Высоковольтная изоляция конденсаторного типа

 

Использование: в высоковольтной технике. Сущность изобретения: высоковольтная изоляция содержит основные внешнюю 2 и внутреннюю 1 обкладки и расположенные между ними, выполненные в виде установленных с одинаковым уступом относительно друг друга манжет одинаковой длины из проводящего или полупроводящего материала промежуточные обкладки 3, образующие монотонно уменьшающиеся от внутренней основной обкладки к наружной слой изоляции 4. Толщина каждого слоя изоляции выбирается по указанному в формуле изобретения соотношению. 6 табл., 2 ил.

Изобретение относится к высоковольтной технике, а именно к изоляции конденсаторного типа для устройств высокого и сверхвысокого напряжения, и может быть использовано в конструкциях высоковольтных вводов, кабельных муфт, трансформаторах тока и подобных изоляционных устройствах в бумажно-масляной или твердой (полимерной) изоляцией.

Известны высоковольтные аппараты, содержащие бумажно-масляную изоляцию, в которой для выравнивания распределения напряжения установлены конденсаторные обкладки. Для снижения напряженности на краях конденсаторных обкладок установлены дополнительные промежуточные обкладки-манжеты. Таким образом, каждый основной слой изоляции подразделяется n-1 манжетами на n дополнительных слоев меньшей толщины.

Средняя допустимая напряженность на краю основных обкладок и манжет определяется по условию отсутствия частичных разрядов по формуле Е_доп. = А ˙ Δ^a , (1) где А, а - постоянные. Значение А зависит от вида испытательного напряжения и электрофизических свойств изоляции, а постоянная -1<а<0 зависит от конфигурации электрического поля на краю электрода. Например, для бумажно-масляной изоляции А=4 кВ/мм при рабочем напряжении, а=-0,58.

Установка манжет выравнивает поле на краю обкладки и позволяет тем самым поднять значение допустимого напряжения на слой между основными обкладками.

Известны конструкции, в которых промежуточные обкладки (манжеты) равной длины располагаются с равными зазорами между ними и с равными уступами (длина выступающей части основной обкладки или манжеты). При этом напряжение между дополнительными слоями изоляции распределяется неравномерно. Максимальное напряжение ложится на слой изоляции, ближайший к основной обкладке с наибольшим радиусом. При большом числе манжет степень неоднородности может быть достаточно большой и эффективность установки манжет становится невелика. Для оценки максимального коэффициента неоднородности может быть использовано приближенное выражение K_н=, где n - число дополнительных слоев между основными обкладками; η = λ / (l - λ); λ - длина уступа; l - полная длина манжет.

Более точно коэффициент неоднородности может быть рассчитан исходя из схемы замещения конструкции изоляции, учитывающей емкости между промежуточными обкладками (манжетами) и между манжетами и основными обкладками.

Учитывая равенство зазоров и выражение (1), допустимое напряжение на слой изоляции между основными обкладками может быть определен как U_доп= · AΔ^1+a , (2) где Δ - толщина дополнительного слоя изоляции.

Наиболее близким техническим решением к предложенной конструкции высоковольтной бумажно-масляной изоляции является конденсаторная изоляция с промежуточными обкладками, в которой промежуточные обкладки, имеющие одинаковую длину и одинаковые уступы, располагаются с неодинаковыми зазорами между ними так, чтобы падения напряжения на каждом дополнительном слое были бы одинаковыми. При этом толщины дополнительных слоев (зазоры) монотонно уменьшаются, как это следует из формул, вытекающих из анализа схемы замещения и требования равномерного распределения напряжения. При таком расположении манжет допустимое напряжение на слой изоляции между основными обкладками больше, чем при одинаковых зазорах.

Недостатком прототипа является то, что и при данном расположении промежуточных обкладок их электрическая нагрузка будет неравномерной. Это вытекает из того, что допустимое напряжение на дополнительный слой согласно формуле (1) определяется выражением Δ U_доп = A ˙ Δ^{1 + a} . (3) Так как постоянная а<0, то допустимое напряжение на дополнительный слой уменьшается с уменьшением толщины слоя Δ. Следовательно, при неодинаковых толщинах слоев и одинаковых падениях напряжения на дополнительных слоях суммарное допустимое напряжение на слой между основными обкладками U_доп = n˙ A Δ_мин^{1 + a} , (4) где Δ_мин - минимальная толщина дополнительного слоя.

