Изоляция электрооборудования

Диэлектрическое экранирование – технический прием, позволяющий управлять распределением электрического поля в высоковольтных аппаратах. Используя диэлектрические оболочки из материалов со специально подобранными свойствами, оказывается возможным предотвратить выход сильного электрического поля из области газовой изоляции за пределы аппарата в воздух. Тем самым увеличивается электрическая прочность внешней изоляции, снижаются размеры изолирующей оболочки, улучшаются массогабаритные характеристики.

Экранирующее действие диэлектрического экрана может быть основано на высокой диэлектрической проницаемости материала, из которого изготовлен экран, а также на свойстве этого материала переходить в проводящее состояние под действием сильного электрического поля.

Возможности создания таких материалов на базе существующих технологий оценивают наши санкт-петербургские авторы.

ВЫСОКОВОЛЬТНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ АППАРАТЫ
Материалы для диэлектрического экранирования

Михаил Ярмаркин, к.т.н.
Эдуард Соловьев, к.т.н.
ФГАОУ ДПО «Петербургский энергетический институт повышения квалификации»,
г. Санкт-Петербург

ЭКРАНИРУЮЩИЕ СВОЙСТВА ДИЭЛЕКТРИКОВ

Рассмотрим вначале случай, когда материал диэлектрического экрана представляет собой идеальный диэлектрик, не обладающий какой-либо проводимостью. Такой диэлектрик, внесенный во внешнее электрическое поле, поляризуется и вносит изменения в структуру поля. В зависимости от конструкции высоковольтного устройства, эти изменения могут как уменьшить, так и увеличить электрическую прочность изоляции, причем определяющую роль в данном случае имеет диэлектрическая проницаемость (ДП) материала: чем она больше, тем больше возможность управления электрическим полем и тем большего эффекта по увеличению электрической прочности изоляции возможно достичь.

Еще более сильным средством для управления электрическим полем является применение диэлектрических экранов, обладающих собственной проводимостью, достаточно высокой для внесения дополнительных изменений в структуру внешнего поля, однако недостаточной для создания в высоковольтном устройстве пробоя изоляции, избыточного нагрева, электролиза и других нежелательных явлений.

Учитывая действующие режимы эксплуатации высоковольтного оборудования, оптимальным вариантом является применение материалов, не обладающих сколько-нибудь заметной проводимостью при рабочем напряжении, однако переходящих в слабопроводящее состояние при кратковременном воздействии импульсных перенапряжений. Такие материалы известны и длительное время применяются для создания нелинейных ограничителей перенапряжений (ОПН).

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ

В электротехнике и радиотехнике широко используются материалы, обладающие как высокой ДП, так и проводимостью, зависящей от напряженности электрического поля. Можно указать в качестве примера на обширный класс сегнетоэлектриков, в том числе титанат бария BaTiO₃, радиотехническую керамику и т.д.

В высоковольтной электротехнике наибольшее распространение имеют материалы на основе оксида цинка ZnO, являющиеся основой для изготовления варисторов в ОПН. Варисторы на основе оксида цинка обладают одновременно высокой (порядка 1500 и более) относительной ДП и проводимостью, возрастающей от малого значения до уровня проводника при достижении напряженностью некоторого порогового уровня. В кабельной технике для создания концевых и соединительных муфт широко применяются материалы с повышенной ДП и слабой проводимостью.

В число требований, предъявляемых к материалам для изготовления диэлектрических экранов, в качестве важнейшего входит технологичность, то есть возможность создания сложных форм и покрытий. Это невозможно сделать, используя, например, радиотехническую керамику, однако вполне возможно с применением композитных материалов на основе силикона, эпоксидного компаунда и т.п.

Известны примеры применения композитных материалов [1, 2], состоящих на 75–80% из порошка для микроваристоров и на 20–25% из эпоксидного компаунда. Микроваристорный порошок может быть получен по существующей технологии изготовления варисторов для ОПН, исключая стадию прессования цилиндрических таблеток.

Например, в ходе настоящей работы использовались таблетки варисторов диаметром 28 мм, высотой 9 мм. Измеренная при низком напряжении емкость такой таблетки составляла 1032–1036 пФ, что позволяет вычислять ДП материала на уровне 1704–1711 о.е. Другие образцы демонстрировали как меньшую (до 600 о.е.), так и большую диэлектрическую проницаемость.

Наряду с ДП, мощным средством для управления распределением электрического поля является нелинейная проводимость. Эксперименты показывают, что нелинейная проводимость, свойственная материалам, из которых изготовлены варисторы, проявляется также в мелкодисперсных формах и в композициях таких форм с полимерным связующим. При этом, однако, концентрация наполнителя не должна быть менее 70–75%.

