Регулирование электрических полей

Целью регулирования электрического поля является повышение эффективности использования изоляции за счет повышения однородностиэлектрического поля. Выравнивание электрического поля в теле изолятора и на его поверхности позволяет уменьшить габариты изоляционных конструкций. При этом img на поверхности твердого диэлектрика не должна превышать img на поверхности электродов в отсутствии твердого диэлектрика. Добиться этого можно выбором оптимальной конфигурации изолятора, применением системы экранов и другими приемами.

Для оптимизации конструкций изоляторов не только рассчитываются электростатистические поля и их искажение объемным зарядом, но и учитываются процессы, происходящие в объеме и на поверхности изоляторов, которые влияют на распределение поля. Анализ электрических полей для некоторых простейших конструкций можно осуществить аналитически. Поля в сложных конфигурациях моделируются в электрических ваннах или на полупроводящей бумаге. Поля сложной конфигурации рассчитываются численно на ЭВМ (методы интегральных уравнений, эквивалентных зарядов, сеток и др.) с обеспечением погрешности вычисления img не более 5-10%.

Для характеристики формы электрического поля в изоляционном промежутке используют коэффициент неоднородности поля img, где img и img - соответственно, максимальная и средняя напряженность в промежутке, или коэффициент использования изоляции img.

При отсутствии специальных мер электрические поля в изоляционных конструкциях установок высокого напряжения получаются, как правило, резконеоднородным (img > 3,0). Изоляционные промежутки с такими полями обладают рядом существенных недостатков. Так в воздушных промежутках с img > 3,0 при относительно низких напряжениях возникает коронный разряд, сопровождающийся значительными потерями энергии и мощными радиопомехами. Средние разрядные напряженности для таких промежутков при изоляционных расстояниях до 2 метров - примерно в 4-5 раз ниже, чем для промежутков со слабонеоднородными полями. При увеличении изоляционных расстояний свыше 2 метров средние разрядные напряженности постепенно снижаются еще больше.

Для внутренней изоляции практически любого типа с резконеоднородными электрическими полями характерны относительно низкие напряжения возникновения частичных разрядов и, следовательно, низкие длительная и кратковременная электрические прочности.

Выравнивание электрического поля во всех случаях дает повышение электрической прочности промежутков и позволяет сократить изоляционные расстояния в конструкции. Например, толщина d внутренней изоляции во многих случаях определяется из условия img, где img - допустимая максимальная напряженность при расчетном значении напряжения img. Этому условию соответствует неравенство img. Следовательно, выравнивание электрического поля дает уменьшение толщины внутренней изоляции пропорционально img. Таким образом, с помощью регулирования электрических полей решаются задачи снижения потерь на корону и уровня радиопомех, а так же уменьшение изоляционных расстояний во внешней и внутренней изоляции. Тем самым решаются задачи создания экономически целесообразных высоковольтных конструкций.

Оптимальная степень выравнивания поля должна определяться в каждом конкретном случае на основе анализа технико-экономических показателей всех возможных вариантов исполнения установки в целом. Опыт разработки изоляционных конструкции свидетельствует о том, что с увеличением img экономическая эффективность различных средств регулирования электрических полей резко возрастает. Для сверх- и ультравысоких img конструкций без эффективного регулирования полей, как правило, технически неосуществимы.

Способы регулирования:
  1. Подбор радиусов кривизны поверхностей электродов.
  2.  
  3. Профилирование поверхности электродов.
  4.  
  5. Секционирование изоляционных конструкций.
  6.  
  7. Проводящие и полупроводящие покрытия.
  8.  
  9. Градирование изоляции.
  10.  
  11. Распределение напряжения между электродами с помощью дополнительных конденсаторов.
  12.  
  13. Диэлектрические покрытия электродов.
  14.  
  15. Ограничение размеров областей повышенных Е, обусловленных шероховатостью поверхностей электродов.
  16.  
  17. Комбинирование изоляционных материалов.
  18.  
  19. Расщепленные провода и экраны.
  20.  
Подбор радиусов кривизны поверхностей электродов

При приближении к участку поверхности электрода с малым радиусом кривизны имеет место резкое возрастание напряженности Е. Для электростатических полей без объемных зарядов имеет место "закон кривизны"

img(53)

где Е - абсолютное значение напряженностей электрического поля в некоторой точке поля, n - нормаль к эквипотенциальной поверхности в рассматриваемой точке, r1 и r2 - главные радиусы кривизны эквипотенциальной поверхности в той же точке. Напомним, что производная по выделенному (вдоль img) к поверхности направлению img, где img - направляющие косинусы.

В частном случае, когда img (плоско-параллельное поле)

img(54)

Таким образом, для уменьшения img в промежутке при неизменном изоляционном расстоянии необходимо увеличивать радиусы кривизны поверхностей электродов. В этом и состоит суть данного метода регулирования поля.

Пример

Соосные цилиндры (модель одножильного кабеля)
img

img.

Условия нормальной работы: соблюдение img (55) (допустимой для данного вида изоляции максимальной напряженности в промежутке при рассматриваемом виде воздействия напряжения - испытательном, рабочем). Тогда, учитывая (55), получаемimg.

При r2=const, т.е. при неизменных внешних размерах конструкции, максимум img определяется условием img, которое соблюдается при оптимальном значении радиуса внутреннего электрода img. Данное соотношение следует из последовательности уравнений img

Значение img дает минимум напряженности img в промежутке (при r2=const и U=const). Ему соответствует максимальное значение допустимого напряжения img.