Сильні електричні поля в конденсаторних конструкціях та удосконалення високовольтних силових конденсаторів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Харківський Державний Політехнічний Університет

УДК 621.319.4

Спеціальність 05.09.13 - Техніка сильних електричних та магнітних полів

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Сильні електричні поля в конденсаторних конструкціях та удосконалення високовольтних силових конденсаторів

Рудаков Валерій Васильович

Харків - 1999

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Науково-дослідному та проектно-конструкторському інституті "Молнія" і на кафедрі інженерної електрофізики Харківського державного політехнічного університету Міністерства освіти України.

Науковий консультант - доктор технічних наук, професор Михайлов Валерій Михайлович, Харківський державний політехнічний університет, завідувач кафедри інженерної електрофізики.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, доцент Батигін Юрій Вікторович, Харківський державний політехнічний університет, професор кафедри вищої математики.

доктор технічних наук, професор Бржезицький Володимир Олександрович, Національний технічний університет України, "Київський політехнічний інститут", завідувач кафедри техніки та електрофізики високих напруг.

доктор фізико-математичних наук, професор Хижняк Микола Антонович, Інститут плазмової електроніки та нових методів прискорення ННЦ "Харьківський фізико-технічний інститут", заступник директора.

Провідна установа - Інститут Електродинаміки НАН України, м. Київ.

Захист відбудеться " 07" жовтня 1999 р. о 14- 30 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.050.08 у Харківському державному політехнічному університеті за адресою: 310002, Харків-2, вул. Фрунзе, 21.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Харківського державного політехнічного університету.

Автореферат розісланий "18" серпня 1999 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Болюх В.Ф.

Анотації

В.В. Рудаков "Сильні електричні поля в конденсаторних конструкціях та удосконалення високовольтних силових конденсаторів". -Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.09.13 - техніка сильних електричних та магнітних полів. - Харківський державний політехнічний університет, Харків, 1999.

Дисертацію присвячено проблемам удосконалення високовольтних силових конденсаторів, пов`язаних з розподілом сильного електричного поля. Розроблена феноменологічна теорія руйнування конденсаторної ізоляції, яка застосована на концепції зворотної залежності терміну служби конденсатора від "напруженого об'єму" і яка узагальнює попередній досвід теоретичних і експериментальних досліджень. Викладено методики прогнозування терміну служби конденсаторів у широкому діапазоні зміни робочих градієнтів з урахуванням конструктивних особливостей та структури діелектрика. Основні теоретичні висновки дістали підтвердження експериментальними дослідженнями з визначення терміну служби. Практичні рекомендації до оптимізації, технічних та технологічних рішень впроваджено в конструкції 60 високовольтних силових конденсаторів різного призначення.

Ключові слова: конденсатор, "напружений об`єм", електричне поле, термін служби.

Rudakov V.V.. Strong electric fields arising in the capacitor structures and improve-ment of the high-voltage high-power capacitors. - Manuscript.

The thesis for the doctor's degree of technical sciences, specialty 05.09.13- strong electrical and magnetic fields engineering -Kharkov State Polytechnical University, Kharkov, 1999.

The dissertation set forth the problems of improvement of high voltage high- power capacitors, related to the distribution of powerful electric fields. The phenomenal theory of destruction of the capacitor insulation based on the concept of inverse dependence of the service life of a capacitor on the "stressed volume" has been developed. This theory generalizes experience gained during theoretical and experimental investigations. The methods of prediction of the service life of

capacitors in a wide range of variation of the working gradients taking into consideration the structural peculiarities and structure of a dielectric have been set forth. The main theoretical inferences were supported by the experimental investigation related to the determination of the service life. The practical recommendations on optimization, technical and technological solutions have been realized in 60 high-voltage high-power capacitors for different purposes.

Key words: capacitor, "stressed volume", electrical field, service life.

Рудаков В.В. "Сильные электрические поля в конденсаторных конструкциях и усовершенствование высоковольтных силовых конденсаторов".-Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.09.13 -техника сильных электрических и магнитных полей. -Харьковский государственный политехнический университет,Харьков,1999.

Диссертация посвящена проблеме создания и совершенствования высоковольтных силовых электрических конденсаторов на основе разработанных теоретических положений и практических рекомендаций, позволяющих установить количественные соотношения между распределением электрического поля и сроком службы конденсаторных конструкций. Разработана феноменологическая теория разрушения конденсаторной изоляции, основанная на концепции обратной зависимости срока службы от величины "напряженного объема". "Напряженный объем" - область изоляции с повышенной напряженностью электрического поля, внутри которой напряженность электрического поля превышает некоторую критическую величину. Выявлены типовые модели края обкладок конденсаторных конструкций, определены аналитические зависимости "напряженных объемов" от различных факторов и проведен их сравнительный анализ. Получены расчетным путем и экспериментально подтверждены обобщающие зависимости срока службы силовых конденсаторов от напряженности электрического поля и факторов, определяющих его распределение в зонах неоднородности (толщины обкладок и диэлектрика, формы края обкладки, значений диэлектрических проницаемостей, электрической прочности применяемых диэлектриков), что позволяет прогнозировать длительную электрическую прочность конденсаторных конструкций в совокупности действия указанных факторов.

Предложена и обоснована модель механизма разрушения конденсаторной изоляции, по которой при рабочих напряженностях электрического поля меньших напряженности критических частичных разрядов (ЧР) срок службы определяется процессами разрушения изоляции преимущественно у острых кромок электродов, а при больших напряженностях поля доминирующее влияние на процессы разрушения оказывают кромки обкладок с большими углами схождения граней. Показатель степени в формуле "жизни" определяется аналитически и находится в пределах 4ё12 при рабочих напряженностях поля, меньших напряженности критических ЧР, и равен 6ё16 и больше при больших рабочих напряженностях. Расчетная зависимость срока службы от толщины диэлектрика и обкладок в 1-м случае имеет вид М~d-(2-3)h(0,2ё0,8), во 2-м - М~d-(0,4ё1,5)h-(0,4ё1,6) для реальных толщин диэлектрика d и обкладок h. Теоретически доказано уменьшение срока службы при увеличении толщины обкладки и ослабление влияния толщины диэлектрика при повышенных рабочих напряженностях поля. С помощью рассмотренной модели механизма разрушения изоляции обосновано скачкообразное изменение показателя степени в формуле "жизни" при изменении рабочих градиентов. Для силовых конденсаторов с большим сроком службы и кабельных конструкций определены оптимальные геометрические размеры, для которых срок службы будет максимальным (отношение толщины обкладки к толщине диэлектрика должно составлять 0,12ё0,16, а радиусов коаксиального кабеля 2,7ЈR0/r0Ј4,5).