Таким образом, основой технологии создания материалов для диэлектрических экранов является изготовление композиции из полимерного связующего с относительно низкой ДП и мелкодисперсного наполнителя с высокой ДП и/или проводимостью, нелинейно зависящей от напряженности электрического поля.

КОМПОЗИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Пусть диэлектрический экран состоит из композитного вещества, полученного путем смешивания мелкодисперсного порошка с относительной ДП ε₁ и связующего с относительной ДП ε₂. Обозначим объемную долю порошка как ν₁, объемную долю связующего как ν₂, причем очевидно ν₂ = 1 – ν₁.

Изготовленный таким способом материал искажает внешнее электрическое поле таким образом, как если бы он был изготовлен из однородного вещества с некоторой ДП. Для оценки величины этой ДП определим емкость конденсатора, заполненного таким диэлектриком.

Определение диэлектрической проницаемости

Обозначим относительную ДП композитного диэлектрика как ε_комп и определим ее величину.

Для этого рассмотрим плоский, бесконечно протяженный конденсатор, заполненный композитным диэлектриком. Пусть расстояние между обкладками конденсатора (толщина слоя диэлектрика) равно D. Рассмотрим модель структуры композитного диэлектрика как чередование большого числа слоев вещества с относительной диэлектрической проницаемостью ε₁ толщиной d₁ и связующего с относительной диэлектрической проницаемостью ε₂ толщиной d₂, как показано на рис. 1.

Рис. 1. Модель структуры композитного диэлектрика, состоящего из чередующихся слоев двух материалов

Каждая такая пара слоев образует конденсатор, емкость которого образована из двух последовательно соединенных емкостей первого и второго слоя. Емкость первого слоя равна:

,

емкость второго слоя:

,

емкость двух последовательно соединенных слоев:

,

где S – площадь участка бесконечного конденсатора.

Конденсатор с толщиной слоя композитного диэлектрика D содержит N пар слоев толщиной d₁ + d₂, причем:

При равномерном перемешивании число слоев неограниченно возрастает: N → ∞.

Емкость этого конденсатора C_D состоит из N последовательно соединенных емкостей C_1–2 и равна:

или

.

Последнее записанное соотношение позволяет получить выражение для относительной диэлектрической проницаемости композитного диэлектрика ε_комп :

.

Поскольку толщина каждого слоя пропорциональна объемной доле вещества, то:

.

Откуда окончательно:

.

(1)

Вычислим ДП композитного материала, компоненты которого имеют следующие характеристики: ε₁ = 1100, ε₂ = 2,8 при относительном объемном содержании ν₁ = 0,8, ν₂ = 0,2. Оценка по формуле (1) дает значение ε_комп = 13,86. Заслуживает внимания то, что полученное значение значительно меньше, чем величина ε₁.

Без дополнительных рассуждений укажем, что формулой (1) определяется изменение нормальной составляющей напряженности электрического поля при переходе через поверхность диэлектрика.

Следует подчеркнуть, что формула (1) учитывает только поляризацию вещества во внешнем электрическом поле.

На рис. 2 показана зависимость ε_комп от объемного содержания оксида цинка ν₁, определенная по формуле (1). Для расчета приняты вышеуказанные значения: диэлектрическая проницаемость оксида цинка ε₁ = 1100, силикона ε₂ = 2,8. Видно, что при ν₁ < 80% параметр ε_комп не превышает 10–14 о.е., то есть значительно меньше, чем принятое значение ε₁. При высоком содержании оксида цинка ν₁ > 95% параметр ε_комп быстро возрастает, однако на практике реализовать это трудно по технологическим причинам. На рис. 2 приведены также результаты измерений ε_комп, описанные ниже.

Рис. 2. Зависимость относительной диэлектрической проницаемости композитного материала от объемного содержания ZnO

Красным цветом показаны результаты измерений ε_комп. Указаны минимальные и максимальные значения, полученные при измерениях.

Экспериментальные измерения

Для проверки полученной формулы (1) был выполнен эксперимент, в ходе которого измерялась электрическая емкость конденсаторов, заполненных композитным материалом с различным содержанием ZnO. Исследуемые образцы композитного материала представляли собой цилиндры высотой h_обр = 3 мм, диаметром D_обр = 45 мм. Ввиду сложности практического определения объемного содержания ν₁, изготавливались образцы с заданным массовым содержанием оксида цинка η₁ и силикона η₂ при η₁ = 20, 40, 60, 70, 80 и 90% (η₂ = = 80, 60, 40, 30, 20 и 10% соответственно). При каждом из указанных уровней массового содержания были изготовлены пять образцов с последующим усреднением полученных значений емкости по пяти результатам.

Для пересчета массового содержания оксида цинка η₁ к объемному ν₁ использовалась формула:

,

где ρ₁ – плотность оксида цинка;
ρ₂ – плотность силикона.

На основании табличных данных были приняты следующие значения: ρ₁ = 5,47 г/см³, ρ₂ = 1,03 г/см³.

