). The electrical characteristics of a multilayer composite insulation system are determined by both the fractional content of the individual components and their electro-physical properties. Purpose. The analysis of the influence of elec-trophysical characteristics and thickness (fraction) of the dielectric barrier on the distribution of the electric field in the composite highvoltage insulation of electrical machines. Methodology. Simulation of surface charge accumulation at the interface between the substrate and the dielectric barrier is based on the Maxwell-Wagner theory for interfacial polarization. Practical value. The influence of the electrophysical characteristics and thickness of the dielectric barrier on the distribution of the electric field has been established. In the steady state, the electric field strength in the dielectric barrier exceeds the average value by 50 %. In the region of small transition times (up to 1 s), the relative dielectric constant of the barrier has a significant effect on the distribution of the electric field. The use of a dielectric barrier with a higher dielectric constant and fractional content in comparison with the substrate leads to an increase in electric field strength by 5 % relative to the average value in composite insulation. Experimental studies of the long-term electrical strength of glass mica-belt ribbons in the cured (thermosetting) state are consistent with the simulation results. Composite insulation based on glass fiber mica tape with a high content of the mica barrier and fiberglass of smaller thickness has (8-16) % higher values of long-term electric strength. References 9, figures 5. Key words: high-voltage composite insulation, dielectric barrier, fiberglass substrate, interfacial polarization, electric field distribution, long-term electrical strength.
