AKADEMIA GÓRNICZO - HUTNICZA

im. Stanisława Staszica w Krakowie

Wydział Elektrotechniki, Automatyki, Informatyki i Elektroniki

KATEDRA ELEKTROENERGETYKI

Grzegorz Ptak

Witold Ziajor

Analiza warunków sterowania rozkładem pola elektrycznego w urządzeniach elektrycznych wysokiego napięcia.

Praca magisterska

Promotor:

Prof. dr hab. inż. Barbara Florkowska

Kraków, czerwiec 2006

Pragniemy złożyć serdeczne podziękowania

Pani prof. dr hab. inż. Barbarze Florkowskiej, za pomoc merytoryczną w trakcie powstawania niniejszej pracy.

Spis treści

Wstęp

Celem niniejszej pracy jest analiza warunków sterowania rozkładem pola elektrycznego w urządzeniach elektrycznych wysokiego napięcia.

Na rozkład pola elektrycznego w układach izolacyjnych urządzeń ma wpływ wiele czynników, można tu wyróżnić m.in.: sposób uwarstwienia materiału izolacyjnego, rodzaj uwarstwienia, właściwości dielektryczne materiałów izolacyjnych, kształt elektrod, rodzaj napięcia.

Pole elektryczne jest własnością przestrzeni, w której na ładunki w niej umieszczone działają pewne siły. Własność ta generowana jest przez układ ładunków elektrycznych. Problemy związane z wartością natężenia pola elektrycznego w układzie izolacyjnym nabrały szczególnego znaczenia wraz ze wzrostem wartości napięć znamionowych, a tym samym wraz z koniecznością podnoszenia wymagań wytrzymałości elektrycznej izolacji. Jednocześnie z tendencją do miniaturyzacji urządzeń elektroenergetycznych, przebiega rozwój technik izolacyjnych - powstają coraz to nowe materiały, konstrukcje oraz procesy montażu i instalacji wspomnianych urządzeń, w których główny nacisk kładzie się na minimalizację skutków działania pola elektrycznego wewnątrz konstrukcji.

Rozdział pierwszy poświęcony jest krótkiej charakterystyce niektórych urządzeń elektroenergetycznych, przede wszystkim tych konstrukcji urządzeń elektrycznych, w których problem równomiernego rozkładu pola elektrycznego jest jednym z podstawowych na etapie projektowania i w eksploatacji. Omówiono w nim również materiały izolacyjne wykorzystywane do budowy tych urządzeń.

W rozdziale drugim przedstawiono zagadnienia dotyczące podstaw doboru roboczego natężenia pola elektrycznego, a w tym m.in. czynniki wpływające na rozkład pola elektrycznego oraz zależności umożliwiające dobór metody sterowania rozkładem pola elektrycznego do konkretnych układów izolacyjnych.

Kolejne rozdziały poświęcone są szczegółowo problemom sterowania rozkładem pola elektrycznego w maszynach elektrycznych, kablach, elementach konstrukcji rozdzielni SF₆. Dodatkowo scharakteryzowane zostały przykłady konstrukcji układów izolacyjnych głowic i muf kablowych. W pracy zawarta jest również analiza obliczeniowa, której efektem są rozkłady natężenia pola elektrycznego w wybranych elementach urządzeń.

W rozdziale trzecim dokonano obliczeń, które umożliwiły otrzymanie przykładowego rozkładu pola elektrycznego wzdłuż izolacji pręta na wyjściu ze żłobka stojana maszyny elektrycznej, a następnie dokonano symulacji wykorzystania powłoki przewodzącej umieszczonej przy krawędzi blachy stojana dla różnych wartości rezystancji zastosowanej powłoki.

W rozdziale czwartym w sposób szczegółowy przedstawiono rozkład natężenia pola elektrycznego w kablu o izolacji papierowo-olejowej, jak również przedstawiono wpływ wtrąciny gazowej na ten rozkład. Dzięki obliczeniom zawartym w rozdziale 4.4., przeanalizowano wpływ uwarstwienia izolacji na zmniejszenie wymaganej grubości izolacji kabli elektroenergetycznych. Obliczenia te dotyczą dwóch napięć znamionowych kabli: 400kV oraz 1100kV.

Rozdział szósty zawiera przykład obliczeniowy projektowania izolatora przepustowego transformatorowego, w którym wykorzystuje się pojemnościową metodę sterowania rozkładem pola elektrycznego. Obliczenia uwzględniają wymagania elektryczne stawiane jego izolacji.

Ostatni rozdział dotyczy zasad projektowania niektórych elementów rozdzielni izolowanych gazem SF₆. Opisano w nim przykłady optymalizacji rozkładu pola elektrycznego przez odpowiednie wymiarowanie toru prądowego oraz łącznika kulistego rozdzielni gazowych.

1. UKŁADY IZOLACYJNE URZĄDZEŃ ELEKTYCZNYCH WYSOKIEGO NAPIĘCIA

1. Charakterystyka podstawowych konstrukcji urządzeń elektroenergetycznych

Konstrukcje urządzeń elektrycznych wysokiego napięcia projektowane są z uwzględnieniem oddziaływania pola elektrycznego na ich układy izolacyjne, ponieważ silne pole elektryczne jest jednym z najważniejszych narażeń eksploatacyjnych. Wysokonapięciowe układy izolacyjne stosowane w sieciach i obwodach głównych urządzeń i aparatów elektrycznych oddzielają tory prądowe różnych faz od siebie oraz od uziemionych części sieci lub urządzenia. Istnieje umowny, ogólny podział rozwiązań konstrukcyjnych na układy izolacji zewnętrznej oraz wewnętrznej. Do pierwszej grupy należą odstępy powietrzne doziemne i międzyfazowe oraz między okuciami izolatorów liniowych, stacyjnych i aparatowych. Do układów izolacji wewnętrznej należą różnego rodzaju odstępy izolacyjne bezpowietrzne wewnątrz obudów, kadzi lub osłon izolatorów przepustowych, kabli, kondensatorów, transformatorów, generatorów i różnych aparatów elektrycznych. Powinny być one wykonywane z odpowiednio dobranych i ukształtowanych materiałów elektroizolacyjnych. Mogą to być układy jednowarstwowe lub też wielowarstwowe. Od ukształtowania rozkładu pola elektrycznego w przestrzeni międzyelektrodowej zależy w dużej mierze wytrzymałość elektryczna oraz inne własności izolacji. W wysokonapięciowej technice izolacyjnej rzadko spotyka się pole elektryczne równomierne, czyli o niezmiennym rozkładzie natężenia w przestrzeni międzyelektrodowej. Miarą nierównomierności rozkładu pola elektrycznego, związanego z ukształtowaniem geometrycznym elektrod i odstępem elektrod, jest współczynnik nierównomierności pola wyrażany wzorem:

(1.1)

gdzie: E_max - największa wartość natężenia pola w układzie izolacyjnym;

E_śr = U/a - średnie natężenie pola elektrycznego w układzie izolacyjnym;

U - napięcie między elektrodami;

a - odstęp elektrod.

W konstrukcjach wysokonapięciowych układów elektroizolacyjnych elektrody kształtuje się tak, aby uzyskać możliwie najkorzystniejszy rozkład pola elektrycznego. Kształtowanie to polega przede wszystkim na:

• unikaniu ostrych krawędzi,

• stosowaniu małych krzywizn elektrod,

• zwiększaniu przekroju przewodów.

