< Предыдущая ] [ Следующая >

Журнал 4(100) 2016 год

Изоляция электрооборудования

В современных электрических аппаратах высокого напряжения в качестве газовой изоляции широко используется шестифтористая сера (элегаз), а также смеси на основе элегаза под давлением 0,1–1,5 МПа. Это позволяет достичь уровня электрической прочности до 30 кВ/мм и более и создавать высоковольтное оборудование разумных габаритов, размещая его внутри замкнутых металлических оболочек.
Существует, однако, обширный класс оборудования, имеющего не проводящие, а изолирующие оболочки, выполненные из фарфора или стеклопластика. В этом случае электрическое поле не может быть полностью сконцентрировано внутри проводящей оболочки, а через стенку изолирующей оболочки выходит также в воздух и может привести к перекрытиям по внешней поверхности.
Петербургские авторы рассматривают возможность управления электрическим полем в воздушной изоляции методом диэлектрического экранирования с использованием экранов с высокой диэлектрической проницаемостью, а также обладающих свойством нелинейной проводимости.

ВЫСОКОВОЛЬТНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ АППАРАТЫ
Возможности диэлектрического экранирования

Михаил Ярмаркин, к.т.н., Петербургский энергетический институт повышения квалификации
Василий Титков, д.т.н.
Игорь Усольцев,
Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого

МАТЕРИАЛЫ

В электротехнике и радиотехнике широко используются материалы, обладающие как высокой диэлектрической проницаемостью, так и проводимостью, зависящей от напряженности электрического поля.

Материалы с высокой диэлектрической проницаемостью, а также эффект нелинейного интенсивного роста проводимости в сильном электрическом поле можно использовать для создания диэлектрических экранов в высоковольтных электрических аппаратах.

Требования, предъявляемые к таким материалам, связаны с эффективностью их применения для управления электрическим полем, высокой собственной электрической прочностью, а также технологичностью и возможностью сочетания с традиционно используемыми полимерными и керамическими элементами высоковольтной изоляции.

Можно указать как минимум два примера использования диэлектрического экранирования в высоковольтной технике.

Прежде всего это полимерная лента-регулятор в кабельных муфтах с главной изоляцией из сшитого полиэтилена классов напряжения 6–10 и 35 кВ.

Другой пример – это композиции из микроваристоров и полимерного связующего, описанные в [1, 2], обладающие нелинейной проводимостью и органично сочетающиеся с полимерной изоляцией оболочек газонаполненных вводов.

Опыт этих разработок указывает на возможность применения таких материалов и технологий для изготовления газонаполненных вводов класса напряжения до 500 кВ, а также элегазовых трансформаторов тока.

Рассмотрим возможности диэлектрического экранирования (ДЭ) с применением различных материалов: как обычных, изготовление которых вполне возможно на базе существующих в России технологий, так и «необычных», изготовление которых пока освоено только за рубежом. К первым относится материал с относительной диэлектрической проницаемостью ε = 10, не обладающий проводимостью. Такой материал использован для иллюстрации возможностей ДЭ в газонаполненном вводе класса 110 кВ. Ко вторым – материал с ε = 800 и нелинейной проводимостью, возможность применения которого проиллюстрирована на примере конструкции элегазового трансформатора тока класса 750 кВ.

При иллюстрации возможностей применения диэлектриков с нелинейной проводимостью также использованы существенно различные параметры. Пороговое значение напряженности, соответствующее переходу от отсутствия проводимости к состоянию проводника, изменялось от 2–3 кВ/см до 6–9 кВ/см (легированный оксид цинка в составе современных варисторов высокого качества); одновременно менялась степень нелинейности в зависимости проводимости от напряженности электрического поля.
Основанием для этого являются характеристики существующих варисторов на основе оксида цинка, применявшихся в прошлом нелинейных элементов на основе карбида кремния, а также известная возможность изменения свойств этих материалов в широких пределах с помощью различных легирующих добавок и изменения технологического процесса изготовления.

УПРАВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ПОЛЕМ ГАЗОНАПОЛНЕННОГО ВВОДА

Качественное влияние ДЭ на структуру электрического поля наглядно иллюстрируется на примере стилизованной конструкции газонаполненного ввода класса 110 кВ, показанной на рис. 1.

Рис. 1. Силовые линии электрического поля в модели газонаполненного ввода класса 110 кВ:

a – при отсутствии диэлектрического экрана;
б – при наличии экрана с относительной диэлектрической проницаемостью ε = 4,5 (фарфор);
в – при наличии экрана с относительной диэлектрической проницаемостью ε = 10 (стеклопластик со специальным наполнителем);
г – при наличии экрана с относительной диэлектрической проницаемостью ε = 10 и нелинейной проводимостью.

а б

в г

Расчетная область модельной задачи включает в себя высоковольтный токоведущий стержень и заземленный фланец, изолирующий промежуток между которыми заполнен газом с высокой электрической прочностью (например, элегазом). Конструкция снабжена изолирующей оболочкой, изготавливаемой из фарфора или стеклопластика. В обычных конструкциях роль оболочки сводится к поддержанию герметичности внутреннего объема ввода и обеспечению его механической прочности. Управляя диэлектрическими свойствами материала оболочки (диэлектрической проницаемостью и проводимостью), можно, кроме того, эффективно управлять электрическим полем в воздухе, то есть электрической прочностью при перекрытиях вдоль внешней поверхности оболочки.

На рис. 1a показаны силовые линии электрического поля в этом промежутке при потенциале стержня, равном 550 В (амплитуда грозового импульса при испытаниях изоляторов по ГОСТ 1516.3), рассчитанные для характерной для грозового импульса частоты изменения электрического поля. На рис. 1a границы оболочки показаны условно, ее диэлектрическая проницаемость принята равной единице и наличие такой оболочки никак не влияет на формирование электрического поля. Как видно из рис. 1a, силовые линии выходят за пределы оболочки в атмосферный воздух. При практической реализации газонаполненных вводов именно уровень напряженности на внешней поверхности оболочки в воздухе определяет минимальный радиус оболочки.

В том случае, если оболочка или ДЭ обладает повышенной диэлектрической проницаемостью ε, силовые линии электрического поля искажаются, как показано на рис. 1б при ε = 4,5 (фарфор) и на рис. 1в при ε = 10 (стеклопластик со специальным наполнителем). Можно видеть, что ряд силовых линий, выходивших ранее за пределы оболочки, концентрируется внутри ДЭ, в то время как в межэлектродном промежутке картина поля практически не меняется. Напряженность поля на внешней поверхности ДЭ при этом существенно уменьшается, что дает возможность уменьшить радиус оболочки, сделав конструкцию значительно меньшего размера.

Влияние свойств оболочки – ДЭ на напряженность в воздухе на внешней поверхности оболочки хорошо видно на графиках рис. 2. Если при отсутствии экрана (кривая 1) напряженность достигает 10,8 кВ/см, то экран с ε = 4,5 позволяет уменьшить ее до 9,6 кВ/см, экран с ε = 10 – до уровня 8,4 кВ/см, то есть на 11 и 22% соответственно.

Рис. 2. Распределение напряженности вдоль внешней поверхности ДЭ в системе рис. 1 при наличии и при отсутствии ДЭ

Кривая 1 соответствует варианту рис. 1a; кривая 2 – рис. 1б; кривая 3 – рис. 1в; кривая 4 – рис. 1г.

Если материал ДЭ обладает не только высокой диэлектрической проницаемостью, но и проводимостью, его экранирующее действие возрастает и эффект снижения напряженности проявляется в еще большей степени.