Разработаны методики расчета и оптимизации конденсаторных конструкций с экранирующими обкладками, заключающиеся в выборе их числа и расположения путем анализа распределения электрического поля в характерных зонах неоднородности и применения критерия оценок по концепции "напряженного объема". Разработана методика расчета коэффициента усиления поля для модели края обкладки с многослойным диэлектриком. При расчетах срока службы импульсного конденсатора по концепции "напряженного объема" учитываются коэффициент усиления поля и электрическая прочность слоя диэлектрика, прилегающего к обкладке. Усовершенствована методика расчета распределения электрического поля для импульсных конденсаторов с большой частотой следования импульсов Показана целесообразность заряда конденсатора напряжением косоугольной формы и для некоторых случаев повышения частоты следования импульсов. Разработаны методики оптимизации высоковольтных формирующих линий.

Выполнены серии опытов и экспериментально определены предельные рабочие градиенты бумажно-пленочной и бумажной изоляции импульсных конденсаторов пропитанных касторовым маслом. Показано, что при сроке службы менее 104 импульсов заряд-разряд целесообразно применять бумажно-лавсановый диэлектрик, а при сроке службы более 2Ч104 импульсов заряд-разряд - бумажный. Экспериментально определена зависимость срока службы от числа слоев диэлектрика. Исследован срок службы бумажно-касторовых импульсных конденсаторов в зависимости от давления запрессовки секций и определено, что он может уменьшаться на два порядка при увеличении давления запрессовки от 1 до 200 атм. Исследованы и рекомендованы к применению смеси и пропитывающие составы на основе касторового масла и диоктилфталатов. Предложен способ замены вязкой пропитывающей жидкости в свободном объеме конденсатора на неполярную маловязкую диэлектрическую жидкость (например, трансформаторное масло), что позволяет продлить срок службы конденсатора, находящихся в эксплуатации.

На основании проведенных исследований обоснован выбор конструктивных и предложен ряд оригинальных решений уникальных высоковольтных импульсных конденсаторов, разработанных и изготовленных в НИПКИ "Молния" ХГПУ. Диапазон рабочих напряжений разработанных импульсных конденсаторов составляет от 5 до 2500 кВ, емкости от 10 нФ до 150 мкФ, минимальная собственная индуктивность конденсаторов достигает 10 нГн. Максимальная удельная запасаемая энергия составляет 130 Дж/дм 3 при сроке службы 105 импульсов заряд-разряд. Обоснован выбор рабочих градиентов и разработаны высоковольтные конденсаторы переменного напряжения с бумажно-пленочным диэлектриком, пропитанным трансформаторным маслом.

Ключевые слова: конденсатор, "напряженный объем", электрическое поле, срок службы.

Загальна характеристика роботи

Актуальність проблеми. Сучасний етап науково-технічного розвитку характеризується становленням ефективних і маловитратних технологій, що дають можливість створювати конкурентноздатну продукцію. Серед них технології, що використовують енергію імпульсних електричних розрядів, енергетичну основу яких складають високовольтні силові електричні конденсатори. До таких технологій належать: утилізація відходів залізобетону потужними високовольтними розрядами; обробка харчових продуктів для збільшення терміну придатності із збереженням і в деяких випадках з поліпшенням їх споживчих властивостей; створення систем для примусової зупинки автомобілів - порушників; ефективне відшукування місць пошкодження силових кабелів за допомогою імпульсного пропалювання місця пробою; магнітно-імпульсна обробка матеріалів; технології на основі електрогідравлічного ефекту щодо очищення відливок, відновлення нафтових свердловин, безвідхідної обробки металів тиском та ін. Нагромаджувачі з високовольтних силових конденсаторів є найважливішими блоками сучасних джерел імпульсів напруги і струму, що застосовуються для фізичних досліджень плазми, пучків заряджених частинок, а також генераторів сильних імпульсних електричних і магнітних полів. В умовах гострого дефіциту енергетичних запасів чималого значення набуває також проблема зменшення витрат електроенергії при її передачі і поліпшення якості напруги. Одним із шляхів розв'язання даної проблеми є застосування в магістральних електричних мережах, а також у споживачів електроенергії - конденсаторних батарей для компенсації реактивної потужності. Відомі й інші традиційні і нетрадиційні форми застосування високовольтних силових конденсаторів. На жаль, до цього часу в Україні не розвинуто в достатній мірі виробництво високовольтних силових конденсаторів. Це робить проблему дослідження, розробки й організації виробництва конденсаторів надто актуальною.

Конструкції силових електричних конденсаторів характеризуються наявністю зон із вираженою неусувною неоднорідністю електричного поля (крайовий ефект) і використанням діелектричних матеріалів із різними електрофізичними характеристиками. На підставі відомих теоретичних і експериментальних досліджень тривалої електричної міцності силових конденсаторів установлено, що основним чинником, який визначає термін їх служби, є напруженість електричного поля. Меншою мірою термін служби залежить від чинників, що впливають на розподіл електричного поля, таких як товщина обкладки і діелектрика, форма діючої напруги, форма краю обкладки, структура діелектрика. У більшості випадків експериментальні дані мають схожий характер із збіжними діапазонами значень коефіцієнтів, проте їхніх узагальнюючих теоретичних залежностей поки немає. В найкращому разі опис ґрунтується на найпростіших розрахунках (наприклад, при доведенні оберненої залежності напруженості початкових часткових розрядів (ЧР) від товщини ізоляції в степені Ѕ). У ряді випадків експериментальні дані мають суперечливий характер.

Схожість експериментальних залежностей терміну служби від напруженості електричного поля і здебільшого від чинників, що впливають на розподіл поля для різних типів конденсаторів, свідчить про спільність процесів, які відбуваються в ізоляції конденсаторів.

