8.3. Комбинированные диэлектрики
- Пропитанная слоистая изоляция
Как уже отмечалось в 8.2.3.5, пленки из полимерных материалов обладают высокой электрической прочностью и сравнительно малыми диэлектрическими потерями. Слоистая изоляция характеризуется более высокой электрической прочностью, чем сплошная изоляция такой же толщины, так как в последнем случае срабатывает закон увеличения объема изоляции, приводящий к снижению электрической прочности. Для устранения ЧР в пустотах между отдельными слоями пленки слоистый диэлектрик необходимо пропитать жидкостью или газом. Изоляция из синтетических пленок пропитывается газообразным веществом (например, элегазом в измерительных трансформаторах, герметичных закрытых распределительных устройствах). При использовании жидкого пропиточного материала поверхность пленки должна быть шероховатой, чтобы жидкость могла проникать между слоями.
Слоистая изоляция с газовой пропиткой.
При рассмотрении свойств изоляции такого вида воспользуемся схемой замещения, показанной на рис. 8.83 [8.88]. Предполагая, что диэлектрические потери в газе пренебрежимо малы по сравнению с потерями в твердой изоляции
(8.80)
Здесь учтено, что диэлектрическая проницаемость газа εg=1, а диэлектрическая проницаемость материала пленки обозначена через
При известных коэффициенте заполнения f и εF можно рассчитать диэлектрическую проницаемость слоистой изоляции (рис. 8.84).
Электрическая прочность слоистой изоляции ограничена прочностью слоев с наименьшей диэлектрической проницаемостью, так как в них наблюдается наибольшая напряженность поля при последовательном соединении слоев.
Рис. 8.84. Зависимости диэлектрической проницаемости ег пропитанного газом слоистого диэлектрика от коэффициента f при различных диэлектрических проницаемостях пленок 8г
Из этого уравнения при ε>1 видно, что напряженность поля в газовых зазорах выше, чем в пленке.
Если напряженность EG в газовых зазорах превышает электрическую прочность использованного газа, то возникают локальные ЧР, при этом справедливы соображения относительно изменения напряжения на зазорах и tg δ такой изоляции, высказанные в 8.2.1.2.
В большинстве случаев электрическая прочность слоистой изоляции определяется разрядами не в толще изоляции, а на ее краях. Оптимизация краевых областей изоляции позволяет получить и в них не слишком высокие напряженности. Например, использование электродов с закругленными краями (вместо электродов с острыми краями) позволяет получить гораздо большие напряжения появления ЧР.
Газ для пропитки слоистой изоляции помимо химической стойкости и совместимости с твердым материалом должен обладать прежде всего высокой электрической прочностью. Вследствие этого элегаз является хорошим пропиточным материалом для слоистой изоляции из синтетических пленок.
В зависимости от целей применения слоистая изоляция с газовой пропиткой конструируется на основе пленок из полиэтилена, полипропилена, полистирола, полиэтилентерефталата, поликарбоната, политетрафторэтилена, а также бумаги. Среди этих материалов полиэтилен имеет ряд преимуществ. Из него просто получить сравнительно дешевую пленку. Вследствие малого tg δ полиэтилен пригоден для получения изоляции с малыми диэлектрическими потерями.
В качестве примеров пропитанной газом слоистой изоляции (чаще всего полиэтиленовой с пропиткой SF6) следует назвать изоляцию конденсаторов, работающих при высоких напряжениях и частотах (радиопередающие устройства, электрофизическая аппаратура и т. д.), измерительных и эталонных конденсаторов в мостовых схемах, измерительных трансформаторов и вводов герметичных устройств с элегазовым заполнением [8.89].
Слоистая полимерная изоляция с жидкой пропиткой. Основной проблемой при изготовлении такой изоляции является проблема полного заполнения зазоров между соседними пленками жидкостью, так как в остающихся мелких газовых зазорах вследствие повышенной напряженности поля в них возникают ЧР. Поэтому применяются не гладкие, а шероховатые (тисненые) пленки и пропиточные жидкости, хорошо смачивающие материал пленки.
Быстро расширяющейся областью применения такой изоляции является конденсаторостроение, где для изготовления так называемых «альфильмконденсаторов» используется шероховатая полипропиленовая пленка с пропиткой синтетическими углеводородами, не содержащими хлора (см. 8.1.4.2).