Dążenie do niwelowania obecności ostrych krawędzi wynika z faktu, iż zbyt wysokie zagęszczenie linii pola elektrycznego prowadzi do zbytniej jonizacji otaczającego dielektryku a tym samym inicjuje powstawanie wyładowań niezupełnych.

Rysunek 1.1. Fragmenty obrazu pola elektrycznego przy krawędziach elektrod płaskich: a) nie profilowanych; b) profilowanych [15].

Układy izolacyjne dzielą się na jednorodne i niejednorodne, te ostatnie z kolei dzieli się na układy uwarstwione równolegle i szeregowo. Ze względu na rozkład natężenia pola elektrycznego, można na wstępie przytoczyć dwa przykłady układów izolacyjnych:

• charakteryzujące się obecnością wyłącznie składowej stycznej (lub jej przewagą) natężenia pola elektrycznego,

• charakteryzujące się przewagą składowej normalnej.

Zobrazowanie tego podziału widoczne jest na rysunkach od (1.2.) do (1.5.).

Rysunek 1.2. Układ o polu niejednostajnym i dużej składowej stycznej do powierzchni rozdziału dielektryków [1].

a) - izolator stacyjny, wsporczy wnętrzowy typu SWCK;

b) - schemat zastępczy;

c) - rozkład pola elektrycznego;

1 - część ceramiczna;

2 - kołpak.

Rysunek 1.3. Układ o polu niejednostajnym i dużej składowej stycznej do powierzchni rozdziału dielektryków [1].

a) - izolator liniowy długopniowy typu LP;

b) - schemat zastępczy;

c) - rozkład pola elektrycznego;

1 - część ceramiczna;

2 - kołpak.

Rysunek 1.4. Układ o polu niejednostajnym i dużej składowej normalnej do powierzchni rozdziału dielektryków [1].

a) - izolator stacyjny, przepustowy, wnętrzowy typu SP;

b) - rozkład pola elektrycznego;

1 - część ceramiczna;

2 - kołnierz;

3 - sworzeń.

Rysunek 1.5. Układ o polu niejednostajnym i dużej składowej normalnej do powierzchni rozdziału dielektryków [1].

a) - izolacja uzwojenia stojana maszyny elektrycznej - fragment uzwojenia na wyjściu pręta ze żłobka;

b) - rozkład pola elektrycznego;

1 - część ceramiczna;

2 - kołnierz;

3 - sworzeń.

1. Konstrukcje kabli elektroenergetycznych

Jedno- i trójfazowe kable elektroenergetyczne wysokiego napięcia są mniej lub bardziej giętkimi żyłami roboczymi, izolowanymi względem siebie i uziemionej powłoki metalowej oraz zabezpieczonymi przed oddziaływaniami zewnętrznymi za pomocą osłon ochronnych. Rozwój przesyłu wielkich mocy liniami kablowymi, wymusza na producentach doskonalenie tradycyjnych konstrukcji oraz poszukiwanie nowych rozwiązań. Już w 1795 roku zaczęto stosować papier do izolowania przewodów [11] a początki szybkiego doskonalenia techniki kablowej sięgają 1880 roku, w którym to zastosowano po raz pierwszy wulkanizowaną gumę oraz masę bitumiczną, przy napięciach przesyłu nieprzekraczających wówczas 1 kV [3]. Od tego czasu obserwuje się bezustanny rozwój w tej dziedzinie i obecnie napięcia znamionowe kabli sięgają ponad kilkuset kV. Budowa kabli elektroenergetycznych determinowana jest dostosowaniem ich do różnych warunków eksploatacyjnych. Kable przeznaczone do przesyłu wielkich mocy wymagają stosowania niekonwencjonalnych rozwiązań konstrukcyjnych wielowarstwowej izolacji wewnętrznej. Wraz z rosnącymi wymaganiami niezawodności i żywotności, wyposaża się kable w coraz to nowe powłoki ochronne, spełniające jednocześnie rolę ekranów przewodzących lub półprzewodzących, niezbędnych dla niwelowania skutków działania silnego pola elektrycznego podczas pracy. W związku z doświadczeniami eksploatacyjnymi, w których uwzględniano czynniki takie jak współczynnik strat dielektrycznych, przenikalność elektryczną względną oraz natężenie robocze pola elektrycznego w izolacji, dowiedziono, iż w warunkach długotrwałej pracy typowych konstrukcji kabli najlepiej sprawdza się izolacja z polietylenu usieciowanego [10, 3]. Odchodzi się więc dziś od stosowanej do niedawna najpowszechniej izolacji papierowo-olejowej, co wiąże się również z coraz ostrzejszymi wymogami ochrony środowiska. Jednym z nielicznych mankamentów izolacji polietylenowej jest jej krótka żywotność związana ze zjawiskiem drzewienia wodnego. W związku z powyższym, izolacja ta wymaga stosowania dodatkowych warstw wykonanych z materiałów o zwiększonej odporności na działanie wilgoci, bądź też uszczelnia się kabel za pomocą barier. Typowymi rozwiązaniami są dwa rodzaje uszczelnień:

• system ochrony promieniowej (powłoka metalowa, zwiększenie grubości powłoki zewnętrznej, zamiana powłoki ochronnej z PCV na powłokę wykonaną z PE);

• system ochrony wzdłużnej (w obszarach żył roboczych i ekranów oraz pomiędzy żyłami kabli wielożyłowych). Stosuje się półprzewodzące żele i proszki, powstrzymujące rozprzestrzenianie się wilgoci, bądź też higroskopijną przędzę odciągającą wilgoć od izolacji głównej.

Kable średnich i wysokich napięć wykonuje się jako trójfazowe (trójżyłowe, czterożyłowe) lub jednofazowe. Spotykane są konstrukcje z większą ilością żył, lecz są wykonywane tylko do specjalistycznych celów i nie można ich klasyfikować jako kabli elektroenergetycznych [11, 14].

Podstawowe typy kabli:

• z izolacją promieniową,

• z izolacją rdzeniową,

• olejowe niskociśnieniowe i wysokociśnieniowe,

• gazowe o ciśnieniu wewnętrznym i zewnętrznym.

Ze względu na wielorakość wykorzystywanych obecnie konstrukcji kabli, omówione zostaną tylko najważniejsze elementy składowe powszechnie stosowanych kabli elektroenergetycznych. Budowa kabli pod względem rozkładu pola elektrycznego scharakteryzowana jest w rozdziale 4.

Rysunek 1.6. Przykład konstrukcji kabla z izolacją XLPE [9].

1 - żyła robocza Cu lub Al; 2 - ekran półprzewodzący na żyle roboczej; 3 - izolacja XLPE; 4 - ekran półprzewodzący na izolacji; 5 - taśma półprzewodząca blokująca wodę; 6 - ekran metaliczny; 7 - taśma półprzewodząca blokująca wodę; 8 - powłoka ołowiana; 9 - taśma poliestrowa lub polipropylenowa; 10 - powłoka zewnętrzna.