Створення основ теорії, що описує вплив характеру розподілу поля на термін служби конденсаторних конструкцій, виявлення основних закономірностей цього впливу, експериментальні дослідження тривалої електричної міцності силових електричних конденсаторів, які підтверджують ці закономірності, і розвиток на основі здобутих результатів вітчизняного конденсаторобудування в Україні є актуальною проблемою техніки сильних електричних і магнітних полів.

Мета і завдання дослідження. Метою дисертації є розробка теоретичних положень і практичних рекомендацій, що дають змогу визначити кількісні співвідношення між розподілом сильного електричного поля, чинниками, які впливають на цей розподіл, і терміном служби ізоляції конденсаторних конструкцій, вдосконалення на їх основі силових електричних конденсаторів та інших елементів електрофізичних установок.

Для досягнення поставленої мети необхідно розв'язати такі завдання.

Дослідити форму краю обкладок силових конденсаторів, виділити характерні моделі краю обкладок із найбільшою неоднорідністю електричного поля.

Виконати аналіз розподілу електричного поля типових моделей краю обкладки і визначити чинники і ступінь їх впливу на характер розподілу поля. високовольтний конденсатор електричний ізоляція

Провести аналіз, узагальнити і дослідити залежності терміну служби конденсаторної та кабельної ізоляції від чинників, що впливають на розподіл поля, і виробити концепцію та критерії, що визначають якісні і кількісні зв`язки.

Обгрунтувати і дослідити механізм руйнування конденсаторної ізоляції в широкому діапазоні зміни робочих напруженостей поля.

Розробити методики прогнозування терміну служби високовольтних конденсаторів, що грунтуються на виробленій концепції, з урахуванням конструктивних і технологічних чинників, кількості шарів діелектрика, тиску при запресовуванні секцій, способу намотування, виду просочувальної рідини.

Розробити методики розрахунку конденсаторних конструкцій з екрануючими обкладками.

Визначити оптимальні геометричні співвідношення конденсаторних конструкцій, режими роботи імпульсних конденсаторів. Розробити практичні рекомендації і способи удосконалення та оптимізації конструкцій силових електричних конденсаторів і формувальних ліній.

Розробити конструкції конденсаторів із поліпшеними характеристиками для електрофізичних установок різного призначення.

Постановка вищезазначених цілей і завдань викликала необхідність використання світового досвіду силового конденсаторобудування і досягнень у даній сфері результатів робіт провідних вчених і фахівців: Н.П. Александрової, Б.П. Бєлєнького, В.Д. Беспалова, Д.С. Варшавського, Л.Н. Галахової, Є.С. Колечицького, В.В. Конотопа, Г.С. Кучинського, Л.А. Молодової, Б.Г. Набоки, М.І. Назарова, Ю.С. Пінталя, В.Т. Ренне, В.І. Рудя, К.Ф. Степанчука, М.Н. Титова, В.Я. Ушакова, В.С. Федорової, О.В. Шиліна, Г.А. Шнеєрсона та ін.

Методи дослідження. Для розв'язання завдань дисертації використовувалися положення теорії електромагнітного поля, методи теорії електричних кіл, математичний апарат інтегральних рівнянь, конформних перетворень, математичне моделювання в поєднанні з чисельними розрахунками на ЕОМ. Експериментальні дослідження проводилися на реальних зразках секцій конденсаторів із використанням дослідних високовольтних стендів, засобів вимірювань, методів планування і статистичної обробки результатів.

У дисертації викладено науково обгрунтовані технічні і технологічні рішення у сфері техніки сильних електричних та магнітних полів, що забезпечують розв`язання значної прикладної проблеми створення й удосконалення високовольтних силових електричних конденсаторів із різним терміном служби.

Основні положення, що виносяться на захист.

Феноменологічна теорія руйнування ізоляції силових електричних конденсаторів у сильних електричних полях, в основі якої лежить обернена залежність терміну служби конденсаторної ізоляції від її "напруженого об`єму".

Модель механізму руйнування конденсаторної ізоляції при різних рівнях робочої напруги.

Методики визначення "напруженого об`єму" для типових конденсаторних конструкцій, розрахунку залежностей терміну служби від чинників, що впливають на розподіл поля, які ґрунтуються на порівняльному аналізі "напружених об`ємів", оптимізації конденсаторних конструкцій за мінімальною величиною "напруженого об`єму".

Методи прогнозування терміну служби силових електричних конденсаторів, що грунтуються на кількісній оцінці за теоретично здобутими і експериментально підтвердженими залежностями з урахуванням конструктивно-технологічних особливостей і експлуатаційних чинників (кількості шарів діелектрика, тиску при запресовуванні секцій, виду просочувальної рідини, способу намотки, частоти проходження імпульсів).

Практичні засоби створення й удосконалення силових електричних конденсаторів та інших елементів електричних установок з оптимальними розмірами, вагомогабаритними характеристиками, мінімальною власною індуктивністю та підвищеним терміном служби.

Наукова новизна. Уперше здобуто такі результати.

Розроблено і розвинуто концепцію оберненої залежності терміну служби конденсаторної ізоляції від її "напруженого об'єму".

Теоретично узагальнено і комплексно досліджено залежності терміну служби від напруженості електричного поля, форми краю обкладки, товщини обкладки і діелектрика.

Розроблено і обгрунтовано модель механізму руйнування ізоляції силових конденсаторів в умовах дії початкових і критичних ЧР.

Теоретично обгрунтовано і експериментально підтверджено: ефекти змен-шення терміну служби при збільшенні товщини обкладки і зменшені частоти проходження імпульсів; стрибкоподібної зміни показника степеня у формулі "життя" конденсаторів при зміні робочих градієнтів; послаблення впливу товщини діелектрика на термін служби при підвищених робочих напруженостях електричного поля.

Розроблено методики прогнозування термінів служби конденсаторів на основі концепції "напруженого об`єму" з урахуванням конструктивних та техноогічних особливостей виготовлення секцій.

Розроблено методи розрахунку та оптимізації конденсаторних конструкцій з екранами, що грунтуються на аналізі розподілу електричного поля біля країв обкладок.

Практична цінність.

Виявлено найсуттєвіші чинники, що визначають термін служби конденсаторів, і розроблено методи комплексної оцінки та прогнозування терміну служби конденсаторів, які дають змогу обгрунтовано здійснювати вибір конструкцій за мінімальної кількості експериментів.

