Электрическая изоляция ВЧ установок ВН - Разработка изоляторов

Рис. 8-13. Функциональная схема стержневого изолятора: 1 — арматура; 2 — диэлектрическое тело; 3 — граница раздела «диэлектрик—газ»; 4 — граница раздела «металл—диэлектрик»; 5 — экран, выравнивающий поле в изоляторе (размеры даны условно); 6 — элементы, исключающие местные источники неоднородности (в данном случае — экран 5); 7 — зона тройного сопряжения «металл—диэлектрик—газ»

Конструкции ВЧ изоляторов внутренней и наружной установки весьма разнообразны. Однако при всем различии изоляторов можно выделить достаточно универсальные его функциональные элементы и зоны. Это позволяет найти рациональный подход к разработке изолятора, а также к взаимодействию этих элементов и зон как между собой, так и со всей ВЧ ИК. В любом ВЧ изоляторе можно выделить ряд функциональных элементов и зон. Для конкретности рассмотрим этот подход на примере опорного стержневого изолятора (рис. 8-13).
Главные электрические и механические функции функциональных элементов и зон указаны в табл. 8-7.

Рассмотрим более подробно отдельные функциональные элементы и зоны.

Диэлектрическое тело изолятора. Одним из важнейших моментов является выбор диэлектрика с необходимыми электрофизическими, физико-механическими и технологическими свойствами.
Определение типа твердой изоляции целиком зависит от функционального назначения ИК, условий эксплуатации, которые включают не только рабочее напряжение, возможные перенапряжения, частоту сети, механические нагрузки, но также климатические воздействия и режимы эксплуатации, которые могут быть кратковременными, повторно-кратковременными или длительными.
Таблица 8-7
Главные функции функциональных элементов и зон

Для надежного выполнения изолятором его электрической функции в течение всего срока службы ИК диэлектрик должен обладать в рабочем диапазоне частот высокой длительной и кратковременной электрической прочностью, низкими диэлектрическими потерями. Поверхность изолятора должна быть гидрофобна и трекингостойка. Последнее в первую очередь относится к изоляторам наружной установки. Существенное значение имеет стойкость к воздействию внутренних и поверхностных ЧР при рабочих частотах [108]. Вопрос этот подробно разработан в гл. 6. В качестве универсальной характеристики стойкости предложена энергетическая характеристика —  удельная энергия разрушения диэлектрика Wp, которая имеет достаточно однозначную линейную связь с временем жизни изоляции τ (табл. 6-5, рис. 6-10).

Изоляторы ВЧ ИК выполняются из высокочастотной керамики, разнообразных полимерных материалов. Находят широкое применение литые и прессованные изоляторы из полимеров, изоляторы из полуфабрикатов, например, стеклопластиковых стержней и труб. Следует отметить, что в ряде случаев благодаря снижению напряженности электрического поля до безопасных значений удается в ВЧ ИК использовать «низкочастотные» материалы. Примеры наиболее распространенных для ВЧ изоляторов диэлектриков с указанием их основных электрических характеристик приведены в табл.8-8.

Таблица 8-8
Электрические характеристики диэлектриков, применяемых для изготовления изоляторов

Существенное значение имеет допустимая температура диэлектрика. Как отмечалось в гл. 7, она определяет продолжительность эксплуатации ИК в зависимости от рабочей температуры (рис. 7-1). От продолжительности работы при рабочей температуре зависит электрическая прочность диэлектрика. Ниже приведена электрическая прочность Епр эпоксидного компаунда горячего отверждения типа ЭЗК толщиной 1,5 см в однородном поле в зависимости от продолжительности работы τ, при tраб=120°C:

При кратковременной работе при tраб=20°С, Епр=250 кВ/см, а при          - Εпр=180 кВ/см.  
В резконеоднородном электрическом поле допустимая электрическая прочность эпоксидных компаундов горячего отверждения в зависимости от продолжительности эксплуатации при tpaб=120 C составляет:

