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.

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.

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.

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.