Диэлектрическое экранирование в высоковольтных электрических аппаратах.
Аннотация
 
Петербургские авторы рассматривают возможность управления электриче-ским полем в воздушной изоляции методом диэлектрического экранирования с ис-пользованием диэлектрических экранов с высокой диэлектрической проницаемо-стью, а также обладающих свойством нелинейной проводимости.
Авторы
 
Михаил Ярмаркин, к.т.н., Петербургский энергетический институт повышения квалификации.
Василий Титков, д.т.н.
Игорь Усольцев, Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого
 
Автор приводит способ расчета снижения ресурса линий в процессе эксплуатации относительно исходного или предыдущего технического состояния.

В современных электрических аппаратах высокого напряжения в качестве га-зовой изоляции широко используется шестифтористая сера (элегаз), а также смеси на основе элегаза под давлением 0,1–1,5 МПа. Это позволяет достичь уровня элек-трической прочности до 30 кВ/мм и более, и создавать высоковольтное оборудова-ние в разумных габаритах, размещая их в внутри замкнутых металлических оболо-чек.

Существует, однако, обширный класс оборудования, использующего не про-водящие, а изолирующие оболочки, выполненные их фарфора или стеклопластика. В этом случае электрическое поле не может быть полностью сконцентрировано внутри проводящей оболочки, но через стенку изолирующей оболочки выходит так-же в воздух и может привести к перекрытиям по внешней поверхности.

Петербургские авторы рассматривают возможность управления электриче-ским полем в воздушной изоляции методом диэлектрического экранирования с ис-пользованием диэлектрических экранов с высокой диэлектрической проницаемо-стью, а также обладающих свойством нелинейной проводимости.

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 нелиней-ного интенсивного роста проводимости в сильном электрическом поле можно использовать для создания диэлектрических экранов в высоковольтных 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 исполь-зуемыми полимерными и керамическими элементами высоковольтной изоляции.

Можно указать, по меньшей мере, на два примера использования диэлектрического экранирования в высоковольтной технике.

Прежде всего, это полимерная лента-регулятор в кабельных муфтах с главной изо-ляцией из сшитого полиэтилена классов напряжения 6-10 кВ 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 указыва-ет на возможность применения таких материалов и технологий для изготовления газона-полненных вводов класса напряжения до 500 кВ.

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 освоено только за рубежом. К первым относится материал с относительной диэлектрической про-ницаемостью ε=10, не обладающий проводимостью. Такой материал использован для ил-люстрации возможностей ДЭ в газонаполненном вводе класса 110 кВ. К вторым – матери-ал с ε=800 и нелинейной проводимостью, использованный для экранирования трансфор-матора тока класса 750 кВ.

При иллюстрации возможностей применения диэлектриков с нелинейной проводи-мостью также использованы существенно различные параметры. Пороговое значение напряженности, соответствующее переходу от отсутствия проводимости к состоянию про-водника, изменялось от 2-3 кВ/см до 6-9 кВ/см (легированный оксид цинка в составе со-временных 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 иллюстриру-ется на примере стилизованной конструкции газонаполненного ввода класса 110 кВ, пока-занной на рис. 1.

Расчетная область модельной задачи включает в себя высоковольтный токоведу-щий стержень и заземленный фланец, изолирующий промежуток между которыми запол-нен газом с высокой электрической прочностью (например, элегазом). Конструкция снаб-жена изолирующей оболочкой, изготавливаемой из фарфора или стеклопластика. В обыч-ных конструкциях роль оболочки сводится к поддержанию герметичности внутреннего объ-ема ввода и обеспечению его механической прочности. Управляя диэлектрическими свой-ствами материала оболочки (диэлектрической проницаемостью и проводимостью) можно, кроме того, эффективно управлять также электрическим полем в воздухе, то есть электри-ческой прочностью при перекрытиях вдоль внешней поверхности оболочки.

На рис. 1a показаны силовые линии электрического поля в этом промежутке при по-тенциале стержня, равном 550 В (амплитуда грозового импульса при испытаниях изолято-ров по ГОСТ 1516.3), рассчитанные для характерной для грозового импульса частоте из-менения электрического поля. На рис. 1a границы оболочки показаны условно, ее диэлек-трическая проницаемость принята равной единице и наличие такой оболочки никак не влияет на формирование электрического поля. Как видно на рис. 1a, силовые линии выхо-дят за пределы оболочки в атмосферный воздух. При практической реализации газона-полненных вводов именно уровень напряженности на внешней поверхности оболочки в воздухе определяет минимальный радиус оболочки.

В том случае, если оболочка или ДЭ обладает повышенной диэлектрической прони-цаемостью ε, силовые линии электрического поля искажаются как показано на рис. 1б при ε=4,5 (фарфор) и 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 ме-няется. Напряженность поля на внешней поверхности ДЭ при этом существенно уменьша-ется, что дает возможность уменьшить радиус оболочки, сделав конструкцию значительно меньшего размера.

Рис. 1.a.
Рис. 1.б.
Рис. 1.в.
Рис. 1.г.
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.

Влияние свойств оболочки – ДЭ на напряженность в воздухе на внешней поверхно-сти 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, 2 – рис. 1б, 3 – рис. 1в, 4 – рис. 1г. (кликабельно)

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

Практическое применение находят ДЭ, проводимость которых зависит от напряжен-ности и быстро возрастает при росте напряженности. При рабочем напряжении проводи-мость 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 прово-димости в материале экрана и таких связанных с этим явлениях, как нагрев, электрохими-ческие реакции, деструкция материала и т.п. В то же время при кратковременных перена-пряжениях напряженность электрического поля в теле экрана возрастает, что приводит к росту проводимости, перераспределению электрического поля и ограничению дальнейше-го роста напряженности.