Практическое применение находят ДЭ, проводимость которых зависит от напряженности и быстро возрастает при росте напряженности. При рабочем напряжении проводимость такого экрана практически равна нулю, однако при возникновении перенапряжений достигает значений, достаточных для эффективного воздействия на электрическое поле. Это позволяет при рабочем напряжении избежать длительного прохождения токов проводимости в материале экрана и таких связанных с этим явлений, как нагрев, электрохимические реакции, деструкция материала и т.п.

В то же время при кратковременных перенапряжениях напряженность электрического поля в теле экрана возрастает, что приводит к росту проводимости, перераспределению электрического поля и ограничению дальнейшего роста напряженности.

Разумеется, эффективность ДЭ с нелинейной проводимостью прямо зависит от того, как именно проводимость связана с напряженностью. Поскольку в настоящее время при изготовлении ДЭ активно применяются материалы на основе микроваристоров, для расчетов использовалась характерная для варисторов степенная зависимость удельной объемной проводимости σ, См/м, от величины напряженности электрического поля E, В/м, имеющая вид:

σ = С · σ₀ · (E / E₀)^β , (1)

где C, σ₀, E₀ и β – числовые параметры.

Параметры формулы (1) подобраны таким образом, чтобы проводимость оставалась малой при рабочем напряжении и достигала заметных значений при уровне напряженности, возникающей при перенапряжениях. Известно что, меняя состав материала ДЭ и технологию изготовления, возможно в широких пределах управлять его свойствами. Применительно к стилизованной модельной конструкции рис. 1 была использована зависимость, обеспечивающая высокую проводимость при уровне напряженности, близком к максимуму кривой 1 рис. 2 (C = 1,37, σ₀ = 5 • 10^–6 См/м, E₀ = 6 кВ/см, β = 17). Эта зависимость показана на рис. 3 (кривая 1).

Рис. 3. Зависимость удельной объемной проводимости σ от напряженности электрического поля Е в соответствии с формулой (1):

1 – для экранирования газонаполненного ввода;
2 – для экранирования трансформатора тока

Результат применения ДЭ с нелинейной проводимостью показан на рис. 1г, а также в виде кривой 4 на рис. 2. Как видно на рис. 1г, использование такого экрана позволяет эффективно концентрировать силовые линии внутри оболочки. Это приводит к выравниванию распределения напряженности вдоль ДЭ и к существенному снижению максимального значения напряженности в воздухе. Кривая 4 на рис. 2 описывает практически равномерное распределение напряженности с максимальным значением 6,5 кВ/см, что лишь на 18% больше минимально возможного уровня 5,5 кВ/см (при длине оболочки 100 см и приложенном напряжении 550 кВ).

Важно подчеркнуть, что структура поля и величина напряженности во внутренней полости, занятой изолирующим газом, практически не меняется при использовании ДЭ. При радиусе стержня 50 мм максимальная напряженность на его поверхности составляет 15,7 кВ/см независимо от наличия или отсутствия ДЭ.

Таким образом, ДЭ с высокой диэлектрической проницаемостью оказывает существенное влияние на структуру электрического поля, снижая напряженность в воздухе практически без изменения напряженности во внутренней газовой изоляции. В некоторых случаях это позволяет на 20% и более уменьшить внешний габаритный диаметр изолирующей оболочки, что соответствует уменьшению объема на 40% и более.

На принципе диэлектрического экранирования построены газонаполненные вводы серии SLIM, изготавливаемые в настоящее время фирмой LAPP на классы напряжения до 500 кВ. Применение диэлектрического экранирования позволяет существенно уменьшить радиальный размер ввода, тем самым снижая внутренний объем ввода и его стоимость.

УПРАВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ПОЛЕМ ЭЛЕГАЗОВОГО ТРАНСФОРМАТОРА ТОКА

Еще одним примером применения диэлектрического экранирования может служить элегазовый трансформатор тока (ТТ).

Основные элементы конструкции элегазового ТТ показаны на рис. 4. Токоведущая шина 1 окружена вторичной обмоткой 2, опирающейся на опорную металлическую трубу 3. Обмотка 2 и труба 3 заземлены. Конструкция герметизирована с помощью высоковольтного металлического корпуса 4 и изолирующей оболочки – полого опорного изолятора 5.

