Способ определения оптимального числа секций секционированного изолятора



Способ определения оптимального числа секций секционированного изолятора
Способ определения оптимального числа секций секционированного изолятора
Способ определения оптимального числа секций секционированного изолятора
Способ определения оптимального числа секций секционированного изолятора
Способ определения оптимального числа секций секционированного изолятора
Способ определения оптимального числа секций секционированного изолятора
Способ определения оптимального числа секций секционированного изолятора
Способ определения оптимального числа секций секционированного изолятора
Способ определения оптимального числа секций секционированного изолятора

 


Владельцы патента RU 2581617:

Федеральное Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники" (RU)

Изобретение относится к изготовлению секционированных проходных изоляторов. В способе определения оптимального числа секций N секционированного изолятора заданной высоты H, выполненного в виде чередующихся кольцевых, дисковых или цилиндрических элементов из изоляционного материала и прокладок из проводящего материала заданной толщины b, предварительно снимают зависимость пробивного напряжения U по поверхности диэлектрика, помещенного в вакуум, от толщины диэлектрика d, аналитическое описание которой представляют в виде степенной функции U=kdα, и, используя полученные при снятии зависимости пробивного напряжения по поверхности диэлектрика от его толщины экспериментальные данные, определяют коэффициенты k и α в упомянутой функции. Заявляемый способ имеет более высокую точность определения оптимального числа секций в изоляторе, что позволяет при заданной высоте изолятора H и заданной толщине градиентной прокладки b получить максимально возможное пробивное напряжение для указанных габаритов изолятора. 1 ил., 3 табл.

 

Изобретение относится к электротехнической технике, а именно к изготовлению секционированных проходных изоляторов.

Известно, что пробивная напряженность поверхности диэлектрика в вакууме возрастает с уменьшением толщины испытуемого на электрическую прочность образца. Указанное положение находит свое отражение в конструкциях высоковольтных изоляторов, применяемых в высоковольтных трансформаторах, ускорительной технике и т.д. [1].

С целью повышения электрической прочности изоляторов последние делят на множество секций проводящими градиентными кольцами. При этом применяют цилиндрическую или дисковую форму элементов секций. Высоту секций в этих конструкциях изоляторов определяют, как правило, исходя из большого объема экспериментальных исследований, что связано со значительным расходом времени и материалов, идущих на изготовление испытуемых образцов изоляторных секций. Кроме того, полученный при исследованиях результат не гарантирует создания конструкции секционированного изолятора с оптимальными габаритами.

Известен способ выбора высоты диэлектрического кольца в секционированном изоляторе по графику зависимости поверхностного пробивного напряжения изоляционного материала от толщины испытуемого образца [2]. Этот способ заключается в том, что набор образцов из одинакового изоляционного материала разной толщины подвергают испытанию на электрическую прочность поверхности в какой-либо среде, строят зависимость пробивного напряжения от толщины образца, определяют на этой зависимости точку изменения наклона кривой и толщину изоляционного кольца секционированного изолятора выбирают такой, чтобы она не превышала толщины образца, при которой снятая зависимость меняет свой наклон.

Известный способ не позволяет выбрать для проходного изолятора конкретную толщину диэлектрического кольца в секции, которая обеспечила бы получение максимальных пробивных градиентов при заданной высоте изолятора.

Оптимальная толщина диэлектрика в секционированных изоляторах зависит от толщины градиентных прокладок, материала диэлектрика и конструктивных особенностей изолятора. Поэтому для каждой конкретной конструкции проходного изолятора должна быть определена конкретная оптимальная толщина секционного кольца, а следовательно, и количество колец в конструкции.

Наиболее близким к заявляемому является способ определения оптимального числа секций секционированного изолятора [3].