Визначено оптимальні геометричні співвідношення розмірів товщини обкладки і діелектрика секцій силових конденсаторів, радіусів високовольтного коаксіального кабелю, котрі забезпечують найбільші енергоємність і термін служби. Обгрунтовано вибір співвідношення довжини проміжків керованого комутатора.

Запропоновано конструкції конденсаторів та інших елементів електрофізичного устаткування з поліпшеним розподілом поля завдяки оптимізації кількості і розташування екрануючих обкладок, що забезпечують найбільшу електричну міцність.

Визначено граничні питомі характеристики секцій імпульсних конденсаторів із паперовою та паперово-лавсановою ізоляцією, просочених касторовим маслом, у залежності від терміну служби і обгрунтовано робочі градієнти паперово-поліпропіленових конденсаторів змінної напруги, просочених мінеральним маслом.

Досліджено й рекомендовано до використання у високовольтних силових конденсаторах низку сумішей і просочувальних речовин і способів їхнього заливання.

Удосконалено методику і розроблено програму розрахунку напруженості поля й дано практичні рекомендації щодо форми зарядної напруги імпульсних конденсаторів, які працюють в усталеному періодичному режимі проходження імпульсів.

Визначено оптимальний тиск запресовування секцій із паперово-касторовою ізоляцією. Встановлено, що спосіб намотування секцій (плоскомотані або плоскопластинчасті) не впливає на термін служби.

Розроблено методики та дано рекомендації щодо вибору одинарних високовольтних ліній на основі високовольтних конденсаторів, які формують імпульси напруги прямокутної форми із квазіпостійною вершиною.

На підставі результатів досліджень розроблено й виготовлено понад 50 типів силових імпульсних високовольтних електричних конденсаторів із поліпшеними характеристиками і граничними параметрами, а також конденсаторів змінної напруги для різних електрофізичних, електротехнологічних та електропромислових установок.

Реалізація роботи. Технічна розробка, виготовлення та випробування силових високовольтних конденсаторів були здійснені у НДПКІ "Молнія", який згідно з постановою Кабінету Міністрів №257 від 01.04.1999 належить до об`єктів, що становлять національне надбання України. Розробки автора запроваджено в таких організаціях: ХДУ, ХАІ, УФТІ, науково-дослідному інституті радіофізики (Москва), КБ "Горизонт", ЦКБ УП (Москва), підприємствах електричних мереж Рівнеобленерго, Хмельницькобленерго, Львівобленерго, Крименерго, "Київські кабельні мережі", ІІПТ НАН України (Миколаїв), НВФ "Енергосервіс" (Донецьк) та ін. Результати роботи використано при створені технологічного обладнання на базі НДПКІ "Молнія" ХДПУ для виробництва конденсаторів з метою забезпечення потреб України.

Матеріали дисертації використовуються в навчальному процесі ХДПУ для спеціальності "Техніка і електрофізика високих напруг" у дисциплінах "Розрахунок і конструювання електричної ізоляції", "Розрахунок і проектування ємнісних нагромаджувачів енергії".

Особистий внесок автора - наукове керівництво і безпосередня участь у дослідженнях, розробці, контролі технології виготовлення, проведенні випробувань усіх типів високовольтних конденсаторів, випущених у НДПКІ "Молнія" з 1980 по 1999 рік.

Апробація роботи. Основні положення роботи доповідалися на:

Всесоюзних науково-технічних нарадах "Повышение качества и улучшение технико-экономических показателей силовых конденсаторов и комплектных конденсаторных установок", Серпухов, 1979, 1983, 1986, 1991;

Всесоюзних науково-технічних конференціях з електрогідравлічного ефекту, Миколаїв, 1980, 1984;

Всесоюзній нараді секції IV Науково-технічної Ради АН СРСР "Емкостные накопители энергии в электрофизических установках предельных параметров", Харків, 1981;

Всесоюзному науковому семінарі "Численные методы расчета электростатических полей и высоковольтных конструкций", Новосибірськ, 1982;

Всесоюзному науково-технічному семінарі "Вопросы старения изоляции высоковольтного оборудования", Тбілісі, листопад 1983;

Всесоюзному науковому семінарі "Методы расчета электромагнитных переходных процессов и электрических полей в сетях высокого напряжения", Каунас, травень 1985;

Всесоюзній науково-технічній нараді "Состояние и перспективы развития электрической изоляции" Свердловськ, 1987;

3-й Всесоюзній конференції "Импульсные источники энергии", Ленінград, червень 1989;

Всесоюзній нараді "Вопросы обеспечения стойкости радиоэлектронных средств к воздействию ЭМИ", Харків, 1991;

Науковій школі "Физика импульсных воздействий на конденсированные среды", Миколаїв, 1993-1997;

Intern. Symposium on High Voltage Engineering. 1995. GRAZ. Austria; 1997, Quebec, Montreal, Canada;

VI конференції АСІНКОМ, Київ, червень 1996;

Міжнародній науково-технічній конференції з фізики твердих діелектриків "Диэлектрики - 97", Санкт-Петербург, 1997;

II Міжнародній науково-технічній конференції "Математичне моделювання в електротехніці та енергетиці", Львів, 1997.

Публікації.

Основні положення дисертації опубліковано у 60 працях. Серед них 18 статей, 16 винаходів, 2 патенти України, 24 матеріалів і тез доповідей на міжнародних та на науково-технічних конференціях.

Структура і об'єм роботи.

Дисертаційна робота складається зі вступу, п'яти розділів, висновків, заключення, списку літератури із 209 найменувань, додатка. Зміст роботи викладено на 305 сторінках, зі 128 ілюстраціями і 37 таблицями.

Зміст роботи

У вступі обгрунтовано актуальність проблеми створення і удосконалення силових високовольтних електричних конденсаторів із різним терміном служби, сформульовано мету і завдання роботи, викладено нові наукові результати і основні положення, що виносяться на захист, відзначається практична цінність. Указується реалізація та апробація роботи.