Поэтому в изобретении предлагается такое расположение манжет, которое позволило бы привести в соответствие электрическую нагрузку каждого дополнительного слоя изоляции с приложенным к нему напряжением. Как и в прототипе расположение манжет осуществляется с разными зазорами между ними. Признаком, совпадающим с прототипом, является монотонное уменьшение толщины дополнительных слоев изоляции, однако принципиально новым является то, что путем выбора соответствующих геометрических размеров обеспечивается равенство приложенного напряжения на каждом дополнительном слое изоляции и допустимого напряжения согласно выражениям (1) и (3).

Целью изобретения является повышение допустимого (по условию ограничения уровня частичных разрядов) напряжения на слой между основными обкладками, снижение общей толщины или при той же толщине увеличение надежности высоковольтной изоляции конденсаторного типа.

Цель достигается тем, что высоковольтная изоляция конденсаторного типа, преимущественно бумажно-масляная, содержащая основные внешнюю и внутреннюю обкладки и расположенные между ними, выполненные в виде установленных с одинаковым уступом относительно друг друга манжет одинаковой длины из проводящего или полупроводящего материала промежуточные обкладки, образующие монотонно уменьшающиеся от внутренней основной обкладки к наружной дополнительные слои изоляции, при этом толщина каждого последующего слоя изоляции выбирается по соотношению Δ_j= + , где Δ_j - толщина каждого слоя изоляции; Δ_{j - 1} - толщина предыдущего слоя изоляции;
R_j, R_j-1 - радиусы дополнительных обкладок, образующих предыдущий слой изоляции,
j=2-n, где n - число дополнительных слоев;
Δ_i - толщина i-го слоя изоляции;
R_i+1, R_i - радиусы, образующие i-й слой изоляции;
а - коэффициент, характеризующий конфигурацию электрического поля на краю обкладки.

На фиг. 1 изображен элемент изоляции конденсаторного типа с дополнительными обкладками; на фиг. 2 показана схема замещения изоляции конденсаторного типа с дополнительными обкладками.

Высоковольтная изоляция конденсаторного типа содержит (фиг. 1) внутреннюю основную обкладку 1 радиуса R₁, внешнюю основную обкладку 2 радиуса R_n+1, n-1 дополнительные обкладки (манжеты) 3, образующие n дополнительных слоев толщиной Δ_i, причем i=2, 3,..., n, пространство между основными и дополнительными обкладками заполнено диэлектриком 4. Разность потенциалов между основными обкладками U, манжеты имеют длину l, длина уступа λ .

Распределение напряжения между дополнительными слоями обусловлено соотношением емкостей К_i между манжетами и С_i - емкостей с внутренних уступов на внутреннюю основную обкладку (фиг. 2), причем значения емкостей соответственно определяются формулами
= ;
. (5)
Тогда падение напряжения на каждом дополнительном слое из рассмотрения схемы замещения определяется следующим образом:
(6)
Для обеспечения равнонагруженности дополнительных слоев необходимо, чтобы значение допустимой напряженности на i-м слое Е_доп.iбыло равно максимальной напряженности на слое Е_i, т.е.

Е_доп.i=Е_i.

Из формулы (1)
Е_доп.i=А(R_i+1-R_i)^а . (7)
Как известно, максимальная напряженность в цилиндрическом конденсаторе определяется выражением
E_i= . (8)
Тогда из выражений (7) и (8)
U_i=A(R_i+1-R_i)^aR_iln. (9)
Для первого дополнительного слоя имеют
U₁=A(R₂-R₁)^aR₁ln.

Подставляя уравнение (9) в выражение (6), получают
A(R₃-R₂)^aR₂ln = U.

Раскрывая значения К₂, находят
R₃ = R₂ + [ U₁ ( C₁ + K₁ ) / AR₂ (l- λ) ]^1/a .

Аналогично
R₄ = R₃ + [ ( U₂K₂ + ( U₁ +U₂ )C₂ ) / A R₃ (l - λ) ] ^1/a или в общем виде
R_j=R_j-1+U_j-2K_j-2+CU/AR_j-1(l-λ).

