Глава одиннадцатая
ВЫБОР РАБОЧЕЙ НАПРЯЖЕННОСТИ
ФАКТОРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ РАБОЧУЮ НАПРЯЖЕННОСТЬ
Основной задачей, возникающей при проектировании конденсатора. является достижение максимального ресурса при минимальном расходе материалов. Ресурс и надежность, как и расход материалов, зависят от напряжённости поля, которая является основным параметром, определяющим характеристики конденсатора. Для повышения ресурса и надежности напряженность должна снижаться, для снижения расхода материалов — повышаться, и при проектировании конденсаторов необходимо найти оптимальное соотношение между этими противоречивыми требованиями, для чего используются экономические факторы. Как показывают исследования и опыт эксплуатации, в конденсаторах для повышения коэффициента мощности в сетях промышленной частоты экономически оптимальной является напряженность поля в диэлектрике, которая при данной конструкции конденсатора, активных материалах и условиях эксплуатации обеспечивает ресурс в 20—30 лет для 90% продукции. Это требование распространяется обычно и на другие типы силовых конденсаторов. Конденсаторный диэлектрик является многокомпонентной системой с различными напряженностями поля в компонентах, которые однозначно выражаются через расчетную напряженность (2.2) и электрофизические параметры компонентов. Поэтому расчет конденсатора может производиться по расчетной напряженности, называемой рабочей, которая и нормируется. Выбор рабочей напряженности Ер является одним из важнейших этапов расчета конденсатора.
Рабочая напряженность в диэлектрике силового конденсатора должна выбираться с учетом длительно воздействующего рабочего напряжения и кратковременных перенапряжений, воздействующих на конденсатор в процессе его эксплуатации. Выбор ее производится но следующим данным: на основании предшествующего опыта создания конденсаторов и опыта их эксплуатации; по допустимым характеристикам частичных разрядов; на основании тепловых расчетов, исходя из требования отсутствия перегревов сверх допустимых значений; на основании ускоренных испытаний. Рабочая напряженность должна выбираться такой, чтобы при перенапряжениях исключались как пробой диэлектрика, что определяется его кратковременной электрической прочностью, так и возникновение необратимых изменений в нем, что определяется характеристиками ЧР.
Наиболее слабым компонентом конденсаторного диэлектрика является пропитывающая жидкость. Ее свойства, определяющие интенсивность и другие характеристики ЧР, являются одним из основных факторов, ограничивающих напряженность поля в ней, а следовательно, и рабочую напряженность. Другим важным фактором, влияющим на выбор рабочей напряженности, является температура диэлектрика. Конденсатор имеет ограниченную теплоотводящую способность, и рабочая напряженность должна выбираться такой, чтобы при длительном воздействии напряжения выделяемое в нем вследствие потерь тепло, пропорциональное квадрату напряженности, было полностью отведено и температура в диэлектрике не превышала допустимого для данных материалов значения. Какой из этих факторов будет превалировать — зависит от типа и назначении конденсатора и используемых материалов. Для бумажного диэлектрика, пропитанного полярными жидкостями, определяющим обычно является тепловой режим. Для бумажного диэлектрика, пропитанного нефтяным маслом, а также для бумажно-пленочного и пленочного диэлектриков определяющими являются процессы старения изоляции или характеристики ЧР.
Ограниченность теплоотвода конденсатора задает верхний предел Ер, при этом наибольшая допустимая для данного диэлектрика температура зависит от требуемого ресурса. Для пропитанных бумажного и бумажно-пленочного диэлектриков при экономически оптимальном ресурсе эта температура составляет 95 °С, если это допускает пропитывающая жидкость; для пленочного она не должна превосходить 80° С. Для бумажного диэлектрика, пропитанного нефтяным маслом, она составляет 65—70° С. При проектировании конденсатора должен быть предусмотрен запас по термической устойчивости. Определенное из тепловых расчетов значение Ер согласуется затем со значением, рассчитанным по допустимым характеристикам ЧР во всем температурном диапазоне работы конденсатора. Поэтому для данного диэлектрика должны быть известны зависимости напряженности возникновения ЧР от температуры и толщины диэлектрика. Характеристики начальных ЧР определяют рабочую напряженность, критических — уровни допустимых перенапряжений.
ПОТЕРИ В КОНДЕНСАТОРЕ ПРИ СМЕШАННОМ НАПРЯЖЕНИИ
Как показано выше, tgδ конденсаторного диэлектрика составляется из двух компонентов: tgδТ твердой фазы, определяемого свойствами и характеристиками материалов твердой фазы, и tgδж, определяемого свойствами пропитывающей жидкости и технологией изготовления конденсатора. При одновременном наложении на конденсатор постоянной и переменной составляющих напряжения значения tgδ компонентов будут изменяться по сравнению с чисто переменным напряжением в зависимости от соотношения постоянной и переменной составляющих. Эго в равной мере относится как к синусоидальной, так и к несинусоидальной составляющим.
Потери в жидкости создаются двумя составляющими: сквозным током и перемещением заряженных частиц и свободных ионов в ее прослойках между листами твердых материалов (бумага, пленка), а также внутри пор бумаги. Наложение постоянной составляющей ограничивает длину пути их перемещения, и при некотором (или большем) ее значении наступает момент, когда все свободные ионы или заряженные частицы будут прижаты к поверхности слоя твердого материала или стенкам волокна в порах бумаги, т. с. не будут перемещаться под воздействием переменной составляющей. Это означает, что составляющая потерь, обусловленная перемещением заряженных частиц и свободных ионов, наложением постоянной составляющей может быть снижена или даже доведена до нуля. Потери, обусловленные сквозным током, будут возрастать вследствие возрастания сквозного тока. Характер изменения потерь в жидкости зависит от вязкости, степени загрязнения и температуры жидкости.
Потери в твердой фазе диэлектрика конденсатора определяются главным образом потерями в бумаге, обусловленными дипольной поляризацией. При наложении постоянной составляющей диполи упруго смещаются из своего нейтрального положения в некоторое новое положение, определяемое постоянной составляющей. В этом их новом положении на колебания затрачивается большая энергия, т. е. потери в бумаге возрастают. Результирующее значение будет зависеть от соотношения потерь в компонентах и от постоянной составляющей, причем при некотором ее значении может быть достигнут минимум потерь.