У першому розділі проведено огляд і аналіз методів розрахунку поля конденсаторних конструкцій, прийнятих моделей розрахунку, експериментальних залежностей термінів служби ізоляції силових конденсаторів від різних чинників. Викладаються основні положення феноменологічної теорії руйнування діелектрика конденсаторних конструкцій, розробленої автором. Наведено методики розрахунку "напружених об`ємів", здобуто теоретичні залежності терміну служби від геометричних параметрів і напруженості електричного поля за допомогою порівняльного аналізу "напружених об`ємів" характерних моделей конденсаторних конструкцій. Зроблено аналіз відомої залежності терміну служби від напруженості електричного поля

, (1)

де А - постійна,

n - показник степеня, що залежить від виду діелектрика і рівня робочої напруженості електричного поля.

Для широкого класу електричних конденсаторів при робочих напруженостях поля Ер, близьких до напруженості Е* початкових ЧР, показник степеня n набирає значення 46. Для Ер, що змінюються від Е* до напруженості Е** критичних ЧР, значення n змінюється від 4 до 10. При Ер>E** показник степеня n=1036. При низьких робочих градієнтах ЕрЕ* пробої ізоляції відбуваються біля краю обкладок. При ЕрЕ** пробої ізоляції розподіляються по площі обкладок (у тому числі і біля країв обкладок).

Суттєва залежність терміну служби від невеликих змін робочих градієнтів електричного поля згідно із формулою (1) протягом десятиріч привертає дослідників до аналізу електричних полів у конденсаторних конструкціях. Прийняті в літературі моделі розрахунку електричного поля з нескінченно тонкою півплощиною і півплощиною кінцевої товщини з прямокутним зрізом краю дають можливість зробити загальні оцінки впливу геометричних чинників на розподіл електричного поля в окремих випадках. Розрахунки обмежувалися рекомендаціями щодо поліпшення розподілу поля, інколи не зовсім вірними (наприклад, щодо вибору товщини обкладки). Окрім того, незважаючи на певні досягнення в дослідженнях електричного поля в конденсаторних конструкціях, не вироблено фізичного критерію, за допомогою якого є можливим визначення залежностей терміну служби за розрахунковими значеннями напруженості поля. На підставі відомих результатів і власних досліджень автором, запропоновано ввести "напружений об`єм", як фізичну характеристику внутрішньої ізоляції конденсаторних конструкцій, що визначає її термін служби.

"Напружений об`єм" - область ізоляції з підвищеним градієнтом електрич-ного поля, всередині якого напруженість поля перевищує деяку критичну величину Екр і в якому при великому терміні служби ізоляції відбуваються необоротні процеси, що спричиняють нагромадження структурних змін і руйнування даної області, які в кінцевому підсумку визначають термін служби ізоляції.

Обгрунтовано й розвинуто положення про обернену залежність терміну служби від величини "напруженого об'єму", тобто

М1/V. (2)

Для розглядуваних двовимірних розрахункових моделей конденсаторних конструкцій "напружений об'єм" визначається на одиницю довжини контуру обкладок і дорівнює площі його поперечного перерізу.

Методику визначення "напружених об`ємів" розглянуто на прикладах аналізу розподілу електричного поля типових моделей краю обкладок силових конденсаторів. Область "напруженого об`єму" на одиницю довжини уявляємо у вигляді кругового сектора радіусу rk із центром у вершині Ак розглядуваної моделі і обмеженого контуром поперечного перерізу обкладки. Наприклад, "напружений об`єм" біля вершини А3 становить

V=r32(1+/2),

де кут - виражається у частках . Для розрахунку електричного поля в наведеній на рис.1 моделі застосовано метод конформних перетворень.

Формула Кристофеля-Шварца для відтворення верхньої півплощини t ((рис.1,б) на область шестикутника у площині Z має вигляд

, (3)

де постійні а 3 і а 5 визначаються з рівняньа 3а 5=1, а 3+а 5=2-4(1+0,5)2/, =h/d.

Вирази для визначення напруженості поля поблизу характерних кутових точок знайдено з точністю першого порядку мализни відносно товщини діелектрика і обкладки у припущені rk0 і мають вигляд

поблизу точки А 3 на відстані r3 від неї -

; (4)

поблизу точки А 4 на відстані r4 від неї -

, (5)

де r3 і r4 є радіусами "напружених об'ємів", якщо Е 3 і Е 4 дорівнюють Екр; Е 0=U0/d. Вирази для "напруженого об'єму" V мають вигляд відповідно для точки А 3

, (6)

для точки А 4

. (7)

Рівність "напружених об'ємів" з центром у точках А 3 і А 4 при r/d0 досягається при =0=2/3. При r/d0,05 величини "напружених об`ємів" поблизу А 3 і А 4 залежать від , . При цьому граничне значення кута 0, при якому досягається рівність "напружених об'ємів", становить 0,680,8, де більше значення 0 відповідає більшим значенням r/d.

З урахуванням формул (6), (7) та концепції зворотної залежності терміну служби від "напруженого об`єму", розрахункове значення показника степеня у формулі "життя" (1) становить

(8)

та змінюється від 4 до 8 при змінені від 0 до 2/3. При 0 процеси руйнування ізоляції найбільш інтенсивні в околі т. А 3, де "напружений об`єм" більший, а при <0 - в околі т. А 4. Розрахункові значення показника степеня n не виходять за межі діапазону значень 48 (при r/d0) або 412 (при r/d0,05). За концепцією "напруженого об`єму" розрахункові значення показника степеня n укладаються в діапазон експериментальних значень і визначаються характером розподілу біля краю обкладки за будь-якої його форми.

Збіг розрахункових значень n з експериментальними стимулював дослідження поперечного зрізу краю обкладки секцій силових конденсаторів, які для зручності досліджень виготовлені за технологією, прийнятою для конденсаторів із твердою тонкошаровою ізоляцією. У 25% загальної кількості спостережень поперечних зрізів форма краю обкладки має вигляд, близький до моделі. У 62% загальної кількості спостережень форма краю мала вигляд скошеного торця, причому мінімальні значення кутів склали 3040. В решті випадків форма краю обкладки мала конфігурацію, яку можна звести до двох розглядуваних моделей з певними припущеннями. Порівняльний аналіз розподілу поля моделей краю обкладки показав, що найгірший розподіл поля характерний для моделі краю обкладки.