Żyła robocza - stosuje się jednodrutowe, bądź wielodrutowe w zależności od materiału i przekroju żyły. Rozróżnia się trzy typowe konstrukcje - żyły okrągłe, sektorowe lub owalne, stosowane w zależności od przeznaczenia kabla. Żyły okrągłe są mniej ekonomiczne od sektorowych, gdyż przy tym samym przekroju żył i napięciu znamionowym średnica kabla o żyłach sektorowych wypada o ok. 15 % mniejsza niż średnica kabla o żyłach okrągłych. Jednak stosowanie żył sektorowych jest ograniczone występowaniem przy wyższych napięciach zbyt dużych natężeń pola elektrycznego wskutek „ostrych” krawędzi [11].

Rysunek 1.7. Przekroje budowy żył kablowych wielodrutowych.

a). żyła okrągła; b). żyła sektorowa; c). żyła owalna [11].

Rysunek 1.8. Przykład współczesnej wielodrutowej żyły roboczej - żyła Millikena 2000mm² (5x376/72+120) [9].

1) linka centralna 120mm² - 18 drutowa

2) linka sektorowa 376/72 - 60 drutowa

3) przekładka z taśmy izolacyjnej

4) taśma półprzewodząca

Obwój taśmą półprzewodzącą żyły roboczej - w przypadku żył skręcanych służy nie tylko do wysterowania pola elektrycznego na ich krawędziach, lecz również jako zabezpieczenie przed wnikaniem wilgoci.

Ekran na żyle roboczej - we współczesnych konstrukcjach wytłaczany jest półprzewodzący polietylen, który musi spełniać aktualne normy wymagające odpowiedniej rezystywności skrośnej oraz gładkości.

Izolacja - po żyle roboczej jest najważniejszym elementem kabla, stąd przywiązuje się do jej projektowania i wykonania największą uwagę. Wykonywana jest z różnych materiałów, do niedawna najczęściej jako papierowo-olejowa, obecnie głównie z polietylenu usieciowanego (XLPE). Coraz powszechniejsze staje się wykonywanie izolacji wielowarstwowych, łącząc kilka rodzajów izolacji (jak to ma miejsce w kablach hybrydowych, z warstwą izolacji papierową przesycaną i odgrodzoną od niej warstwą XLPE). Wykonywanie izolacji wielowarstwowych stało się konieczne ze względu na podwyższanie się napięć przesyłowych i związanym z tym wzrostem wartości natężenia pola elektrycznego. Uwarstwienie izolacji wynika z faktu, iż natężenia pola w stykających się dielektrykach w pobliżu powierzchni zetknięcia są odwrotnie proporcjonalne do ich przenikalności dielektrycznych. Dotyczące tego problemu zależności zostaną omówione rozdziale 2 oraz 4. Pokrywanie żył kablowych kilkoma warstwami izolacji, odgradzanymi od siebie warstwami półprzewodzącymi, ma znaczący wpływ na zmniejszenie grubości całkowitej izolacji, co z kolei przekłada się w znacznym stopniu na zmniejszenie kosztów produkcji i montażu.

Ekran wytłaczany na izolacji - spełnia podobną rolę, co ekran na żyle roboczej, jego parametry są określane przez niektóre normy, przede wszystkim powinien posiadać odpowiednią rezystywność skrośną i gładkość. Często wykorzystywanym materiałem jest półprzewodzący polietylen.

Obwój z taśmy półprzewodzącej na ekranie izolacji - niektóre normy nie wymagają jego stosowania, jednak zastosowanie tego obwoju pozwala na zwiększenie prądu zwarcia, przy którym temperatura żyły powrotnej wykonanej z miedzi może osiągać 350^oC (bez obwoju znormalizowana jest dopuszczalna temperatura 250 ^oC) [9]. W przypadku kabla uszczelnionego wzdłużnie, taśma ta zawiera dodatkowo proszek zapobiegający wzdłużnej penetracji wody. Produkuje się też taśmy o wysokim współczynniku puchnięcia, co ma korzystny wpływ w kablach na wysokie napięcia, gdzie żyły powrotne mogą być wykonane z drutów o dużej średnicy.

Żyła powrotna - jest to ekran metaliczny, wykonywany na różne sposoby. Mogą ją stanowić:

• spiralnie nałożone druty z obwojem z taśmy miedzianej stanowiącej kontakt elektryczny między drutami,

• taśma lub taśmy miedziane,

• wytłoczona powłoka ołowiana,

• wzdłużnie ułożona taśma aluminiowa,

• wzdłużnie ułożona taśma miedziana.

Powłoka zewnętrzna - najczęściej polwinitowa, wykonywana jest z materiału przystosowanego do warunków, w jakich kabel będzie pracował. Przykładowo może to być materiał zapewniający zmniejszenie palności, kwasowości, korozyjności oraz toksyczności dymów lub też zwiększenie odporności na oleje, promieniowanie ultrafioletowe, itp.

Powłoka półprzewodząca naniesiona na powłokę zewnętrzną - wykonana jest często jako powłoka z półprzewodzącego polietylenu lub polwinitu.

Poza wspomnianymi elementami, kabel, w zależności od wymagań związanych z jego umiejscowieniem, może posiadać dodatkowe warstwy jak np. pancerz stanowiący dodatkową ochronę przed uszkodzeniami zewnętrznymi.

Z układami izolacyjnymi kabli niewątpliwie integruje się problem izolacji na ich zakończeniach, mogących stanowić połączenie z urządzeniami stanowiącymi początek układu zasilania jak i odbiorami (wykorzystuje się wówczas głowice kablowe), jak również połączeniami poszczególnych odcinków linii kablowych (niezbędne jest wówczas wykorzystanie muf kablowych). Problemom izolacji muf i głowic kablowych poświęcony jest rozdział 5.

1. Układy izolacyjne transformatorów

Istnieją dwa podstawowe rodzaje transformatorów - transformatory suche oraz olejowe. Rolę czynnika chłodzącego w transformatorach suchych spełnia powietrze lub gazy obojętne. Zaletą transformatorów suchych stanowi bezpieczeństwo pożarowe, mniejsze obciążenie podłoża oraz bardziej zwarta obudowa, nie są jednak powszechnie stosowane ze względów ekonomicznych. Najliczniejszą grupę wykorzystywanych transformatorów stanowią transformatory rozdzielcze olejowo - celulozowe.

Układy izolacyjne w transformatorze olejowym są najczęściej układami:

• olejowymi,

• preszpanowo-olejowymi,

• papierowo-olejowymi.

Istotną charakterystykę wszystkich transformatorów stanowi podstawowy poziom ich wytrzymałości udarowej - jest to miara odporności transformatora na udary napięciowe, np. przepięcia łączeniowe lub podczas wyładowań atmosferycznych. Generalnie wszystkie występujące w praktyce napięcia znamionowe są ograniczone do szeregu napięć zwanym obecnie najwyższym napięciem urządzenia U_m i wszystkie układy izolacyjne transformatora są projektowane pod względem jego wartości. Do napięcia U_m przypisane są napięcia probiercze, czyli poziomy izolacji, określają one dielektryczne właściwości transformatora i są weryfikowane poprzez szereg prób wytrzymałości elektrycznej.[4, 6]

Rysunek 1.9. Górna cześć układu

izolacji twardej

i miękkiej w wysokonapięciowym

transformatorze energetycznym [6].