Способ-прототип заключается в том, что известным способом определяют среднюю пробивную напряженность Ei изоляционного слоя высотой H и среднюю пробивную напряженность En набора из n произвольных, но равных по толщине изоляционных слоев, разделенных градиентными прокладками толщиной b, причем высота набора должна равняться H, после чего определяют оптимальное количество секций по формуле

где N - оптимальное количество секций в изоляторе;

H - высота изолятора;

b - толщина градиентной прокладки;

Ei - средняя пробивная напряженность не секционированного слоя высотой H;

En - средняя пробивная напряженность произвольно секционированного слоя высотой H;

n - количество изоляционных слоев, произвольных и равных по толщине в наборе высотой H.

Следует отметить, что выбор толщины градиентного кольца диктуется условиями эксплуатации всего изолятора, технологией его сборки. В частности, при определении b учитывают электрическую прочность среды, окружающей изолятор, требования к механической прочности кольца.

Недостатком способа-прототипа является низкая точность определения оптимального числа секций в изоляторе, что не позволяет при заданной высоте изолятора H и заданной толщине градиентной прокладки b получить максимально возможное пробивное напряжение для указанных габаритов изолятора. Кроме того, способ-прототип достаточно сложен и требует для своего воплощения, особенно для изоляторов с большими габаритами, изготовления испытательного стенда со сверхвысоким источником напряжения, что не всегда возможно воплотить в жизнь.

Техническая задача, поставленная в рамках настоящего изобретения, заключается в том, чтобы упростить способ и повысить точность определения оптимального количества секций в изоляторе, что позволит получить максимальное значение пробивного напряжения для заданных габаритов изолятора.

Поставленная задача решается тем, что в способе определения оптимального числа секций N секционированного изолятора заданной высоты H, выполненного в виде чередующихся кольцевых, дисковых или цилиндрических элементов из изоляционного материала и прокладок из проводящего материала заданной толщины b, предварительно снимают зависимость пробивного напряжения U по поверхности диэлектрика, помещенного в вакуум, от толщины диэлектрика d, аналитическое описание которой представляют в виде степенной функции U=kdα, и, используя полученные при снятии зависимости пробивного напряжения по поверхности диэлектрика от его толщины экспериментальные данные, определяют коэффициенты k и α в упомянутой функции, после чего находят оптимальное количество секции в изоляторе по выражению N = H ( 1 α ) b , после чего определяют уровень предельного максимального напряжения Uд изолятора по уравнению:

На чертеже представлена зависимость пробивного напряжения поверхности пирексовых колец от их толщины.

Сущность изобретения заключается в следующем. Пробивное напряжение поверхности любого диэлектрика в любой среде, и, в частности, в вакууме достаточно точно можно описать в виде степенной функции, имеющей вид

Выражение 1 для секционированного изолятора, имеющего n секций, можно переписать в виде:

где U1 - пробивное напряжение одной секции толщиной d1, d 1 = H b n n ; U 1 = k ( H b n n ) α .

Для определения оптимального числа секций в секционированном изоляторе найдем максимум значения U. Для этого продифференцируем выражение 2 и приравняем значение производной к 0.

Преобразовав выражение (3), получим:

Из уравнения (4) после преобразования получим:

Из выражения (5) следует:

Коэффициенты k и α в выражении (1) для каждого конкретного случая можно рассчитать методом наименьших квадратов, используя экспериментальные значения, полученные при снятии зависимости пробивного напряжения U от толщины диэлектрика d.

Рассмотрим определение указанных коэффициентов на примере пирексовых колец, помещенных в вакуум. Экспериментальные значения пробивных напряжений U пирексовых колец от их толщины d приведены в таблице 1 и отображены на чертеже кружками.

Для упрощения нахождения коэффициентов k и α в формуле 1 линеаризуем уравнение, для чего прологарифмируем указанное выражение и получим:

Введем обозначения y=lnU, b0=lnk, x=lnd. С учетом введенных обозначений уравнение 7 можно записать в виде:

Коэффициенты b0 и α в уравнении (8) с использованием метода наименьших квадратов могут быть определены по выражениям (9) и (10), взятым из работы [4].