Обчислені значення напруженості поля Е 4 і "напруженого об'єму" для т. А 4 моделі краю обкладки, склали:

, (9)

, (10)

де визначається в частках ,

а 1=а 5+а 5(а 5-1)1-, (2+)(а 1-а 5)=а 1(а 1-1)1-.

Для кутів =(3040) показник степеня при (Е 0/Екр) згідно з формулою (10) відповідає 4,44,67, що близько до експериментального значення n у формулі "життя" (1) силових конденсаторів з великим терміном служби.

Визначено оптимальне відношення опт конструкції, зображеної на рис.2, при якому питома енергія W конденсатора з урахуванням об`єму, що його займають обкладки та ізоляція,

, (11)

буде максимальною.

Оптимальне значення опт залежить від і описується виразом

опт=0,00388. (12)

Для реальних значень =(3040), опт=0,120,16.

Формули (10) і (11) відповідають випадку, коли Е 0Е*. При підвищених значеннях Е 0>Е** поява критичних ЧР біля гострих кромок електродів спричиняє перенесення заряду з обкладки на поверхню розділу твердого діелектрика і масляного прошарку, що прилягає до краю обкладки. Відбувається вирівнювання електричного поля біля краю гострої кромки, і в першому наближенні розрахункову модель краю обкладки можна представити у вигляді, зображеному на рис.3, де потенціал розділу границі діелектриків DХ біля гострої кромки прийнято рівним потенціалові обкладки ВСD.

Напруженість електричного поля поблизу вершини C (рис.3) визначається формулою

, (13)

а "напружений об'єм"

. (14)

Для характерних реальних значень кута =(1/26/7) значення показника степеня при Е 0/Екр у формулі (14) змінюється від 6 до 16 (при >6/7 показник степеня швидко зростає). Механізм руйнування ізоляції такий. При Е 0Е* визначальними є процеси руйнування ізоляції біля гострого кута краю обкладки і застосовні формули (9) і (10). При Е 0Е** процеси руйнування ізоляції ЧР біля гострого кута краю обкладки не встигають внаслідок короткого терміну служби повністю розвинутися, а визначальними будуть процеси руйнування ізоляції біля тупого кута краю обкладки за моделлю.

У цьому випадку застосовні формули (13) і (14). Для області робочих градієнтів Е*<Е 0<Е** поряд з руйнуванням ізоляції біля кромок із гострими кутами починаються процеси руйнування ізоляції біля кромок з великими кутами. Відповідно показник степеня n у формулі "життя" (1) у перехідній області збільшується від 4 до 612.

Для конденсаторів постійної напруги діє механізм руйнування за моделлю рис.3 в усьому діапазоні робочих напруженостей поля через високу провідність масляного прошарку, що прилягає до краю обкладки, тому розрахункові значення n дорівнюють 616 (експериментальні значення 814).

Проведено аналіз формул (9)(14) за визначенням залежності "напруженого об'єму" від товщини діелектрика і від товщини обкладки. У загальному випадку цю залежність можна представити у вигляді

, 2, (15)

де V1 і V2 - "напружені об'єми", відповідно визначені для області ізоляції біля гострого і тупого кутів краю обкладки.

На рис.4 наведено розрахункові залежності показників m1 і m2 від d для різних значень кутів у припущенні h=const. Залежність терміну служби від товщини діелектрика при розвитку процесів руйнування ізоляції біля гострої кромки, за концепцією "напруженого об`єму" підпорядковується залежності (2), з урахуванням формули (15), де m1 дорівнює (23). У випадку розвитку процесів руйнування ізоляції біля тупої кромки m2 дорівнює (0,41,5).

Показники степеня 1 і 2 відповідно дорівнюють (-0,2-0,8) і (0,41,65). Спостерігається аномальний ефект зменшення терміну служби зі збільшенням товщини обкладки, характерний для великих робочих градієнтів, або при розвитку процесів руйнування за моделлю, зображеною на рис.3.

Проведено розрахунок терміну служби коаксіального циліндричного конденсатора (кабельна ізоляція) за теорією "напруженого об'єму". У припущенні

Екр=Е 0max,

де =(0,90,97), Е 0max - напруженість поля на поверхні внутрішнього циліндричного електрода і и r0=var при R0=const (r0 и R0 - відповідно радіуси внутрішнього і зовнішнього електродів), отримано вираз, що з нього визначається оптимальне відношення R0/r0, для якого "напружений об'єм" є мінімальним, або для якого термін служби буде максимальним

. (16)

З виразу (16) виходить 2,73<(R0/r0)min<4,5, а можлива область значень R0/r0, що відповідають області мінімальних значень "напружених об`ємів", складає 2,4<R0/r0<7,7. Здобутий результат підтверджується експериментальними даними, причому характерний радіальний розмір "напруженого об`єму" становить (36)% товщини ізоляції між електродами.

Розрахункові значення n за концепцією "напруженого об`єму" у формулі "життя" (1) для кабельної ізоляції складають 4<n<15. На відміну від конденсаторних конструкцій із гострими кромками розрахунок за теорією "напруженого об'єму" показав, що більші значення n відповідають меншим робочим градієнтам.

Процес руйнування ізоляції біля тупого кута краю обкладки, розглянутий у першому розділі, супроводжується екрануванням гострого кута краю об'ємним зарядом ЧР.

У другому розділі розглянуто питання про екранування гострого краю обкладки конструктивними заходами. Розв'язання задачі екранування дає можливість дістати суттєвий виграш у питомій запасеній енергії конденсаторів з великою товщиною діелектрика. Для таких конструкцій руйнування ізоляції в 99,9% випадків відбувається на краях обкладок, а можливості ізоляції, що знаходиться під обкладками, залишаються не затребуваними. Введення між обкладками додаткових обкладок, з'єднаних з одним з електродів, істотно підвищує ємність конденсатора і дозволяє наблизити умови роботи ізоляції в середній частині до умов роботи ізоляції у крайовій зоні.

Методом конформних перетворень розв'язано задачу щодо визначення оптимальних відстаней між обкладками і екранами, довжин виступів обкладок відносно одна одної з урахуванням критерію рівності напруженостей елект-ричного поля в рівновіддалених від краю точках (або на пропорційних відрізках). Здобуто такі залежності напруженості поля Еr1 і Er2 відповідно поблизу країв екрана та екранованої обкладки

; , (17)

де коефіцієнти А і В визначаються: d - відстань між екраном і обкладкою протилежної полярності, d - відстань між екраном і екранованою обкладкою, де - коефіцієнт, U0 - потенціал екрану і екранованої обкладки.