Выбор диэлектрика по его физико-механическим параметрам позволяет обеспечить механическую функцию диэлектрического тела. Это касается сочленения диэлектрика с арматурой, включая внутренние экраны и выдерживание механических рабочих нагрузок (в зависимости от назначения изолятора — на сжатие, растяжение, изгиб).
Как отмечалось в параграфе 8-2, при выполнении внутренних экранов в изоляторах необходимо исключить термоупругие напряжения σ.тун, связанные с различием физико-механических характеристик диэлектрика и металла экрана.
В табл. 8-9 приведены физико-механические характеристики ряда диэлектрических материалов. Так же как и электрические, механические характеристики сильно зависят от температуры диэлектрика. Примером могут служить зависимости предела прочности эпоксидных компаундов на растяжение от температуры (табл. 8-10). В зависимости от типа компаунда прочность увеличивается в 2,5—5 раз со снижением температуры с +100 до -60°С. Коэффициент а' возрастает с увеличением температуры. Так например, для компаундов типа ЭЗК при увеличении температуры от 20 до 90°С а' увеличивается примерно в полтора—два раза, в зависимости от состава компаунда. Более подробно физико-механические характеристики диэлектриков, главным образом эпоксидных компаундов, приведены в [104].

Таблица 8-9
Физико-механические свойства диэлектриков

Продолжение таблицы 8-9

Таблица 8-10

Предел прочности эпоксидных компаундов на растяжение в зависимости от температуры, МПа

Отметим, что выбор диэлектрика изолятора связан с решением многих вопросов: обеспечение высокой электрической и механической прочности в течение всего срока службы ИК; получение ИК с минимальными массо-габаритными характеристиками; технологичность изготовления изолятора с использованием надежных и дешевых диэлектрических материалов, особенно желательно применение полуфабрикатов, и т.д.

Размеры и форма диэлектрического тела определяются исходя из требований координации с учетом регулирования электрического поля в ИК. Однако в тех случаях, когда при разработке диэлектрического тела используются полуфабрикаты, например, стеклопластиковые трубы, форма диэлектрического тела изолятора может отличаться от оптимальной, за счет чего упрощается изготовление и снижается стоимость изолятора. В гл. 9 будут рассмотрены такие простые трубчатые изоляторы.
Важное значение имеет функциональная зона граница раздела «диэлектрик—газ». В ИК внутренней установки обычно поверхность изоляторов гладкая, регулирование электрического поля в соответствии с требованиями координации изоляции обеспечивает отсутствие ПЧР на поверхности диэлектрика при максимальном рабочем напряжении и разряда по поверхности при испытательном напряжении.
В ИК наружной установки должны отсутствовать скользящие разряды при рабочих напряжениях и перекрытия по поверхности в условиях дождя. Форма поверхности может быть как гладкой (изоляторы типа АС), так и ребристой (стержневой стеклопластиковый изолятор). При этом поверхность диэлектрика должна быть гидрофобной, трекинго- и короностойкой. В изоляторах АС это обеспечивается применением стеатита, а в стержневых стеклопластиковых изоляторах — покрытием поверхности стеклопластикового стержня кремний-органической резиной. Применяется также покрытие поверхности изолятора гидрофобной смазкой [1].
Особое внимание необходимо обратить на работу изоляторов в условиях увлажненного загрязнения и морского тумана. В электротехнических установках промышленной частоты надежность работы изоляторов в таких условиях обеспечивается созданием необходимой длины пути утечки по поверхности диэлектрического тела изолятора [2].
Особенности работы изолятора при высокой частоте в условиях загрязнения его поверхности в настоящее время не изучены. Поэтому, вероятно, следует ориентироваться на нормы по длине пути утечки, принятые для ИК при напряжении промышленной частоты [2].

Арматура, включая элементы, выравнивающие электрическое поле.