По результатам измерений емкости образцов C_обр определялось значение ДП ε и относительная проницаемость ε_комп = ε / ε₀. Для определения величины ε использовались выражения:

Полученные результаты приведены в табл. 1 и показаны на рис. 2.

Таблица 1. Результаты измерений диэлектрической проницаемости двухкомпонентного композитного материала

Как видно на рис. 2, полученные в результате выполненного эксперимента значения относительной ДП композитного материала больше вычисленных на основании формулы (1). Учитывая большой диапазон изменения параметров, совпадение результатов расчетов и измерений можно считать удовлетворительным. Можно предполагать, что указанное различие возникает из-за несовершенства упрощенной модели, использованной при выводе формулы (1), и погрешностей эксперимента.

Расчет электрического поля

Диэлектрическое экранирование может быть использовано в газонаполненных вводах, элегазовых трансформаторах тока, колонковых выключателях и т.п. Особенности структуры поля в воздухе для этих аппаратов видны на рис. 3 [3]. При отсутствии экрана (относительная ДП равна единице) силовые линии электрического поля показаны на рис. 3a. При наличии экрана толщиной 40 мм с относительной проницаемостью ε = 10 линии поля показаны на рис. 3б.

Рис. 3. Силовые линии электрического поля в модели газонаполненного ввода класса 110 кВ:

а) при отсутствии диэлектрического экрана;
б) при наличии диэлектрического экрана

Видно, что вне экрана в воздухе линии поля концентрируются вблизи его поверхности, силовые линии наклонены к ней, велика тангенциальная составляющая вектора напряженности. Экранирующее действие диэлектрического экрана в этой области заключается в перераспределении силовых линий поля из воздуха в твердый диэлектрик, из которого состоит экран. Эффективность экранирования зависит от ДП экрана.

Математический расчет электрического поля конструкции рис. 3 показывает, что в результате применения диэлектрического экранирования на поверхности экрана в воздухе напряженность уменьшается от 10,8 кВ/см до 8,3 кВ/см, то есть на 13%.

Использование эффекта нелинейной проводимости

При высоковольтных испытаниях, а также в процессе эксплуатации на изоляцию электрических аппаратов, кроме рабочего напряжения, оказывают воздействие различные перенапряжения. Например, в соответствии с ГОСТ 1516.3, при испытаниях изоляторов класса 110 кВ используют грозовой импульс с амплитудой 550 кВ и напряжение промышленной частоты с эффективным значением 230 кВ.

Если материал диэлектрического экрана при кратковременном воздействии высокого напряжения (при повышенной напряженности электрического поля) переходит в проводящее состояние, наличие такого экрана можно использовать для выравнивания электрического поля и снижения напряженности. Такие экраны применяются для изготовления газонаполненных вводов класса напряжения до 400 кВ серии SLIM фирмы LAPP.

Проводимость материала 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.

Оценка величины тока, который проходит через диэлектрический экран в состоянии проводника, и требуемой проводимости материала экрана может быть выполнена по условию сопоставления с величиной емкостного тока между экраном и высоковольтным электродом. В конструкции рис. 3 величина емкостного тока оценивается на уровне 1000 мкА. При толщине экрана, равной 1 мм, требуемая для создания такого тока проводимость материала составляет 1,5 мкСм/м.

В ходе настоящей работы были изготовлены и испытаны образцы материалов на основе гранул оксида цинка с легирующими добавками, предназначенных для изготовления варисторов. В процессе изготовления гранулы прошли весь технологический цикл, за исключением операции прессования, в результате чего вместо таблеток варисторов был получен порошок. В качестве связующего использовался силикон либо эпоксидный компаунд. Изготовленные образцы материала имеют форму пластин шириной 40 мм, толщиной 3 мм. В соответствии с выполненными измерениями, относительная ДП аналогичного материала в составе варисторов составляет величину порядка 1100 о.е. На основании формулы (1) оцениваемая относительная ДП образца с силиконовым связующим равна 6,3, со связующим на основе эпоксидного компаунда – 6,9.

На рис. 4 показаны зависимости тока в образцах длиной 3 мм, протекающего под действием напряжения промышленной частоты. Хорошо виден нелинейный характер роста величины тока при увеличении приложенного напряжения. Видно также, что в области интенсивного роста тока (при напряжении более 2 кВ) заметно различие свойств материалов с различным содержанием оксида цинка: ток возрастает быстрее при большей концентрации ZnO. Полученные экспериментальные результаты позволяют сделать, по меньшей мере, два важных вывода:

1. В изготовленном композитном материале наблюдается нелинейная зависимость проводимости от величины приложенного электрического поля.
2. Образцы относительно небольшого размера способны пропускать ток величиной до 1 мА. Расчеты показывают, что при реальных размерах высоковольтных аппаратов этого достаточно для реализации экранирующего действия ди­электрического экрана.