Для расчета численных значений коэффициентов b0 и α используем таблицу 2.

Подставив численные значения в формулы (9) и (10), получим:

проведя потенцирование, получим:

k=7,648

Окончательный вид уравнения (1) после подстановки в него численных значений k=7,648 и α=0,4187 примет вид:

На чертеже черными квадратиками обозначены расчетные значения напряжения из пирексовых колец, определяемого по выражению (11). Как следует из чертежа, расчетные значения пробивного напряжения от толщины изолятора по формуле (11) практически полностью совпадают с экспериментальными значениями, т.е. адекватно описывают эксперимент.

Примером конкретного осуществления заявляемого способа является расчет оптимального количества секций в секционированном изоляторе высотой H=300 мм и толщиной b=3 мм по формуле (6):

Толщина одной секции d1 будет равна:

Предельно допустимое напряжение такого секционированного изолятора определим по формуле (2):

Рассчитанное предельное значение напряжения Uд=613,6 кВ указывает на то, что данный изолятор может быть использован в установках, рабочее напряжение которых не превышает напряжение Uд.

Для наглядности в таблице 3 приведены значения пробивного напряжения секционированного изолятора высотой H=300 мм и толщиной градиентной прокладки b=3 мм при различном количестве секций n в нем. Расчет производили по формуле (2) с использованием выражения (11). Из таблицы 3 наглядно видно, что при дроблении изолятора на секции пробивное напряжение всей конструкции изолятора имеет максимальное значение при оптимальном количестве секций N=nопт=58.

Сравним полученное значение пробивного напряжения с пробивным напряжением такого же по габаритам изолятора, но выполненного по способу-прототипу. Для сравнения возьмем цифры из примера конкретного выполнения, приведенные в [3].

Определим оптимальное число секций по выражению, приведенному в способе-прототипе:

Толщина dспрот одной секции изолятора, выполненного по способу-прототипу, будет равна:

Величина пробивного напряжения секционированного изолятора, выполненного по способу-прототипу, будет равна:

На фиг. 1 способа-прототипа [3] изображен слой изолятора высотой H (например, H=300 мм); на фиг. 2 способа-прототипа [3] - набор произвольных и равных по толщине изоляционных слоев количеством n (например, n=12) общей толщиной H, толщина разделяющих градиентных прокладок равна b (например, b=3 мм); на фиг. 3 способа-прототипа [3] - секционированный изолятор высотой H (например, H=300 мм). Способ-прототип осуществляют следующим образом. Определяют с помощью известных устройств (делителя напряжения, осциллографа или киловольтметра) среднюю пробивную напряженность изоляционного слоя 1 высотой H (например, Ei=l кВ/см) (см. способ-прототип, фиг. 1). Затем также измеряют среднюю пробивную напряженность набора произвольных и равных по толщине изоляционных слоев (см. способ-прототип, фиг. 2), например, для набора высотой H=300 мм, состоящего из двенадцати пирексовых колец, разделенных градиентными прокладками 2 толщиной b=3 мм; En=3,8 кВ/см. Набор расположен между высоковольтными электродом 3 и заземленным фланцем 4. Измеренные Ei, En подставляют в формулу, по которой определяют оптимальное количество секций:

Если подставить цифры, следующие из способа-прототипа: N=35; dпрот=5,57; N=35 секций, в формулу (2), то получим Uпрот=549,5 кВ. Как следует из приведенных цифр, заявляемый способ, по сравнению со способом-прототипом, позволяет повысить пробивное напряжение приведенного в примере изолятора высотой H=300 мм и толщиной градиентной прокладки b=3 мм на 11,7%.