DN, GN - uzwojenia dolnego i górnego

napięcia

T - tuleje izolacyjne twarde

PE - pierścień ekwipotencjalny

J - pierścienie

K - klocki dystansujące

IP - izolacja papierowo-olejowa

Z punktu widzenia geometrii układu izolacyjnego transformatorów rozdzielczych, wyróżnia się: [4, 6]

• Szczelinę główną między uzwojeniami GN i DN - stanowi układ dwóch walców współśrodkowych, gdzie izolację tworzy tuleja wykonana z preszpanu falistego lub tuleja z kilku zwojów preszpanu, oklinowana jedno lub dwustronnie. Wszystko to zanurzone jest w oleju transformatorowym mineralnym lub syntetycznym.

• Układ izolacyjny między czołem uzwojenia GN i jarzmem rdzenia - tworzy go przegroda preszpanowa lub pierścień kątowy z preszpanu lub papieru.

• Układ izolacyjny między fazami - dwa walce równoległe z jedną lub kilkoma barierami preszpanowymi.

• Układ izolacyjny między izolowanym odpływem GN i kadzią - jest to układ walec-płyta z barierami preszpanowymi.

• Układ izolacyjny między izolowanymi odpływami sąsiednich faz - dwa walce równoległe lub skrzyżowane.

• Układ izolacyjny między czołami uzwojeń GN i DN,

• Układ izolacyjny styków przełącznika zaczepów do pokrywy, stalowej belki lub kadzi - jest to układ ostrze-płyta,

• Układ izolacyjny między stykami przełącznika zaczepów, styków do metalowych elementów mocujących - są to typowe układy ślizgowe po powierzchni listwy bakelitowej,

• Układ izolacyjny między warstwami uzwojenia GN - musi być odporny na zagrożenia związane z próbami napięciowymi oraz piorunowymi, dla napięć DN tego typu zagrożenie nie jest uwzględniane.

Izolacja może być wykonywana jako pełna (taka sama grubość izolacji we wszystkich warstwach) i stopniowana (różna między poszczególnymi warstwami z zależności od występujących naprężeń). Różnicować można również grubość izolacji wzdłuż wysokości uzwojenia, stosując taśmę papierową lub preszpanową, izolacja ta tworzy wówczas klin (trójkąt), który najgrubszy jest w miejscu największej różnicy potencjałów między zwojami sąsiednich warstw, a najcieńszy w miejscu gdzie różnica potencjałów równa się zeru. Najczęściej spotykanym układem izolacyjnym w transformatorach jest izolacja olejowo-celulozowa, z wykorzystaniem papieru Nomex, spełnia on bowiem, przy odpowiedniej grubości, warunki wytrzymałości udarowej. Pomimo niewątpliwych zalet układów izolacyjnych olejowo-celulozowych, coraz częściej spotyka się wykonania transformatorów rozdzielczych z układem izolacyjnym zbudowanym z żywicy.

1. Układy izolacyjne kondensatorów elektroenergetycznych

Rysunek 1.10. Budowa kondensatora

elektroenergetycznego [4]

1 - powłoka zewnętrzna (antykorozyjna);

2 - obudowa metalowa;

3 - izolacja bloku zwijek kondensatorowych od

obudowy.

4 - zwijki kondensatorowe.

Konstrukcja kondensatora elektroenergetycznego zależy od jego rodzaju i przeznaczenia. Kondensatory dzielą się ze względu na:

• rodzaj i wartość napięcia znamionowego:

• wysokonapięciowe,

• niskonapięciowe,

• na napięcie stałe,

• na napięcie przemienne o różnych częstotliwościach,

• impulsowe,

• wartość mocy biernej pojemnościowej,

• rodzaj obudowy (izolowanej bądź metalowej),

• jedno- i trójfazowe,

• rodzaju materiałów konstrukcyjnych.

Elementami składowymi wszelkich kondensatorów są zwijki kondensatorowe, w których w skład wchodzą:

• bibułka kondensatorowa; folia z tworzyw sztucznych; izolacja mieszana folia-papier; izolacja mikowa lub ceramiczna,

• elektrody z folii metalowej lub w formie naparowanej warstwy metalicznej,

• syciwo kondensatorowe lub konstrukcja zalewana żywicą utwardzającą się.

Ze względu na budowę zwijki, można wyróżnić cztery podstawowe układy izolacyjne:

• układ z dielektrykiem papierowym;

• układ z dielektrykiem mieszanym;

• układ z dielektrykiem foliowym;

• układ z dielektrykiem samoregenerującym się.

Rysunek 1.11. Płaska zwijka kondensatorowa [4].

1 - folia aluminiowa;

2 - dielektryk (o liczbie warstw zależnej od wymaganego natężenia pola elektrycznego miedzy okładzinami);

3 - styki (kontakty);

4 - występ (margines) izolacji (przeważnie ok. 10mm).

Przykładem charakterystycznym dla współczesnych kondensatorów wysokonapięciowych jest układ izolacji z dielektrykiem mieszanym, zawierającym dwie warstwy folii polipropylenowej oraz jedną warstwę papieru o grubości zapewniającej właściwe przesycenie układu płynnym syciwem. Przeciętna grubość dielektryku mieszanego jest prawie dwukrotnie mniejsza w porównaniu z układem papierowym, z zachowaniem tych samych parametrów izolacyjnych. Wpływa to w sposób korzystny na rozkład pola elektrycznego wokół okładzin.

1. Układy izolacyjne maszyn wysokiego napięcia

Ze względu na charakter pracy i związane z tym wymagania stawiane izolacji maszyny wysokonapięciowe dzieli się na cztery podstawowe grupy: [2]

• silniki asynchroniczne,

• maszyny synchroniczne i hydrogeneratory,

• turbogeneratory,

• maszyny prądu stałego, głównie trakcyjne.

Do maszyn wysokiego napięcia należą silniki i generatory jedno- i trójfazowe o mocy ponad 100 kW. Układy izolacyjne muszą być niepodatne na narażenia elektryczne, termiczne i chemiczne, muszą więc odznaczać się dużą wytrzymałością elektryczną, małą stratnością, odpornością na wyładowania niezupełne i długim okresem życia. W ciągu ostatnich dziesięcioleci materiały wykorzystywane do izolacji maszyn znacznie się zmieniły, jednak podstawowym pozostała mika. Rozróżnia się kilka metod izolacji:

• izolacja w emalii elektroizolacyjnej,

• izolacja w emalii z oprzędem szklanym lub poliestrowo-szklanym,

• izolacja z taśmy izolacyjnej,

• oprzęd szklany wzmocniony taśmą izolacyjną.

Często wykorzystywany papier mikowy posiada wadę w postaci małej wytrzymałości mechanicznej, lecz problem ten niweluje się nakładając go na nośnik w postaci syntetycznej włókniny (folii poliestrowej) lub tkaniny szklanej. Jako lepiszcza, stosuje się żywice termoutwardzalne epoksydowe, poliestrowo-epoksydowe bądź poliestrowe. Jest to najpowszechniejszy skład wspomnianej taśmy izolacyjnej.

Uzwojenie bardzo dużych maszyn elektrycznych wysokiego napięcia składa się z poszczególnych prętów, mniejszych maszyn - z cewek. W celu zmniejszenia strat dodatkowych, pręty buduje się z wzajemnie przeplecionych poszczególnych elementów, gdzie każdy element pręta przebiega przez wszystkie położenia wysokości w żłobku w ten sposób, że w poszczególnych prętach indukuje się jednakowa siła elektromotoryczna [2, 4, 6].

Rysunek 1.12. Przekrój pręta generatora [4].