Учитывая, что Δ_j =R_j+1-R _j;
U_i= ER_iln и E=E_gon.i=A(R_i+1-R_i)^a=AΔ^a_i, окончательно для любого j-го слоя имеют
Δ_j = + .

Использование изобретения позволит увеличить допустимое напряжение на слой между основными обкладками и при необходимости сделать одинаковыми допустимые напряжения по условиям в слабонеоднородном поле и на краю. На основании этого появляется возможность снижения общей толщины изоляции, например, при одинаковых слоях между основными обкладками. При заданном числе промежуточных обкладок изобретение позволяет получить максимально возможное по условию (1) напряжение на слой изоляции.

При заданных толщинах слоев между основными обкладками реализация изобретения позволит снизить электрическую нагрузку на изоляцию и увеличить ее надежность, увеличить время ее жизни, снизить интенсивность частичных разрядов в изоляции. Кроме того, изобретение может быть реализовано и для твердой (полимерной) изоляции, если для нее известно соотношение типа (1).

Для подтверждения эффективности изобретения были проведены сравнительные расчеты допустимых напряжений на слой между основными обкладками бумажно-масляной изоляции при разных вариантах расположения манжет: при одинаковых зазорах между манжетами, при одинаковом распределении напряжения по слоям между манжетами и при одинаковой электрической нагрузке - т.е. согласно изобретению.

Результаты расчетов представлены в табл. 1-6. В таблицах использованы следующие обозначения: L_n - длина основных обкладок или манжет; Del - толщина дополнительных слоев изоляции; R_n - радиус основных обкладок или манжет; V - величина уступа; U падение напряжения на дополнительном слоев изоляции; E_r и E_rd - соответственно радиальная и радиальная допустимая напряженность в дополнительном слое изоляции; U_доп- допустимое напряжение основного слоя.

В расчетах принято расчетное напряжение на основном слое U_р=36 кВ - табл. 1-3 и U_р= 100 кВ - табл. 4-6. Допустимая напряженность вычислялась согласно условию (1) E_rd= 12 (Del)^-0,58, что соответствует одноминутному испытательному напряжению частотой 50 Гц, а допустимое напряжение слоя вычислялось, как
U_доп= .

Расчеты показывают, что эффективность изобретения возрастает с ростом числа манжет.

Кроме того, толщины дополнительных слоев изоляции монотонно уменьшаются от внутренней основной обкладки к наружной, причем минимальный зазор Δ_мин всегда последний; величина Δ_мин регулируется отношением l/ λ; величина допустимого напряжения на слой изоляции между основными обкладками U_доп. не зависит от радиусов основных обкладок, а зависит от толщины слоя изоляции между ними; при одинаковой толщины слоя изоляции между основными обкладками для любого соотношения l/ λ=const толщина дополнительных слоев остается постоянной; в проведенных расчетах значение аксиальных напряженностей Е_а<Е. , однако, если это условие перестает выполняться, необходимо увеличить λ , оставив без изменения l/λ.

Формула изобретения

ВЫСОКОВОЛЬТНАЯ ИЗОЛЯЦИЯ КОНДЕНСАТОРНОГО ТИПА, преимущественно бумажно-масляная, расположенная между внешней и внутренней обкладками и содержащая выполненные в виде установленных с одинаковым уступом относительно одна другой манжет одинаковой длины из проводящего или полупроводящего материала промежуточные обкладки, образующие монотонно уменьшающиеся от внутренней основной обкладки к наружной слои изоляции, отличающаяся тем, что толщину Δ_j каждого слоя изоляции выбирают по соотношению
Δ_j= +
где Δ_j - толщина слоя изоляции;
Δ_j-1 - толщина предыдущего слоя изоляции;
R_j-1, R_j-2 - радиусы дополнительных обкладок, образующие предыдущий слой изоляции;
j =2 ÷ 0;
n - количество дополнительных слоев изоляции;
R₁ - радиус внутренней обкладки;
l - длина дополнительной обкладки;
λ - длина уступа;
Δ_i-1 - толщина i-го слоя изоляции;
R_i, R_i-1 - радиусы дополнительных обкладок, образующих i-й слой изоляции;
i= 1 ÷ (j-1);
d = -1 ÷ 0 - коэффициент, характеризующий материал изоляции.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5