Таким образом, заявляемый способ по сравнению со способом-прототипом имеет более высокую точность определения оптимального числа секций в изоляторе, что позволяет при заданной высоте изолятора H и заданной толщине градиентной прокладки b получить максимально возможное пробивное напряжение для указанных габаритов изолятора. Кроме того, заявляемый способ, по сравнению со способом-прототипом, достаточно прост и не требует для своего воплощения, особенно для изоляторов с большими габаритами, изготовления испытательного стенда со сверхвысоким источником напряжения, что не всегда возможно воплотить в жизнь. В частности, в рассмотренных нами примерах для реализации заявляемого способа достаточно того, чтобы экспериментальная высоковольтная установка позволяла получать напряжение, не превышающее 30÷35 кВ. Тогда как для реализации способа-прототипа, необходимо, как это следует из таблицы 3, чтобы экспериментальная установка имела возможность экспериментировать при напряжениях 450÷500 кВ, что более чем на порядок выше напряжения, необходимого для реализации заявляемого способа.

Предлагаемый способ позволяет, не меняя габаритов изолятора, путем определения оптимального количества секций повысить его электрическую прочность не менее чем на 11,7%. Кроме того, при заданном рабочем напряжении изолятора выбором оптимального количества его секций можно добиться сокращения габаритов и уменьшения стоимости изолятора.

Источники информации

1. Патент США №2082474, опубл. 1937.

2. Раховский В.Н. Физические основы электрического тока в вакууме. М.: «Наука», 1970, с. 57.

3. А.с. 758266. Способ определения оптимального числа секций секционированного изолятора / Смирнов Г.В., Кассиров Г.М., Планкин Ю.В. - Опубл. в БИ 23.08.80, №31 (прототип).

4. Смирнов Г.В., Смирнов Д.Г. Моделирование и оптимизация технологических процессов РЭС: Учебное пособие. - Томск: Издательство Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники, 2007. - C. 66-67.

Способ определения оптимального числа секций N секционированного изолятора заданной высоты H, выполненного в виде чередующихся кольцевых, дисковых или цилиндрических элементов из изоляционного материала и прокладок из проводящего материала заданной толщины b, отличающийся тем, что снимают зависимость пробивного напряжения U по поверхности диэлектрика, помещенного в вакуум, от толщины диэлектрика d, аналитическое описание которой представляют в виде степенной функции U=kdα, и, используя полученные при снятии зависимости пробивного напряжения по поверхности диэлектрика от его толщины экспериментальные данные, определяют коэффициенты k и α в упомянутой функции, после чего находят оптимальное количество секций в изоляторе по выражению , после чего определяют уровень предельного максимального напряжения Uд изолятора по уравнению



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к электроэнергетическим устройствам и может быть использовано для передачи электрической энергии посредством кабелей, проводов, жгутов различных конструкций в герметичных системах.

Изобретение относится области электротехники, а именно к конструкции кабельного ввода, использующегося в ракетной технике при строительстве специальных фортификационных сооружений и предназначенного для обеспечения связи в диапазоне частот от 0,5 до 10 ГГц.

Изобретение относится к герметичным кабельным вводам электрических проводников в электрооборудовании глубоководных аппаратов, при изготовлении объектов аэрокосмической техники, для ввода электрической энергии в герметичные помещения, например, в атомных электростанциях, для этого кабельный ввод содержит металлический цилиндрический корпус, который выполнен единой конструкцией с внутренней упорной пластиной, в которой имеются отверстия для электрических проводников, а токопроводящие контакты между собой и корпусом изолируются путем заполнения полимерным компаундом.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к электрическим изоляторам, предназначенным для использования в конструкциях генераторов высокого напряжения, в ускорителях заряженных частиц и в других вакуумных высоковольтных установках.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к электрическим изоляторам, предназначенным для использования в конструкциях генераторов высокого напряжения, в ускорителях заряженных частиц и в других вакуумных высоковольтных установках.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к электрическим изоляторам, предназначенным для использования в конструкциях генераторов высокого напряжения, в ускорителях заряженных частиц и в других вакуумных высоковольтных установках.