W konstrukcjach uzwojeń maszyn elektrycznych szczególnie dużo uwagi poświęca się ochronie przed wyładowaniami niezupełnymi na wyjściu uzwojenia ze żłobka. Wykorzystuje się w tym przypadku metodę rezystancyjną sterowania rozkładem pola elektrycznego. Polega ona na stosowaniu powłok półprzewodzących o niewielkich rezystywnościach powierzchniowych, odpornych na wpływy otoczenia. Rolę tych powłok spełniają lakiery lub taśmy półprzewodzące, nakładane na części izolacji najbardziej narażone na skutki występowania prądów powierzchniowych. Półprzewodząca powłoka sterująca może być realizowana na dwa sposoby - jako powłoka o jednakowej grubości warstwy (nie zapewnia to jednak dokładnego wysterowania pola), lub jako powłoka o zmiennej grubości warstwy. W celu ograniczenia prądów powierzchniowych, wartość admitancji powierzchniowej powłoki ustala się w taki sposób, aby największe natężenie pola na powierzchni izolacji nie przekraczało wartości dopuszczalnej, a z badań eksperymentalnych wynika, iż najlepiej sprawdzają się powłoki o rezystancji powierzchniowej zadanej w granicach od 100 do 1000 MΩ w odniesieniu do jednego centymetra długości pręta [6]. Najlepsze efekty uzyskuje się stosując powłoki sterujące o zmiennej grubości i rezystywności, co w praktyce możliwe jest do realizacji tylko w sposób skokowy, nakładając kilka różnych warstw [1, 2, 4, 6, 7, 12, 15, 16].

Rysunek 1.13. Przykład rozwiązania wyjścia uzwojenia ze żłobka. [2]

A - warstwa przewodząca

B - zakładka warstwy półprzewodzącej na powłokę przewodzącą

C - warstwa półprzewodząca

Poprzez właściwy dobór materiału przewodzącego oraz sposób jego nałożenia, dąży się (najczęściej doświadczalnie) do otrzymania następującej charakterystyki:

Rysunek 1.14. Rozkład natężenia pola elektrycznego w układzie izolacyjnym z pokryciem przewodzącym.

1. Rodzaje materiałów w układach izolacyjnych

1. Materiały izolacyjne stałe

W każdej z grup urządzeń elektroenergetycznych, można wyróżnić przewagę pewnych narażeń eksploatacyjnych, które to determinują wymagania stawiane wykorzystywanym materiałom izolacyjnym. Ciągły postęp rozwoju techniki wytwarzania, przesyłu i rozdziału energii elektrycznej, a co się z tym wiąże zwiększone wymagania w kierunku miniaturyzacji urządzeń elektroenergetycznych, wymuszają poszukiwanie nowych materiałów elektroizolacyjnych. W związku z powyższym bardzo trudno wymienić i scharakteryzować wszystkie obecnie wykorzystywane dielektryki. W zależności od grupy urządzenia przytoczone zostaną najczęściej spotykane przykładowe materiały elektroizolacyjne. W obecnych konstrukcjach integruje się różne technologie izolacyjne, dla zapewnienia wymaganej wytrzymałości elektrycznej, wydłużenia czasu eksploatacji, względów ekonomicznych wytwarzania i użytkowania, ochrony środowiska a nawet aspektów estetycznych, wymaganych ze względu na zagęszczenie omawianych urządzeń i aparatów w aglomeracjach miejskich.

Tabela 1.1. Ogólny podział dielektryków stałych wraz z przykładami powszechnie wykorzystywanych materiałów elektroizolacyjnych: [5]

Dielektryki nieorganiczne mineralne	Dielektryki organiczne
		Naturalne	Syntetyczne
				Elastomery	Plastomery
						Termoplasty	Duroplasty
szkło, ceramika, mika	celuloza, asfalty, bitum, woski, kauczuk naturalny, bursztyn, kalafonia	polibutadien, poliizobutylen, polichloropren, polisulfon, elastomery fluorowe, elastomery silikonowe	polietylen, polistyren, poliester liniowy, poliwinyl, poliwęglan, polimery fluorowe, poliimidy	fenoplast, aminoplasty, epoksydy, poliestry, silikony

W konstrukcjach kabli elektroenergetyczne najczęściej wykorzystuje się izolację papierową przesycaną syciwem oraz syntetyczne materiały organiczne, głównie termoplasty i elastomery. Papier kablowy jest wykonywany z masy celulozowej siarczanowej, jednak spotykane są również papiery z włókien syntetycznych i papiery laminowane tworzywami sztucznymi. Głównym kryterium wyboru danego rodzaju wykorzystanego papieru jest napięcie znamionowe kabla oraz spełnianą rolę w kablu, gdyż istnieją papiery izolacyjne, półprzewodzące i metalizowane [3].

Do nasycania izolacji papierowej kabli stosuje się najczęściej syciwa olejowe pochodzenia naftowego. Syciwo zwykłe (o małej lepkości) z reguły składa się z oleju kablowego i kalafonii sosnowej dodawanej do oleju w ilości do 25%. Rozróżniamy również syciwo tzw. nieściekające, gdzie olej kablowy zagęszcza się woskami syntetycznymi (np. polietylenowym), poliizobutylenem oraz domieszkuje się kalafonię sosnową, spełniającą rolę stabilizatora właściwości [3]. Szerszą charakterystykę izolacji papierowej nasycanej zawiera rozdział 4.

Polietylen (PE):

Należy do grupy materiałów termoplastycznych. Otrzymuje się go poprzez polimeryzację etylenu, gdzie w zależności od ciśnienia stosowanego w procesie produkcyjnym, otrzymuje się polimery o różnych właściwościach i różnym stopniu krystalizacji. Do izolacji kabli stosuje się polietylen wysokociśnieniowy (polimeryzowany przy ciśnieniu od kilkudziesięciu do kilkuset megapaskali). Obecnie materiał ten jest rzadko stosowany jako główny komponent izolacji, gdyż charakteryzuje się małą odpornością na podwyższone temperatury (np. w przypadku wystąpienia prądów zwarciowych). Zastępowany jest polietylenem usieciowanym (XLPE).

Polietylen usieciowany (XLPE)

Sieciowanie (reakcję połączenia łańcuchów cząsteczek) wykonuje się poprzez zastosowanie promieniowania jonizującego lub metodami chemicznymi. Istnieje kilka podstawowych metod sieciowania - jedną z nich jest sieciowanie pod ciśnieniem pary wodnej, gazu obojętnego (np. azotu) lub cieczy, z wykorzystaniem środków sieciujących np. nadtlenków lub silanów organicznych. W wyniku sieciowania polietylen nieodwracalnie traci swoje właściwości termoplastyczne i staje się materiałem gumopodobnym - przekształca się w materiał o innych parametrach technicznych, gdzie na szczególną uwagę zasługuje zwiększona odporność na wyładowania niezupełne i wytrzymałość termiczna. XLPE jest materiałem o właściwościach elektrycznych i cieplnych znacznie korzystniejszych niż izolacja papier-syciwo, polwinit, polietylen termoplastyczny czy też guma etylenowo-propylenowa. Jedną z nielicznych wad polietylenu usieciowanego jest stosunkowo niska odporność na wyładowania niezupełne oraz drzewienie wodne, w związku z tym, w procesie produkcyjnym kabli zwraca się szczególną uwagę na niedopuszczanie do powstawania wtrącin gazowych podczas wytłaczania izolacji oraz na minimalizację procesu zawilgocenia, zarówno podczas produkcji jak również w przyszłej eksploatacji.