Разумеется, что 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 использовались характерная для варисторов степенная зависимость удельной объемной проводимости σ, См/м, от величины напряженности электрического поля E, В/м, имеющая вид:

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 напряженно-сти, возникающей при перенапряжениях. Известно что, меняя состав материала ДЭ и тех-нологию 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 (, , , ). Эта зависимость показана на рис. 3 (кривая 1).

Рис. 3. Зависимость удельной объемной проводимости σ от напряженности электрического поля E 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 кривой 4 рис. 2. Как видно на рис. 1г, использование такого экрана позволяет эффективно концентрировать силовые линии внутри оболочки. Это приводит к выравниванию распре-деления напряженности вдоль ДЭ и к существенному снижению максимального значения напряженности в воздухе. Кривая 4 на рис. 2 описывает практически равномерное распре-деление 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 ди-электрической проницаемостью оказывает существенное влияние на структуру электриче-ского 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 высоковольтно-го металлического корпуса 4 и изолирующей оболочки – полого опорного изолятора 5.

Такая конструкция практически воспроизводит газонаполненный ввод с той разни-цей, что в данном случае внутренний электрод заземлен, а внешний находится под дей-ствием высокого потенциала. Сходство усиливается наличием внутреннего высоковольт-ного 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.

Рис. 4. Схема конструкции измерительного трансформатора тока серии ТГФ: 1 – экран токоведущей шины, 2 – вторичная обмотка, 3 – опорная труба, 4 – ме-таллический корпус, 5 – изолирующая оболочка, 6 – внутренний высоковольтный экран. Овалом указана область сильного поля в месте выхода на внешнюю поверхность оболочки.(кликабельно)

На рис. 5-6 показана структура электрического поля вблизи нижней кромки внутрен-него 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 ∙ √2 = 1173 кВ (уровень изоляции «а», ГОСТ 1516.3).

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.

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

Рис. 5. Картина эквипотенциалей при отсутствии диэлектрического экрана (фрагмент), r = 300 мм.
Рис. 6. Линии равной напряженности при отсутствии диэлектрического экрана.

На рис. 7 показан график распределения напряженности по внешней поверхности оболочки в воздухе (кривая 1). Видно, что максимум напряженности при выбранных разме-рах конструкции достигает уровня 23,9 кВ/см (39,7 кВ/мм при амплитуде грозового импуль-са 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.(кликабельно)

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 проница-емость принята равной ε = 800.

Результаты выполненных расчетов показаны картиной линий равной напряженности на рис. 8 и графиками рис. 7. Как видно на рис. 8, относительно тонкий слой ДЭ (принятая толщина слоя составляет в данном случае 0,5 мм и 1 мм) 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.(кликабельно)

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

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

Рис. 9. Форма ребер на внешней поверхности изолирующей оболочки.(кликабельно)

Результаты расчетов электрического поля с учетом оребрения оболочки иллюстри-рованы 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 нелиней-ной проводимостью.
Рис. 11. Фрагмент зависимостей рис. 10 вблизи максимальных значений напря-женности.

Как видно на рис. 10, 11, напряженность на внешней поверхности существенно зави-сит от положения точки на поверхности ребра. Кривые рис. 10,11 обладают большим коли-чеством 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 ну-левой проводимостью и высокой диэлектрической проницаемостью (σ = 0, ε = 800, синие кривые). Использование эффекта нелинейной проводимости (σ = var, ε = 800, красные кри-вые) позволяет снизить пиковый уровень до 0,9 кВ/мм.

Выводы:

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 выклю-чателей. Также возможно применение диэлектрического экранирования для изготовления опорных и подвесных композитных изоляторов, что позволит выравнивать распределение напряженности вдоль внешней поверхности, повышая электрическую прочность при воз-действии перенапряжений.

  • Диэлектрическое экранирование представляет эффективную возможность снижения напряженности на внешней поверхности изолирующих оболочек в воздухе в та-ких аппаратах, как элегазовые трансформаторы тока, газонаполненные вводы, колонковые выключатели и т.п.
  • Применение диэлектрического экранирования позволяет на 40% и более сни-зить напряженность на внешней поверхности изолирующей оболочки в воздухе, суще-ственно уменьшить размеры и стоимость аппаратов.
  • Для создания диэлектрических экранов целесообразно использовать матери-алы с высокой диэлектрической проницаемостью, либо обладающие способностью пере-ходить в проводящее состояние при воздействии сильного электрического поля.
  • Диэлектрическое экранирование позволяет управлять параметрами электри-ческого поля на внешней поверхности изолирующих оболочек в воздухе, не изменяя рас-пределения 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, Wun-siedel, Germany. 2015 INMR World Congress, October 18 - 21, 2015, Munich Germany

Bottom Logo

Портал ЭлеЭкспо – это информационное интернет-издание в области электротехники, электроэнергетики и автоматизации.

Основная задача Портала — это оперативное информирование о новинках, которые были или только будут представлены на крупнейших российских и зарубежных электротехнических выставках.

Follow Us:

Контакты:
  • Телефон, e-mail:

    +7 921 7871 350, Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

Bottom Logo