Глава 3
ВНУТРЕННИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ИЗОЛЯЦИЮ
В гл. 2 рассматривались возможные воздействия напряжений в сетях высокого напряжения, например в трехфазных сетях, которые доминируют в системах электроснабжения, при этом основным воздействием являлось стационарное воздействие напряжения в номинальном длительном режиме. При плановых коммутациях или авариях имеют место переходные перегрузки, а также возможны временные стационарные перенапряжения. Внешние воздействия, например при грозовых разрядах, приводят к кратковременным переходным перенапряжениям.
Каждое изоляционное устройство в сети должно выдерживать эти перегрузки в рамках экономически оправданного срока службы изоляции. До сих пор рассматривались исключительно воздействия напряжения, встречающиеся в сети и приложенные к электродам изоляционного устройства. Локальные внутренние нагрузки в определенном устройстве можно было бы удовлетворительно описать напряжением на электродах лишь тогда, когда устройство состоит из однородного материала со строго гомогенным электрическим полем. Однако на практике таких устройств не бывает. Реальные изоляционные устройства содержат, как правило, различные изоляционные материалы и обладают более или менее неоднородными полями. Поэтому внутри них возникают неравномерные нагрузки. Так как процессы пробоя изоляции часто развиваются локально. необходимо рассматривать локальное распределение воздействующих параметров, чтобы рассчитать и надежно оценить изоляционную конструкцию.
В данной главе рассмотрены некоторые типичные, часто встречающиеся в технических изоляционных устройствах локальные распределения воздействующих напряжений.
Однородная изоляция
К изоляционным устройствам из однородного, изотропного изоляционного материала, но с неоднородным распределением электрического поля можно отнести, например, кабели с экструдированной пластмассовой изоляцией, закрытые распределительные устройства и линии с элегазовой изоляцией, если рассматривать их участки с газовой изоляцией (см. рис. 1.3), а также с определенными ограничениями — трансформаторы тока и напряжения среднего напряжения с литой эпоксидной изоляцией (см. рис. 1.6).
Локальная напряженность электрического поля Е подобных изоляционных устройств определяется приложенным напряжением, конфигурацией электродов и локальным распределением диэлектрической проницаемости εr и удельного электрического сопротивления р. Пока изоляционное вещество строго гомогенно и изотропно, значения εr и р во всех точках поля одинаковы. Пространственное распределение поля в этом случае зависит от частоты и однозначно определяется конфигурацией электродов; оно может быть рассчитано на основе закономерностей электрического поля (см. § 5.1). Для коаксиальной цилиндрической конструкции, например в кабелях высокого напряжения или в трубчатых элегазовых устройствах, поле оказывается направленным только в радиальном направлении и его напряженность зависит от радиуса по гиперболическому закону [см. уравнение (5.8)].
Удельное электрическое сопротивление р обычно так велико, что не влияет на распределение поля при промышленных частотах, поскольку плотность тока смещения Jc=ε0εr2nfE значительно выше плотности активного тока JR=E/p.
При воздействии на изоляцию постоянного напряжения, естественно, на распределение электрического поля влияет только удельное электрическое сопротивление, обычно уменьшающееся с увеличением температуры, а ток смещения уже не оказывает существенного влияния. Например, в кабелях постоянного напряжения происходит снижение электрической нагрузки вокруг токоведущей жилы и выравнивание напряженности электрического поля в изоляции. Напряженность у жилы может стать даже меньше, чем у оболочки [3.1].
Наряду с такой анизотропией характеристик материала р и могут влиять на распределение поля в изоляции объемный заряд [3.2], который накапливается в так называемых ловушках заряда, неоднородности, возникающие при ЧР, образование дендритов, а также электрохимические изменения (см. гл. 8).
Емкостные цепочки
В изоляционной технике при очень высоких напряжениях часто используется прием последовательного соединения одинаковых изоляторов в целях распределения общего приложенного напряжения по возможности равномерно по отдельным элементам. Если рассматривать каждый элемент как сосредоточенную емкость, то при одинаковых емкостях элементов получается равномерное распределение напряжения, пока последовательное соединение емкостей не нарушается. Но в действительности имеются паразитные емкости элементов относительно земли и относительно электрода высокого напряжения, которые влияют на распределение напряжения, и поэтому воздействие на каждый отдельный элемент может измениться. Совокупность последовательно соединенных емкостей и паразитных емкостей принято называть цепью конденсаторов.
Подобные цепи могут встречаться и при последовательном соединении резисторов (например, в делителе напряжения или разряднике) или катушек индуктивностей (в обмотке трансформатора). В этих случаях цепь конденсаторов определяет распределение напряжения при высокочастотных процессах или процессах с очень высокой крутизной напряжения, в то время как при низких частотах и крутизнах напряжение распределяется по сопротивлениям или индуктивностям. Впрочем, если при этом емкостное и омическое или индуктивное распределения отличаются друг от друга, то переход от одного распределения к другому сопровождается переходным процессом, вызывающим дополнительные локальные перегрузки [3.3, 3.4] прежде всего в случае резонансов с внешним воздействием [3.5, 3.6].
Гирлянды изоляторов с емкостным распределением напряжения
Подвесные гирлянды, состоящие из отдельных тарельчатых изоляторов (рис. 3.1), можно представить в виде частичных емкостей dC и паразитных емкостей dCE и dCL относительно земли и провода высокого напряжения.
В схеме замещения на рис. 3.1,б гирлянда общей длиной I заменена распределенными частичными емкостями. Если длина одного элемента dx стремится к нулю, то общие емкости можно выразить следующим образом:
продольная емкость
;
емкость относительно земли
;
емкость относительно провода
Рис. 3.1. Конденсаторная цепь: а — подвесная гирлянда на решетчатой мачте; б — схема замещения гирлянды
При колебательном режиме с любой круговой частотой ω можно вывести пространственное распределение напряжения из системы уравнений для токов и напряжений в точке х:
Рис. 3.2. Распределение напряжения вдоль гирлянды
Поэтому напряжение вблизи провода меняется более резко, а на другом конце—более плавно, т. е. ближайшие к проводу элементы гирлянды изоляторов нагружены сильнее, чем изоляторы на другом конце гирлянды.
Естественно, при определении числа элементов в гирлянде необходимо исходить из наибольшей нагрузки, приходящейся на каждый элемент. Распределение напряжения становится более равномерным, если увеличить емкости относительно прово да с помощью экранирующего кольца, соединенного с проводом.
Выводы
При определении размеров изоляционного устройства необходимо учитывать возникающие в них внутренние локальные нагрузки. Естественно, они связаны с напряжением сети, а следовательно, и с напряжением, приложенным к электродам устройства.
В зависимости от изменения этого напряжения во времени, а также от внутреннего строения изоляции может появиться сильнонеравномерное распределение напряжения внутри изоляции, которое необходимо учитывать наряду с механическими и термическими воздействиями на изоляцию при выборе концепции построения устройства, изоляционного материала и размеров изоляции.
Следующие разделы книги посвящены основам расчета и оптимизации электростатического поля, необходимым для исследований внутренних полей в газообразных, жидких и твердых веществах, пояснению их поведения при заданном воздействующем напряжении, а также рассмотрению способов измерений и испытаний, необходимых при разработке изоляционных устройств, их производстве и эксплуатации.