Рис. 4. Схема конструкции измерительного трансформатора тока серии ТГФ

1 – экран токоведущей шины,
2 – вторичная обмотка,
3 – опорная труба,
4 – металлический корпус,
5 – изолирующая оболочка,
6 – внутренний высоковольтный экран.

Овалом указана область сильного поля в месте выхода на внешнюю поверхность оболочки.

Такая конструкция практически воспроизводит газонаполненный ввод с той разницей, что в данном случае внутренний электрод заземлен, а внешний находится под действием высокого потенциала. Сходство усиливается наличием внутреннего высоковольтного экрана 6, обеспечивающего электрическую прочность газовой изоляции в горловине оболочки.

Электрическая прочность внутри ТТ обеспечивается газовой изоляцией, свойствами которой можно управлять, изменяя состав газа и его давление. Однако вблизи нижнего торца внутреннего экрана 6 сильное электрическое поле выходит за пределы изолирующей оболочки в воздух и может привести к перекрытиям внешней изоляции. Область сильного поля в воздухе указана на рис. 4. Управлять электрической прочностью внешней изоляции в этом месте можно только путем изменения параметров поля.

На рис. 5–6 показана структура электрического поля вблизи нижней кромки внутреннего экрана в габаритах, характерных для класса напряжения 750 кВ. Внешний радиус оболочки, выполненной из стеклопластика, принят равным 300 мм. Картина поля показана при амплитуде испытательного напряжения промышленной частоты, равной 830 кВ • = 1173 кВ (уровень изоляции «а», ГОСТ 1516.3).

Рис. 5. Картина эквипотенциалов при отсутствии диэлектрического экрана (фрагмент), r = 300 мм

На рис. 5 показаны эквипотенциалы поля вблизи нижнего торца внутреннего высоковольтного экрана. Видно, что рядом с торцом на внешней поверхности оболочки в воздухе потенциал достигает 900 кВ и далее растет по мере приближения к высоковольтному металлическому корпусу.

Рис. 6. Линии равной напряженности при отсутствии диэлектрического экрана

На рис. 6 показано семейство линий равной напряженности. Видно, что линия с уровнем напряженности 4 кВ/мм полностью заключена в промежутке между опорной трубой и экраном, в то время как линия с уровнем 2 кВ/мм далеко выходит в воздух за пределы изолирующей оболочки.

На рис. 7 показан график распределения напряженности по внешней поверхности оболочки в воздухе (кривая 1). Видно, что максимум напряженности при выбранных размерах конструкции достигает уровня 23,9 кВ/см (39,7 кВ/мм при амплитуде грозового импульса 1950 кВ), то есть близок к уровню пробоя.

Рис. 7. Распределение напряженности вдоль внешней поверхности изолируюшей оболочки в воздухе (амплитудные значения):
1 – при отсутствии ДЭ; 2 – при наличии ДЭ толщиной 0,5 мм; 3 – при наличии ДЭ толщиной 1,0 мм.
Амплитудное значение испытательного напряжения – 1173 кВ

Для снижения напряженности был использован ДЭ в виде тонкого слоя с высокой диэлектрической проницаемостью, нанесенного на внешнюю поверхность изолирующей оболочки. Толщина слоя составляла 0,5 и 1 мм, относительная диэлектрическая проницаемость принята равной ε = 800.

Результаты выполненных расчетов показаны в виде линий равной напряженности на рис. 8 и графиков рис. 7. Как видно из рис. 8, относительно тонкий слой ДЭ позволяет существенно изменить структуру поля, концентрируя его внутри твердого диэлектрика и снижая напряженность в воздухе.

