Пленочная изоляция, пропитанная SF6, является одним из наиболее перспективных видов изоляции трансформаторов и конденсаторов. Проведенные исследования электрической прочности и характеристик ЧР пока бывают, что такая комбинированная изоляция в полной мере позволяет использовать высокие электрические свойства как тонких полимерных пленок, так и элегаза. Разработана методика расчета напряжения возникновения ЧР, которая использована для расчета реальных конструкций. Исследовано влияние на электроизоляционные характеристики таких факторов, как давление газа, толщина изоляции и отдельных пленок, материал пленки, время воздействия напряжения и т. д.
УДК 621.315.618.9:621.316.5
В. Н. Вариводов, А. А. Демкин
ПРИМЕНЕНИЕ ПЛЕНОЧНОЙ ИЗОЛЯЦИИ, ПРОПИТАННОЙ SF6, ДЛЯ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ АППАРАТОВ
Среди требований, предъявляемых к современным высоковольтным аппаратам, наиболее важные — высокая надежность, минимальные массогабаритные и стоимостные показатели, пожаро- и взрывобезопасности, технологичность при изготовлении и обслуживании.
Выполнению этих требований безусловно способствует разработка изоляционных узлов аппаратов высокого напряжения с использованием современных материалов или их композиций. Среди многообразия возможных решений весьма перспективным, особенно для трансформаторов и вводов, представляется создание изоляционных узлов на основе полимерных пленочных материалов, пропитанных элегазом [1—3].
Одним из условий при выборе рабочих градиентов напряжения в изоляции является отсутствие в ней частичных разрядов (ЧР), уровень которых превышает допустимый, поэтому большое значение имеет определение напряжения появления ЧР при различных толщинах изоляции и давлениях элегаза.
Рис. 1. Конструкция испытуемых образцов:
1, 3, 4 — внутренний, внешний и дюралюминиевые электроды; 2 — пленочная изоляция; 5 — испытуемые пленки; 6 — эпоксидный компаунд; 7, 8 — диэлектрические диски и шпильки
Исследования проводились на образцах двух типов (рис. 1). Один (см. рис. 1,а) представлял собой дюралюминиевый цилиндр диаметром 24 мм, на который наматывалась изоляция в виде ленты шириной 12—15 мм. Намотка проводилась внахлест со степенью перекрытия 0,5. Высоковольтный электрод выполнен медным эмалированным проводом диаметром 0,35 мм. Другой образец (см. рис. 1,б) представлял собой пленки размером 70x70 мм, находящиеся между электродами, изготовленными из эпоксидного опорного изолятора. В одной из пленок делалось отверстие диаметром 10—12 мм. Электроды стягивались при помощи диэлектрических дисков и шпилек.
Исследовалась полиамидная пленка толщиной 30 мкм с двусторонним фторопластовым покрытием ПМФ-352 [4] толщиной 10 мкм. Для обработки экспериментальных данных и проведения расчетов необходимо знать относительную диэлектрическую проницаемость пленки ε. Приведенное в [4] значение ε=2,7, очевидно, не является точным, так как дано вне зависимости от толщины пленки и покрытия и от того, каково это покрытие — одно- или двустороннее.
Для пленки с номинальной толщиной основы 30 мкм и двусторонним покрытием толщиной по 10 мкм с учетом допусков по толщине и расхождения значений диэлектрической проницаемости для полиимида (ε = 3,0—3,4) получаем диапазон значений эквивалентной относительной диэлектрической проницаемости для композиционного диэлектрика εэкв = 2,3—2,8 [5].
При экспериментальном определении диэлектрической проницаемости для примененной в исследованиях партии пленки получено значение ε = 2,35, которое и принято в дальнейшем при расчетах.
Напряжение возникновения ЧР в зависимости от давления элегаза и толщины изоляции измерялось в специальной камере, которая заполнялась SF6 при давлении 0,1—0,6 МПа. Перед заполнением камера вакуумировалась в течение 2—3 ч. Время пропитки элегазом, в зависимости от конструкции образца и толщины изоляции, составляло 2—24 ч. Напряжение возникновения ЧР измерялось в соответствии с рекомендациями МЭК (Публ. 270). Чувствительность схемы измерения ЧР равнялась 5-10-14 Кл.
Результаты исследований приведены на рис. 2—4. Из данных, представленных на рис. 2, можно видеть, что для обоих видов образцов в исследованном диапазоне давлений и толщин изоляции (0,2—2 мм) сохраняется практически линейная зависимость напряжения возникновения ЧР от давления.