Polwinit (PCW)

Plastyfikowany polichlorek winylu, produkuje się poprzez zastąpienie w etylenie jednego atomu wodoru atomem chloru, otrzymany w ten sposób monomer poddawany jest procesowi polimeryzacji najczęściej metodą suspensyjną [5, 3]. Materiał ten jest stosowany głównie do izolacji kabli 3,6/6 kV a jedną z jego zalet jest uproszczenie procesu produkcyjnego kabla, gdyż w przypadku zwiększenia grubości powłoki izolacyjnej nie jest wymagane stosowanie dodatkowych ekranów półprzewodzących na żyłach i izolacji.

Guma

Należy do grupy elastomerów. Głównym składnikiem gumy kablowej jest kauczuk, niegdyś stosowany był wyłącznie naturalny, lecz obecnie wykorzystuje się w przeważającej proporcji syntetyczny. Gumę kablową produkuje się poprzez wytłaczanie kilkunastu zmieszanych ze sobą składników, gdzie następnie poddawana jest wulkanizacji - procesowi chemicznego sieciowania kauczuku. Do izolacji kabli wysokiego napięcia stosuje się mieszankę z gumy etylenowo-propylenowej. Główne zalety gumy to elastyczność i zwiększona odporność na działanie wyładowań niezupełnych. W kablach wysokiego napięcia stosuje się również gumę półprzewodzącą, wykonywaną z kauczuku butadienowo-styrenowego lub chloroprenowego - stosowana jest jako ekran półprzewodzący.

Tabela 1.2. Porównanie najważniejszych parametrów najczęściej wykorzystywanych w kablownictwie materiałów izolacyjnych wg [10]:

Parametr	Materiał izolacyjny
		Papier nasycony syciwem nieściekającym	XLPE	PE	PVC
Dopuszczalna temp. pracy ciągłej [^oC]	65	90	70	70
Dopuszczalna temp. przy zwarciu krótkotrwałym [^oC]	150	250	150	150
Temperatura topliwości [^oC]	-	nietopliwy	120 - 130	130
Temperatura starzenia cieplnego [^oC]	-	130	100	100
Względna przenikalność dielektryczna	3,5	2,3 - 2,5	2,3 - 2,6	4,0 - 6,5
Rezystywność właściwa [Ωcm] w 20 ^oC	≈10^13	≈10^16	≈10^16	≈10^13
Współczynnik strat dielektrycznych w 20 ^oC	≤0,003	≤0,004	≤0,004	≤0,1
Wytrzymałość na rozciąganie [N/mm^2]	-	12,5	10,0	12,5
Wydłużenie przy zerwaniu [%]	-	200	300	175
Gęstość [g/cm^3]	1,2	0,9	0,9	1,5

Materiały izolacyjne maszyn wirujących muszą spełniać dodatkowe kryteria w porównaniu do pozostałych dielektryków, związane jest to oczywiście z dodatkowymi narażeniami eksploatacyjnymi mechanicznymi i termomechanicznymi. Ze względu na dużą różnorodność wykorzystywanych materiałów, przedstawione zostaną w sposób poglądowy. Wyróżnić tu można:

• mika

• papier mikowy

• mikanity

• taśmy mikowe

• płyty warstwowe (warstwy tkaniny lub maty szklanej nasyconej kompozycją żywic)

• prepreg (jak wyżej lecz w stanie nieutwardzonym)

• żywice epoksydowe

• żywice silikonowe

• żywice poliestrowoimidowe

• lakiery półprzewodzące i przewodzące (żywica epoksydowa, utwardzacz, rozpuszczalnik, grafit)

• taśmy półprzewodzące i przewodzące (nici poliestrowe PETP, nici szklane, powłoki grafitowe)

• płyty warstwowe przewodzące (włókno szklane, żywice, składniki zwiększające przewodność)

• inne (np. folia poliimidowa, papier aramidowy Nomex)

Tabela 1.3. Zestawienie najważniejszych parametrów elektrycznych niektórych materiałów elektroizolacyjnych stałych [5].

Materiał	Gęstość [g/cm^3]	Rezystywność skrośna [Ωm]	Przenikalność dielektryczna względna przy f = 50Hz	Wytrzymałość elektryczna [kV/mm]
Mika krystaliczna	2,6 - 3,5	10^10 - 10^15	5 - 9	15 - 200
Mikanity	1,2 - 2,6	10^10 - 10^13	3 - 6	10 - 40
Mikoleksy	2,6 - 3,9	10^11 - 10^15	6 - 9	10 - 22
Samika	1,2 - 2,5	10^11 - 10^15	5 - 6	20 - 70
Porcelana	2,3 - 2,5	10^11 - 10^12	6 - 7	20 - 30
Stestyt	2,6 - 2,9	10^11 - 10^12	6 - 8	15 - 20
Ceramika alundowa	3,6 - 3,9	10^11 - 10^13	9	10 - 15
Szkło wapniowo-sodowe	2,45	10^10 - 10^12	6 - 8	15 - 30
Szkło borowo-krzemianowe	2,2 - 2,3	10^13 - 10^14	4,5 - 8,5	15 - 45
Szkło kwarcowe	2,18	10^15 - 10^18	3,2 - 4,2	12 - 40
Polietylen	0,92 - 0,96	10^12 - 10^17	2,2 - 2,4	15 - 25
Polipropylen	0,90 - 0,91	10^14 - 10^16	2,0 - 2,1	15 - 75
Polistyren	1,0 - 1,1	10^11 - 10^17	2,4 - 3,4	18 - 30
PCV	1,25 - 1,40	10^10 - 10^14	3,0 - 5,0	10 - 30
Kauczuk naturalny	0,9 - 1,2	10^11 - 10^1^4	2,4 - 6,0	10 - 35
Kauczuk syntetyczny	0,9 - 1,2	10^12 - 10^14	2,7 - 5,0	10 - 25
Żywica fenoloformaldehydowa	1,25 - 1,40	10^7 - 10^11	4,3 - 7,0	10 - 25
Żywica epoksydowa	1,1 - 1,9	10^10 - 10^15	3,1 - 6,5	16 - 25
Żywica poliuretanowa	1,15 - 1,22	10^11 - 10^13	3,5 - 5,0	15 - 28
Żywica silikonowa	1,6 - 2,0	10^3 - 10^12	3,8 - 5,0	12 - 20
Papier kablowy	0,8 - 1,1	10^12 - 10^15	3,5 - 3,9	18 - 40
Asfalt ponaftowy	1,0 - 1,5	10^10 - 10^14	2,2 - 3,1	5 - 30

1. Oleje izolacyjne

Należą do grupy materiałów elektroizolacyjnych ciekłych, a klasyfikuje się je najczęściej pod względem ich pochodzenia i przeznaczenia. Do najczęściej stosowanych należą oleje mineralne, które są produktem destylacji ropy naftowej. W zależności od sposobu produkcji, poszczególne oleje wyróżniają się charakterystycznymi właściwościami fizykochemicznymi i pod tym względem odpowiednie ich odmiany znalazły zastosowanie w układach izolacyjnych różnych urządzeń elektroenergetycznych. Aspektami determinującymi właściwości oleju jest jego skład chemiczny zależny od głębokości rafinacji, stopień oczyszczenia, lepkość, przenikalność elektryczna i zawartość inihibitorów (np. związków fenolowych), domieszkowanych w celu uodpornienia oleju na utlenianie. Oleje mineralne są szeroko stosowane jako materiały izolacyjne poprzez nasycanie nimi innych materiałów izolacyjnych lub wypełnianie wolnych przestrzeni izolacyjnych. Sprawdzają się dobrze nie tylko pod względem elektroizolacyjnym, ale również jako medium chłodzące i skutecznie gaszące łuk elektryczny.