Важное значение имеет согласование физико-механических характеристик материалов арматуры, диэлектрического тела, а также материалов, используемых для соединения арматуры и диэлектрика в зоне «металл—диэлектрик». Физико-механические характеристики металлов, применяемых в ИК, приведены в табл. 8-11.
Вопросы, связанные с выполнением арматуры для регулирования электрических полей в ИК, в том числе в местных зонах неоднородности, в частности, в зоне тройного сопряжения «металл—диэлектрик—воздух», изложены в параграфе 8-2. Там же применительно к внутренним экранам рассмотрены мероприятия по снижению термоупругих напряжений в системе диэлектрическое тело—арматура. Очевидно, что для уменьшения термоупругих напряжений необходимо использовать металлы и диэлектрики с близкими физико-механическими характеристиками. При выполнении литой ИК, например,

Таблица 8-11
Физико-механические свойства металлов

Отметим функциональную зону граница раздела "металл—диэлектрик". В эту зону закладывается "посредник", обеспечивающий надежное соединение диэлектрического тела и арматуры изолятора. В качестве «посредника» в различных ИК применяются:
цементно-песочная связка (в керамических изоляторах [2]);
мягкие металлы, например, цинк;
различные клеи.

Кpомe того, может быть использовано свойство адгезии материала арматуры к диэлектрику.

При электрических расчетах учитывается влияние частоты и условий работы ИК на разрядные характеристики (гл. 5).
В сухих условиях разрядные напряжения изоляторов существенно зависят от частоты. При частотах до 1—2 МГц в зависимости от конструкции изоляторов коэффициент снижения разрядных напряжений при высокой частоте по сравнению с промышленной частотой составляет kсн=0,45—0,60. Влияние относительной плотности воздуха учитывается согласно [1] по соотношению
.        (8-26)
Разрядные напряжения изоляторов под дождем примерно в 1,5— 2,0 раза ниже, чем в сухих условиях. Примерно еще в 1,5 раза ниже (в зависимости от конструкции экранов и изоляторов) напряжения возникновения скользящих разрядов. Указанные напряжения слабо зависят от частоты. Подчеркнем еще раз, что при решении задач координации изоляции определяющее значение имеет напряжение возникновения скользящих разрядов, ибо при его превышении длительно существующие скользящие разряды могут при высокой частоте разрушить диэлектрик изолятора.
При механических расчетах ИК учитываются коэффициенты запаса механической прочности kз.м:

Значения kз.м учитывают, что в условиях эксплуатации, даже при отсутствии рабочих нагрузок, в диэлектрике ИК происходят процессы старения, снижающие его механическую прочность. Суммарный коэффициент запаса прочности kз.м определяется из выражения

Для расчетов, погрешность которых имеет место только в сторону увеличения прочности, коэффициент запаса п1 может не учитываться так же, как и коэффициент п3 — разброс характеристик изоляции, если эти характеристики принять по наихудшим значениям. Коэффициент степени ответственности выбирается с учетом изготовления и тщательности контрольных испытаний.
Влияние среды на старение может иметь весьма емкое содержание. В данном случае п4 учитывает только те факторы, которые могут повлиять с течением времени на механическую прочность и образование термоупругих напряжений.
При расчетах прочности на растяжение ее допустимый предел σр.доп принимается с учетом условий, для которых производится расчет — температуры, срока службы, условий нагружения и т.д.
Для длительных условий эксплуатации, когда изоляция находится непрерывно в состоянии нагружения, σр.доп будет составлять: при сроке службы до 10 тыс.ч. — 60% от кратковременного значения и 50% — при работе в течение более 10 тыс. ч.
В условиях транспортировки, учитывая, что она может протекать при отрицательных температурах, когда термоупругие напряжения возрастают, σρ доп = 0,85 σр.
Снижение адгезионной прочности в процентном отношении имеет приблизительно такой же характер.