Эксперименты показали, что при достижении некоторого значения тока (в описанных образцах порядка 1 мА) в материале возникает электрический пробой, в результате чего формируется науглероженный проводящий канал и свойства образца необратимо изменяются.

Рис. 4. Зависимость тока от приложенного напряжения в двух образцах материалов для изготовления диэлектрических экранов

1 – массовое содержание ZnO 87%, связующее – силикон;
2 – массовое содержание ZnO 80%, связующее – эпоксидный компаунд

Приведенные на рис. 4 данные позволили получить зависимости удельной объемной проводимости материала от напряженности приложенного электрического поля, показанные на рис. 5.

Рис. 5. Зависимость удельной объемной проводимости от напряженности электрического поля в образцах рис. 4

1 – массовое содержание ZnO 87%, связующее – силикон;
2 – массовое содержание ZnO 80%, связующее – эпоксидный компаунд

Как видно на рис. 5, быстрый рост проводимости композитного материала имеет место при напряженности электрического поля порядка 0,6 кВ/мм. Как показывают следующие рассуждения, это соответствует требованиям к материалу диэлектрического экрана.

Действительно, будем считать, для предотвращения перекрытия по внешней поверхности в воздухе экран должен переходить в проводящее состояние при напряженности порядка 2,5 кВ/мм. Возьмем для примера аппарат класса напряжения 110 кВ. Если указанный уровень 2,5 кВ/мм будет достигнут при амплитуде испытательного импульса грозовых перенапряжений, равной 550 кВ, то при амплитуде рабочего напряжения, равной 126 / х = 103 кВ, будет достигнута напряженность, равная 2,5 х 103 / 550 = 0,47 кВ/мм. Как видно на рис. 5, описанные выше образцы как раз и позволяют получить малую проводимость при рабочем напряжении и большую проводимость при грозовом перенапряжении.

Диапазон изменения удельной проводимости согласно рис. 5 составляет 0,5–8 мкСм/м, что соответствует сделанной выше оценке требуемой величины.

Сопоставление кривых 1 и 2 на рис. 5 показывает, что при снижении содержания оксида цинка проводимость быстро уменьшается. При содержании менее 60–70% композитный материал теряет способность к нелинейной проводимости, приобретая свойства обычного диэлектрика.

Приведенные данные свидетельствуют о возможности создания композитных материалов, пригодных для использования в диэлектрических экранах высоковольтных аппаратов.

На рис. 6 показана картина силовых линий электрического поля в условиях перехода диэлектрического экрана конструкции рис. 3 в проводящее состояние. Видно, что по сравнению с рис. 3 силовые линии концентрируются внутри экрана. Математический расчет показывает, что при переходе диэлектрического экрана в состояние проводника напряженность в воздухе уменьшается от 10,8 кВ/см при отсутствии экрана до 6,5 кВ/см, то есть на 40%. Следует подчеркнуть, что указанный эффект достигается в результате совокупного действия высокой диэлектрической проницаемости и нелинейной проводимости материала экрана.

Рис. 6. Структура электрического поля в конструкции рис. 3 при переходе диэлектрического экрана в проводящее состояние

ВЫВОДЫ

1. Полученные результаты указывают на возможность разработки систем диэлектрического экранирования для высоковольтных аппаратов различного назначения.
2. В качестве материала для изготовления диэлектрических экранов предъявляемым требованиям удовлетворяют композитные материалы на основе гранулированного оксида цинка, а также полимерного связующего на основе силикона, эпоксидного компаунда и т.п.
3. Выполненные измерения диэлектрической проницаемости двухкомпонентных композитных материалов в зависимости от относительной доли каждого материала показали удовлетворительное соответствие сделанным теоретическим оценкам.
4. Композитный материал на основе оксида цинка обладает свойством нелинейного роста проводимости в зависимости от напряженности электрического поля. Выполнены измерения вольт–амперной характеристики образцов композитного материала, показавшие возможность использования такого материала для экранирования высоковольтных аппаратов.
5. Расчеты электрического поля в условиях применения диэлектрического экранирования показывают возможность существенного (до 40%) снижения напряженности в воздухе, а также связанного с этим уменьшения габаритных размеров аппарата.
   

ЛИТЕРАТУРА

1. Röder R.F. 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. Munich, Germany, 2015.
2. Seifert J.M. New Concepts in Voltage Grading / Jens M. Seifert, Lapp Insulators GmbH, Wunsiedel, Germany // 2015 INMR World Congress, October 18–21. Munich, Germany, 2015.
3. Ярмаркин М.К., Титков В.В., Усольцев И.Ю. Высоковольтные электрические аппараты. Возможности диэлектрического экранирования // Новости ЭлектроТехники. 2016. № 4(100).