Do najważniejszych ich zalet zalicza się: [6]

• dużą wytrzymałość elektryczną (natężenie przebicia sięga do 30 kV/mm),

• małą stratność dielektryczną (tgδ ≈ 4 _* 10^-3),

• dużą zdolność do efektywnego oddawania ciepła,

• dużą zdolność do gaszenia łuku,

• dużą płynność, co umożliwia przesycanie włóknistej izolacji i zapewnia ochronę przed wnikaniem wilgoci.

Do wad olejów mineralnych zaliczyć należy duży współczynnik rozszerzalności temperaturowej (powoduje to konieczność stosowania zbiorników kompensacyjnych), niedużą odporność na utlenianie, względnie niską temperaturę zapłonu par oleju, tendencję do rozkładu chemicznego, powodującego wydzielanie gazów (szczególnie pod wpływem wyładowań niezupełnych) mogących doprowadzić do wybuchu w połączeniu z powietrzem.

Powyższych wad nie posiadają oleje syntetyczne. Często stosowane są oleje produkowane na bazie węglowodorów aromatycznych, na ich upowszechnienie znaczący wpływ miały nie tylko korzystne właściwości elektroizolacyjne, lecz również biodegradalność (ze względu na rosnące wymogi ekologiczne). Do nielicznych wad tych olejów zalicza się niewielka przenikalność elektryczna względna (ε_r = 2,6 - 3,5), stąd są rzadko stosowane jako syciwo kondensatorowe. Tam gdzie duże znaczenie ma przenikalność elektryczna, częściej używa się kolejnej grupy - olejów estrowych, których ε_r = 3 - 5. Oleje te jednak mają większą stratność dielektryczną (tgδ ≈ (1-5)10^-4 przy napięciu przemiennym). Do tych najważniejszych rodzajów zaliczyć też można oleje silikonowe, występujące w bardzo wielu odmianach i używane są jako oleje transformatorowe i kondensatorowe, jednak bardzo rzadko ze względu na wysokie koszty produkcji. Odróżnia je zwiększona biodegradalność i wysoka dopuszczalna długotrwała temperatura pracy, stąd są wykorzystywane w urządzeniach o zwiększonym bezpieczeństwie pożarowym.

W zależności od swoich właściwości i zastosowania oleje dzielimy na:

• oleje transformatorowe,

• oleje kondensatorowe,

• oleje kablowe,

• oleje wyłącznikowe.

1. Gazowe układy izolacyjne

W tabeli 1.4. wyszczególnione zostały w formie tabelarycznej najczęściej wykorzystywane w elektroenergetyce gazy wraz z najważniejszymi własnościami.

Tabela 1.4. Własności oraz zastosowanie niektórych gazów. [6]

Rodzaj gazu	Własności	Zastosowania
Powietrze	Wytrzymałość zależy od rodzaju napięcia i kształtu elektrod. Natężenie przeskoku w polu równomiernym rzędu kilku kV/mm (w układach technicznych kilkakrotnie mniejsze). Przy współudziale wyładowań niezupełnych i wilgoci tworzy ozon i tlenki azotu, przyspieszające utlenianie i starzenie materiałów.	Najszerzej stosowany gazowy materiał izolacyjny. Izolacja zewnętrzna urządzeń i aparatów elektrycznych. Czynnik gaszący w wyłącznikach pneumatycznych.
Azot	Niepalny, nietoksyczny, obojętny chemicznie, prawie nierozpuszczalny w związkach organicznych. Wytrzymałość zbliżona do powietrza. Tani.	Czynnik składowy izolacji gazowej ciśnieniowej. Atmosfera ochronna transformatorów.
Wodór	Łatwo palny, nietoksyczny, tworzy z powietrzem mieszaninę wybuchowa. W obecności wyładowań działa niszcząco na izolację stała. Mała wytrzymałość (ok. 60% wytrzymałości powietrza). Bardzo duże ciepło właściwe i przewodność cieplna. Tani.	Czynnik chłodzący w turbogeneratorach, czynnik gaszący w niektórych rodzajach łączników i odgromnikach wydmuchowych.
Hel	Niepalny, nietoksyczny, o dużej przewodności cieplnej. Bardzo mała wytrzymałość (ok. 10% wytrzymałości powietrza). Drogi.	W lampach gazowych (wraz z neonem). Czynnik kriogeniczny (w stanie ciekłym).
C02	Trwały, niepalny, w obecności wyładowań niszczy metale. Wytrzymałość mniejsza o ok. 10% od wytrzymałości powietrza. Tani.	Izolacja gazowa ciśnieniowa. Składnik atmosfery obojętnej.
SF6	Bezbarwny, bezwonny, niepalny, nietoksyczny, o dużym ciężarze cząsteczkowym. Pod wpływem wyładowań elektrycznych tworzy korodujące związki. Gaz silnie elektroujemny o bardzo dobrych własnościach izolacyjnych, uzależnionych od wielu czynników. Wytrzymałość statyczna w polu równomiernym i przy ciśnieniu atmosferycznym ok. 2,5-krotnie większa od wytrzymałości powietrza. Duża zdolność do gaszenia luku elektrycznego.	Izolacja gazowa ciśnieniowa w rozdzielnicach, przewodach szynowych, kablach gazowych. Czynnik gaszący w wyłącznikach gazowych.

1. Narażenia działające na układy izolacyjne

Podczas eksploatacji, izolacja urządzeń elektroenergetycznych narażona jest na wiele czynników wewnętrznych i zewnętrznych, które oddziałują w mniejszym lub większym stopniu destrukcyjnie na układ izolacyjny. Ważnym aspektem skuteczności i niezawodności układów izolacyjnych, jest stopień czystości materiału izolacyjnego, uwzględniony zarówno w procesie jego wytwarzania, jak i w momencie produkcji samego urządzenia. Zanieczyszczenie materiału relatywnie przyspiesza procesy starzeniowe, gdyż nawet z pozoru niewielka wtrącina gazowa w znacznym stopniu zniekształca prawidłowy rozkład pola elektrycznego w obszarze dielektryku, prowadząc do powstawania lokalnych wyładowań, a w dłuższym przedziale czasu do zjawiska drzewienia elektrycznego - rozwoju defektu (rozdz. 4.). Szybkość procesu starzeniowego zależna jest również od dokładności wykonania danego układu izolacyjnego. Właściwie zawsze, izolacja poszczególnych elementów składowych urządzenia projektowana jest z dużym zapasem bezpieczeństwa, gdyż przewiduje się jego długoletnie wykorzystywanie i występowanie zdarzeń warunkujących zniekształcenie prawidłowej charakterystyki pracy, czego przykładem mogą być przepięcia piorunowe.