На рис. 3 приведены данные, о зависимости Uчр от произведения давления элегаза на толщину изоляции (P-d) для цилиндрических образцов. Средние значения здесь описываются уравнением:
(1) где Р — давление элегаза, МПа; d — толщина изоляции, мм. Коэффициенты k и а зависят от используемого материала и конфигурации поля, в данном случае они равны 12 и 0,6. Выражение (1) совпадает с зависимостью Ечр = f(P-d), полученной рядом авторов [2, 6] для различных материалов.
Рис. 3. Зависимость напряжения возникновения ЧР от произведения давления элегаза на толщину изоляции
Рис. 4. Влияние толщины изоляции на напряжение возникновения ЧР
Для проведения расчета зависимости напряжения возникновения ЧР от давления и толщины изоляции приняты следующие предположения [7]: ЧР возникает при выполнении в газовой полости условия самостоятельности разряда;
поле в газовой полости принимается однородным по силовой линии.
Для образцов с однородным полем и плоским газовым включением, расположенным перпендикулярно силовым линиям поля (см. рис. 1,б), расчет может быть выполнен аналитически.
Условие самостоятельности разряда в элегазе записываем следующим образом [8]:
газовой полости, равная в данном случае толщине пленки; Nk— критическое число электронов в лавине, Nk=106—108.
Напряженность электрического поля в газовой полости в образцах рис. 1,б определяется следующим образом: Ес=kyхU/d∑, где ky — коэффициент усиления поля в полости; U — приложенное напряжение; d∑ — суммарная толщина изоляции.
Коэффициент усиления поля для данного случая равен:
(4)
где dг — суммарная толщина газовых включений 
, dnл — суммарная толщина пленок; 
— диэлектрические проницаемости элегаза и пленки соответственно.
Решая совместно уравнения (2—4), получаем зависимость напряжения возникновения ЧР от толщины пленки и давления элегаза для однородного поля:
(5)
Сопоставление результатов расчета с экспериментально полученными данными рис. 2, а подтверждает справедливость принятых предположений.
Для расчета напряжения возникновения ЧР для образцов рис. 1,а необходимо выбрать расчетную модель. Принципиально возможны три положения провода на пленочной изоляции: провод лежит на пленке (см. рис. 1,в), прилегает к ее торцу (см. рис. 1,г), лежит на ее краю (см. рис. 1,д).
Для всех этих случаев проведен расчет электрического поля на ЭВМ БЭСМ-6 и проверено выполнение условия самостоятельности разряда. При этом установлено, что наиболее тяжелым является случай «провод лежит на краю пленки».
На рис. 4 представлены результаты расчета напряжения возникновения ЧР при различных давлениях элегаза и толщинах изоляции. Теоретические и экспериментальные данные достаточно хорошо согласуются между собой. Расчет дает несколько меньшие значения, что можно объяснить следующим образом: в расчетной модели реальная многослойная пленочная изоляция заменялась сплошной. Как показывают данные, приведенные в [7] и подтвержденные при проведении настоящей работы, средняя толщина изоляции при намотке пленки внахлест со степенью перекрытия 0,5 несколько больше суммарной толщины пленок, причем коэффициент уплотнения, равный отношению d∑/dпл меняется в пределах 1,1 —1,4, при толщинах изоляции 1 мм и больше kуп≈1,1. Следовательно, расчетная модель соответствует наиболее неблагоприятному случаю, так как наличие газовых включений внутри изоляции снижает напряженность поля на проводе. Поэтому можно с достаточными основаниями предположить, что результаты расчета должны соответствовать минимально возможным напряжениям возникновения ЧР.
Принимая во внимание, что расчетным является случай «провод лежит на краю пленки» и при давлениях 0,4 МПа и выше разряд происходит в месте с максимальной напряженностью поля, для оценочных расчетов можно использовать методику, предложенную в [7] и основанную на следующих предположениях:
разряд происходит в газовой полости, равной толщине пленки, вместе с максимальной напряженностью электрического поля;
за расчетное принимается поле типа провод — плоскость;
поле в полости принимается однородным, так как размеры полости малы в сравнении с радиусом провода.
Тогда, учитывая (5) и усиление поля на проводе, можно зависимость напряжения возникновения ЧР от давления и толщины изоляции записать в следующем виде:
На рис. 2,б приведены данные расчета по (6) и результаты эксперимента. Из их сопоставления видно, что они достаточно хорошо согласуются.
Таким образом на основании вышеизложенных данных можно сделать выводы:
для расчета напряжения возникновения ЧР в исследованной изоляции справедлив закон Пашена и возможно использование предложенного аналитического соотношения;
максимальная напряженность в газовом включении имеет место в случае, если провод лежит на краю пленки.