Рис. 8. Линии равной напряженности при наличии диэлектрического экрана толщиной 0,5 мм

Рассмотрена также возможность применения ДЭ с нелинейной проводимостью. Для расчетов использовалась характеристика проводимости материала ДЭ согласно (1), показанная на рис. 3 (кривая 2) при E₀ = 2 кВ/см, β = 19.

В выполненной серии расчетов учитывалось оребрение внешней поверхности изолирующей оболочки. Форма ребер в соответствии с существующими образцами покрышек такого размера показана на рис. 9.

Рис. 9. Форма ребер на внешней поверхности изолирующей оболочки

Результаты расчетов электрического поля с учетом оребрения оболочки проиллюстрированы на рис. 10, 11.

Рис. 10. Распределение напряженности по внешней поверхности изолирующей оболочки при наличии ребер в зависимости от длины пути утечки

Зеленая кривая – при отсутствии ДЭ, синяя – при ДЭ с нулевой проводимостью, красная – при ДЭ с нелинейной проводимостью

Рис. 11. Фрагмент зависимостей рис. 10 вблизи максимальных значений напряженности

Как видно из рис. 10, 11, напряженность на внешней поверхности существенно зависит от положения точки на поверхности ребра. Кривые на рис. 10, 11 обладают большим количеством максимумов напряженности, каждый из которых соответствует периферийной точке одного из ребер. Разница в напряженностях на периферии ребра и в промежутке между ребрами достигает трехкратной величины. Это затрудняет обобщенный анализ полученных результатов и их сопоставление с допустимым уровнем напряженности в воздухе.

Тем не менее на графиках рис. 10, 11 также можно указать область повышенной напряженности, расположенную на уровне торца внутреннего экрана.

Представленные результаты показывают, что применение ДЭ существенно снижает напряженность в воздухе. Пиковое значение напряженности уменьшается от 2,38 кВ/мм при отсутствии ДЭ (σ = 0, ε = 1, зеленые кривые на рис. 10, 11) до 1,49 кВ/мм при ДЭ с нулевой проводимостью и высокой диэлектрической проницаемостью (σ = 0, ε = 800, синие кривые). Использование эффекта нелинейной проводимости (σ = var, ε = 800, красные кривые) позволяет снизить пиковый уровень до 0,9 кВ/мм.

В заключение следует отметить, что возможности диэлектрического экранирования могут быть использованы также применительно к другим высоковольтным устройствам. Это относится, например, к межконтактным промежуткам и оболочкам колонковых выключателей.

Кроме того, возможно применение диэлектрического экранирования для изготовления опорных и подвесных композитных изоляторов, что позволит выравнивать распределение напряженности вдоль внешней поверхности, повышая электрическую прочность при воздействии перенапряжений.

ВЫВОДЫ

Диэлектрическое экранирование обеспечивает возможность снижения напряженности на внешней поверхности изолирующих оболочек в воздухе в таких аппаратах, как элегазовые трансформаторы тока, газонаполненные вводы, колонковые выключатели и т.п.
Применение диэлектрического экранирования позволяет на 40% и более снизить напряженность на внешней поверхности изолирующей оболочки в воздухе, существенно уменьшить размеры и стоимость аппаратов.
Для создания диэлектрических экранов целесообразно использовать материалы с высокой диэлектрической проницаемостью, а также обладающие способностью переходить в проводящее состояние при воздействии сильного электрического поля.
Диэлектрическое экранирование позволяет управлять параметрами электрического поля на внешней поверхности изолирующих оболочек в воздухе, не изменяя распределение поля внутри аппарата.

ЛИТЕРАТУРА

Compact SF6 GIS & Dead Tank Breaker Bushings: Options and Limits. Rainer F. Röder, Gardy Technology AG, Erlinsbach/Switzerland // 2015 INMR World Congress, October 18–21, 2015, Munich, Germany.
New Concepts in Voltage Grading. Jens M. Seifert. LappInsulators GmbH, Wunsiedel, Germany // 2015 INMR World Congress, October 18–21, 2015, Munich, Germany.