Гермоввод // 2538093
Изобретение относится к области изготовления миниатюрных гермовводов и может быть использовано во всех изделиях электровакуумного приборостроения. Гермоввод состоит из наружного корпуса, в котором установлено не менее одного неметаллизированного изолятора, внутри которого размещен один или несколько токовводов, при этом между каждым токовводом и каждым изолятором, каждым изолятором и наружным корпусом образованы зазоры, заполненные путем капиллярного течения активным медно-титановым припоем, посредством которого соединены все элементы гермоввода.

Изобретение относится к устройству высокого напряжения для обеспечения электрической изоляции проводника, проходящего через устройство. Устройство содержит полый изолятор; проводник, проходящий через полый изолятор; компоновку для уменьшения градиента поля, включающую в себя сердечник конденсатора и экран выравнивания напряжения.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к проходным изоляторам, предназначенным для ввода электрического тока или напряжения внутрь зданий или корпусов электрических устройств.

Электрический проводник (S) предназначен для пропускания номинального тока в сильноточном проходном изоляторе трансформатора электростанций, расположенном в токовой цепи между генератором и первичными обмотками трансформатора в прерывателе генератора.

Проходной элемент для прохода функционального элемента через отверстие электрически изолированным образом, при этом проходной элемент пригоден для использования в условиях окружающей среды с температурами выше 260°С и/или давлением выше 289,6 МПа (42000 фунтов/дюйм2), при этом проходной элемент включает в себя опорный корпус, по меньшей мере, с одним отверстием для прохода, в котором расположен, по меньшей мере, один функциональный элемент в электрически изолирующем фиксирующем материале; электрически изолирующий материал электрически изолирует функциональный элемент от опорного корпуса, при этом электрически изолирующий материал содержит стекло или стеклокерамику с удельным объемным сопротивлением более 1,0·1010 Ом.см при температуре 350°C. Указанное стекло или стеклокерамика имеет определенный диапазон составов в системе SiO2-B2O3-MO. Изобретение обеспечивает высокие электроизоляционные свойства проводника.. 6 н. и 18 з.п. ф-лы, 10 ил.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к изготовлению секционированных проходных изоляторов. В способе определения оптимального числа секций в проходном высоковольтном вакуумном изоляторе, выполненном в виде чередующихся кольцевых, дисковых или цилиндрических элементов из изоляционного материала и прокладок из проводящего материала заданной толщины b, предварительно снимают зависимость пробивного напряжения по поверхности элемента из изоляционного материала, помещенного в вакуум, от толщины d указанного элемента, строят график снятой зависимости, аппроксимируют построенный график степенной функцией вида U=kdα, определяют коэффициенты k и α в упомянутой зависимости, используя экспериментальные данные, полученные при снятии зависимости пробивного напряжения по поверхности элемента из изоляционного материала от его толщины, затем рассчитывают оптимальную толщину и количество секций по определенным зависимостям. При заданном рабочем напряжении изолятора выбором оптимального количества его секций можно добиться сокращения габаритов и уменьшения стоимости изолятора. 4 ил., 2 табл.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к высоковольтной импульсной технике, и может быть использовано при проектировании высоковольтных секционированных изоляторов для вакуумных камер. Новым является то, что в проходной секционированный изолятор, содержащий два плоских электрода, один из которых имеет по оси отверстие, расположенные между ними чередующиеся между собой изоляционные слои в виде колец и электропроводящие прокладки, и электропроводящие экраны в виде цилиндров, соединенных с внутренней поверхностью прокладок и направленных в сторону другого электрода, экраны выполнены из электропроводной тонкостенной ленты в виде сильфонов с двойными стенками. Изобретение обеспечивает возможность изменять электрическую прочность в широких пределах, добиваясь ее оптимального значения. 2 ил.
Наверх