Згідно з концепцією "напруженого об'єму" при довжині виступу екрана L"d пробій біля краю екрана і екранованої обкладки розвивається одночасно, якщо виконується умова =0,5.

Експериментальна перевірка короткочасної електричної міцності зразків паперо-касторових секцій з товщинами діелектрика d(1-)=100 мкм і d=10100 мкм при товщині одного аркуша паперу КОН-2, що дорівнює 10 мкм, показала, що умова рівнозначності перебігу пробивних процесів (число місць пробоїв біля краю екрана і екранованої обкладки однакове) настає при =0,41. При цьому електрична міцність секцій з екранами на 28% більша, ніж секцій без екрана.

Цій умові відповідає результат за концепцією "напруженого об`єму", якщо врахувати товщину екранованої обкладки і скошену форму краю обкладки. Для практичних розрахунків (без врахування товщини обкладки) можна застосовувати формальний критерій рівнозначності пробою, що полягає в досягненні однакових значень напруженостей поля на пропорційних відрізках і застосування якого до даного випадку дає значення =0,38.

Поставлено і розв`язано задачу оптимізації конденсаторних конструкцій з кількома екранами з врахуванням зсуву між краями екранів. При випробуванні секцій з різною кількістю екранів електрична міцність секцій із будь-яким числом екранів перевищує електричну міцність без екрана в кращому разі на 50%, а місця розташування пробоїв секцій з екранами концентруються в основному по площі екранованої обкладки. Таким чином, експеримент показав, що недоцільно використовувати більше, ніж 2 екрани, а розрахунок системи з 2 екранами можна звести до послідовного розрахунку двох систем з одним екраном. Наводиться опис конструкції імпульсних конденсаторів КІМ 46 і КІМ 46А, на номінальну напругу 100 кВ, секції яких виконано зі збільшеною ємністю за рахунок введення в середній частині секцій додаткових обкладок, електрично з`єднаних з однією з основних. При цьому термін служби, що визначається процесами руйнування на краях основних обкладок, не змінюється, а ємність збільшується на 20% у порівнянні з типовими секціями, В унікальному надвисоковольтному імпульсному конденсаторі КІМ 32 на 2,5 МВ, виконаному за типом конденсаторного вводу, введення додаткових обкладок у центральній частині між зрівняльними в перших і останніх витках намотки та з`єднаних із зрівняльними дозволило отримати поліпшений розподіл електричного поля на краях зрівняльних обкладок, що забезпечило підвищення надійності. Зменшенню довжини виводу і індуктивності конденсатора КІМ 32 сприяли оригінальна конструкція бар`єрної ізоляції поблизу країв обкладок у вигляді продовження робочої ізоляції, загнутої на кут, близький до 90, і поліпшення розподілу поля уздовж зовнішньої поверхні ізолятора виводу за допомогою зовнішніх екранів. Конденсатор КІМ 32 використовується як загострювальна ємність генератора імпульсних напруг (ГІН), створеного в НДПКІ "Молнія" для одержання імпульсів напруги з крутим фронтом.

Запропоновано методику і обгрунтовано вибір оптимального положення ініціюючого електрода у високовольтному ємнісному розряднику, що працює за принципом викривлення поля у складі загострювального пристрою ГІН, в якому ініціюючий електрод із гострими кромками розташований паралельно площині основних електродів. Задача щодо визначення напруженості поля розв`язана у припущенні, що потенціал ініціюючого електрода відрізняється від потенціалу еквіпотенціальної поверхні, у площині якої він розташований. Для розглядуваної системи електродів із двома розрядними проміжками вплив характеру розподілу поля врахований за допомогою умови рівності короткочасної електричної міцності проміжків із використанням експериментальних залежностей електричної міцності у різко неоднорідних проміжках від коефіцієнта посилення електричного поля. Коефіцієнт посилення поля визначається як відношення напруженості електричного поля біля гострої кромки ініціюючого електрода у рівновіддалених точках до середньої напруженості поля в кожному з проміжків.

На рис.7 показано залежність оптимального співвідношення довжин проміжків від коефіцієнта переполюсування

p=(UnU0)(1+)/U0,

де Uп - потенціал ініціюючого електрода, U0 - різниця потенціалів між основними електродами, - відношення проміжків.

При р=1 (повне переполюсування керуючого електрода) здобуто =5,15. За неповного переполюсування (р<1) значення зростають.

Наведено оригінальні рішення конструкції рідинного і твердотільного високовольтних комутаторів, що працюють за принципом викривлення поля і конструкції високовольтних ємнісних датчиків для вимірювання сильних імпульсних електричних полів, у яких використовується ефект екранування. Технічна реалізація рішень за ефектом екранування в більшості випадків вимагає ускладнення технологічних операцій, тому застосовується здебільшого для створення унікального високовольтного обладнання. Більш відомим є спосіб послаблення електричного поля біля гострої кромки обкладки в силових електричних конденсаторах за допомогою застосування комбінованої ізоляції.

У третьому розділі наводяться методики оцінки терміну служби силових конденсаторів з урахуванням електрофізичних параметрів комбінованої ізоляції.

У припущенні розташування конденсаторної ізоляції завтовшки d на пружній основі, що моделює дію решти шарів діелектрика і обкладок, і дію на ізоляцію жорстким штампом - обкладкою, визначено рівняння вигину границі розділу середовищ. Аналіз рішення показав, що максимальні значення кута вигину границі розподілу середовищ не перевищують 7. Тому границя розділу середовищ для типової моделі краю обкладки у першому наближенні приймається паралельною площині обкладок.

Облік діелектричних проникностей діелектриків при обчисленні "напруженого об'єму" виконується за допомогою визначення коефіцієнта посилення електричного поля, що дорівнює відношенню тангенціальної складової напруженості електричного поля з неоднорідним діелектриком до тангенціальної складової напруженості електричного поля з однорідним діелектриком уздовж поверхні розділу діелектриків у рівновіддалених від краю обкладки точках. Наприклад, для моделі краю обкладки з прямокутною формою з урахуванням електричних проникностей діелектрика 1 між обкладками і масляним прошарком 2 біля краю обкладки коефіцієнт посилення поля при незмінних геометричних розмірах розрахункової моделі визначається за формулою

, (18)

де коефіцієнт С 1 визначено чисельно методом граничних інтегральних рівнянь і представлено графічними залежностями для різних і відношень 12; - відома функція відношення 12 і кута збігу граней краю обкладки.

Для моделі краю обкладки з комбінованим діелектриком (між обкладками розташовані шари діелектрика, що розрізняються значеннями діелектричних проникностей), розроблено методику розрахунку коефіцієнта посилення поля для еквівалентної моделі. Еквівалентна модель включає один шар діелектрика між обкладками, товщина якого визначається співвідношенням товщини і діелектричних проникностей шарів діелектрика вихідної системи, а діелектрична проникність дорівнює діелектричній проникності шару діелектрика, що прилягає до торця обкладки. Проведено оцінки термінів служби комбінованої ізоляції силових конденсаторів за концепцією "напруженого об`єму". Розрахунковій показник степеня у формулі "життя" (1) зменшується за абсолютною величиною в разі, якщо діелектрична проникність шару масляного прошарку, що примикає до краю обкладки, менша за діелектричну проникність діелектрика між обкладками. Відомі і здобуті автором результати експериментальних досліджень показали, що, оцінюючи термін служби за теорією "напруженого об'єму", необхідно враховувати значення електричної міцності Ем шару діелектрика, що прилягає до обкладки, і коефіцієнта посилення поля Кп, а порівняльні розрахунки "напружених об'ємів" дають задовільні результати за оцінкою терміну служби імпульсних конденсаторів, якщо (r/d)=0,010,05.

При розрахунку терміну служби імпульсних конденсаторів необхідно враховувати питому електропровідність масляного прошарку, що прилягає до краю обкладки. Наведено методику розрахунку електричного поля біля краю обкладки в усталеному режимі роботи імпульсних конденсаторів із частотою проходження імпульсів понад 0,1 Гц і коли тривалість заряду перевищує тривалість розряду в 10 і більше разів. Розрахунок розподілу напруженості поля уздовж поверхні розділу діелектриків для усталеного режиму аперіодичних імпульсів виконано за еквівалентною схемою заміщення діелектрика методом частотних характеристик.

У схемі R1, C1 i R2, C2 - еквівалентні емнісні і активні опори діелектриків 1 і 2, Z0 - аналітичний вираз загального опору схеми заміщення при великій кількості ланок. За значеннями U1 і U2, обчислених у вузлах схеми заміщення, визначається різниця потенціалів на опорах Z2 і відповідно напруженості електричного поля уздовж поверхні розподілу середовищ діелектриків Ек до моменту закінчення заряду в усталеному режимі роботи. Напруженість електричного поля на відстані l (характерний розмір, що відповідає кроку розбиття ланцюжкової схеми заміщення) до моменту закінчення заряду визначається за формулою

, (19)

де Еп 0 і Ек 0 - напруженості електричного поля в початковий і кінцевий моменти часу дії зарядного імпульсу напруги, розраховані за схемою для режиму T"11 (T - період проходження імпульсів, 11 - постійна часу будь-якої з ланок схеми заміщення); Еr - напруженість поля, що визначається польовими методами розрахунку електричного поля без урахування питомих електропровідностей діелектрика для величини потенціалу, усталеного на обкладці до кінця імпульсу; Еk -напруженість поля в кінцевий момент часу дії зарядного імпульсу напруги для режиму, що розраховується.

Для усталеного режиму з частотою проходження слабозатухаючих імпульсів (більш ніж 0,1 Гц) максимальне значення напруженості біля краю обкладки становить

, (20)

де Езв - максимальна напруженість поля поблизу краю обкладки в перший півперіод зворотної напруги, що визначається польовими методами розрахунку електричного поля без урахування питомих електропровідностей діелектриків. Формула справедлива за умовами Е<0,5Еr для аперіодичного режиму, та (1+1/)2 |Ek|/(|Eп 0|+||Eк 0|) для слабозатухаючих коливальних імпульсів.

Розраховано значення Ек, Eп 0, Ек 0 для паперо-касторової і паперо-масляної ізоляції в залежності від часу заряду і форми напруги. Проведено аналіз оцінки терміну служби за теорією "напруженого об'єму". Показано, що найкращим режимом з точки зору розподілу поля є усталений режим аперіодичних імпульсів зі шпаруватістю, яка дорівнює 1, з формою зарядної напруги, близької до косокутної (базовий режим). Режим роботи конденсатора з великою шпаруватістю понад 10 і з такою самою формою імпульсу напруги спричиняє зменшення терміну служби у 2n рази (n - показник степеня у формулі "життя"). Якщо в базовому режимі розряд конденсатора є слабозатухаючим коливальним, то термін служби зменшується до 3n разів. Якщо заряд конденсатора здійснюється з витримкою під напругою, близькою до номінальної для більшої частини часу заряду, термін служби зменшується до 4n разів. При збільшенні частоти проходження імпульсів за незмінного значення сталої часу заряду є можливим збільшення терміну служби.

У четвертому розділі наводяться результати ресурсних випробувань секцій конденсаторів з урахуванням чинників, що визначають величини "напружених об'ємів", а також чинників, пов'язаних із фізичними властивостями застосовуваних діелектриків, аналіз і обговорення результатів дослідження.

Визначено вплив розподілу поля на ресурс секцій із різним вмістом лавсанової плівки (товщина одного листа 20 мкм) і паперу (товщина одного листа КОН 2 10 мкм) для відносно великої товщини діелектрика (порядку 100 мкм) із просоченням касторовим маслом і проведено їх ресурсні випробування в імпульсному режимі.

Товщина обкладки склала 11 мкм. При проведенні випробувань застосовано планування за схемою дрібного факторного експерименту для чотирьох чинників: напруженості електричного поля Е (100, 130, 160 кВ/мм), декремента коливань (1,38; 2; 2,62), частоти розрядного струму F (20, 100, 180 кГц), що змінюються на 3-х рівнях і відсоткового вмісту плівки П(%), що змінюється на 6 рівнях (0, 20, 40, 60, 80, 100). Частота проходження імпульсів у випробуванні склала 5 Гц.

...