Ogólna klasyfikacja narażeń przedstawia się następująco:

• elektryczne - działanie pola elektrycznego przy napięciu znamionowym, przepięciach i próbach napięciowych

• termiczne - długotrwałe działanie wysokich temperatur, przy których występują zmiany struktury materiału, powodujące obniżenie wytrzymałości elektrycznej i zmiany właściwości mechanicznych

• mechaniczne - wywołane działaniem sił elektrodynamicznych, sił odśrodkowych lub innych i prowadzące do trwałych odkształceń układu

• termomechaniczne - wywołane jednoczesnym działaniem sił i cyklicznych zmian temperatury

• klimatyczne - wywołane działaniem temperatury otoczenia, wilgoci, nasłonecznienia i innych czynników charakteryzujących warunki pracy w różnych strefach klimatycznych

• chemiczne - wywołane działaniem substancji aktywnych, prowadzące do istotnych zmian struktury układu

• radiacyjne - wywołane promieniowaniem jonizującym.

W związku z analizowanymi w pracy problemami, w szerszym stopniu omówione są narażenia elektryczne. Jak wiadomo, wielkość wektorowa charakteryzująca pole elektryczne, jest to siła z jaką w danym miejscu pole działa na jednostkowy, punktowy ładunek elektryczny. Energia ta, tracona w ruchu jonów lub ruchu spolaryzowanych cząstek, powoduje w dielektrykach stałych nieodwracalne zmiany struktury. Głównym źródłem tych narażeń, działających w sposób ciągły, jest pole elektryczne wywołane znamionowym napięciem urządzenia. Wytrzymałość elektryczna nowych układów izolacyjnych jest bardzo duża w odniesieniu do napięć znamionowych, ponieważ w obecnych konstrukcjach, wytrzymałość elektryczną układu przyjmuje się co najmniej jako 5-cio krotną wartość napięcia znamionowego urządzenia. Można wiec na wstępie wykluczyć prawdopodobieństwo wystąpienia cieplnego lub elektrycznego mechanizmu przebicia wywołanego jedynie pod wpływem napięć roboczych. Sprawa staje się bardziej skomplikowana w przypadku obecności zanieczyszczeń lub gazów zawartych w szczelinach układu izolacyjnego jednolitego bądź warstwowego (rozdz. 4). Już przy napięciach znamionowych działanie pola elektrycznego powoduje jonizację tych zanieczyszczeń, w efekcie czego dochodzi do lokalnych wyładowań. Wiąże się z tym wzrost temperatury, obniżenie energii wiązań cząsteczkowych materiału, jak również powstawanie substancji aktywnych chemicznie, rozkładających materiały izolacyjne.

2. PODSTAWY DOBORU ROBOCZEGO NATĘŻENIA POLA ELEKTRYCZNEGO

1. Pole elektryczne

Pole elektryczne w układzie izolacyjnym przedstawiane jest jako rozkład przestrzenny (lub dwuwymiarowy) pola, będącego obrazem linii sił w polu. Linie sił są torami ładunku, który przemieszcza się pod wpływem działania na niego wspomnianych sił w polu elektrycznym.

Natężenie pola elektrycznego jest:

• wektorem, którego wartość w punkcie jest równa wartości siły działającej na ładunek, a jego zwrot określa kierunek działania siły.

• gradientem potencjału, będącego funkcją współrzędnych danego punktu:

(2.1.)

Moduł natężenia pola elektrycznego jest równy:

(2.2.)

Zwrot i kierunek wektora określają kosinusy kierunkowe wektora natężenia pola elektrycznego w danym punkcie.

Rozkład natężenia pola, czyli obraz linii sił w polu elektrycznym E = f(x, y, z)

Otrzymuje się przez rozwiązanie równania Laplace'a:

(2.3.)

lub równania Poissona:

(2.4.)

przy określonych warunkach brzegowych (opis matematyczny kształtu elektrod).

Opis matematyczny dla rozkładu pola elektrycznego jest najczęściej wykonywany dla typowych układów elektrod, posługując się prostymi modelami obliczeniowymi przy pominięciu takich czynników jak zmienne pole magnetyczne (z powodu wirowości pola elektrycznego) oraz ładunków przestrzennych (związanych i swobodnych, będących źródłem pola elektrycznego).

1. Wytrzymałość elektryczna

Pojęcie to dotyczy układów i materiałów izolacyjnych w urządzeniach wysokiego napięcia. W tych urządzeniach największym narażeniem jest silne pole elektryczne. Oddziaływanie pola jest główną barierą w podwyższaniu napięć znamionowych urządzeń. Wytrzymałość elektryczna materiału izolacyjnego jest równa wartości natężenia pola elektrycznego, przy której występuje wyładowanie zupełne, pozbawiające materiał właściwości izolacyjnych. Wyładowanie zupełne w gazie nazywa się przeskokiem i ma charakter odwracalny, natomiast w materiale stałym nazywa się przebiciem i ma charakter nieodwracalny.

Jednostką wytrzymałości jest: [16]

• w materiałach izolacyjnych stałych i ciekłych: [kV/mm],

• w bardzo cienkich układach izolacyjnych (np. w kondensatorach): [V/µm],

• w gazach (również w powietrzu), przy odstępach izolacyjnych rzędu kilkunastu cm: [ kV/cm],

• w powietrzu, przy znacznych odstępach izolacyjnych i napięciach udarowych: [MV/m].

Przybliżone wartości wytrzymałości elektrycznej niektórych materiałów izolacyjnych przedstawione zostały w tabeli 1.3.

1. Czynniki wpływające na rozkład pola elektrycznego

1. Kształt elektrod

Kształt elektrod - pod względem matematycznym przedstawia się za pomocą odpowiednich równań. Równania te są warunkami brzegowymi dla równania Laplace'a lub Poissona.

Rozkład pola elektrycznego otrzymuje się przez rozwiązanie równania Laplace'a

(2.5.)

oraz warunki brzegowe („kształt elektrod”).

W warunkach rzeczywistych - technicznych, kształt elektrod jest często bardzo skomplikowany, nieanalityczny. W praktyce stosowane są najczęściej elektrody o krawędziach profilowanych. Elektrody płaskie stosowane są tylko wówczas, gdy istotne jest wykorzystanie całej przestrzeni izolacyjnej (np. w kondensatorach lub maszynach elektrycznych).

Rysunek 2.1. Modele dwóch skrajnych przykładów ukształtowania elektrod w warunkach rzeczywistych [16].

Wpływ promienia krzywizny elektrody na rozkład natężenia pola elektrycznego:

Krzywizna elektrod jest bardzo ważnym czynnikiem wpływającym na rozkład pola elektrycznego.

a). Przykład pierwszego modelu:

elektroda zakończona krzywizną o promieniu r, znacznie oddalona od elektrody drugiej:

Rysunek 2.2. Zakończenie elektrody

r - promień krzywizny

Rozkład potencjału w przestrzeni przy elektrodzie jest opisany równaniem Laplace'a:

(2.6.)

Z uwagi na symetrię przestrzenną pola elektrycznego, stosuje się układ współrzędnych sferycznych:
[16]

Rysunek 2.3. Układ współrzędnych sferycznych.

Równanie Laplace'a we współrzędnych sferycznych ma postać:

(2.7.)

Przy założeniu, że potencjał w przestrzeni nie zależy od kątów φ i
, tylko od odległości od środka układu, czyli współrzędnej r:

zatem:

(2.8.)

(2.9.)

Składniki drugi i trzeci w równaniu Laplace'a są równe 0.

Równanie Laplace'a przyjmuje postać następującą:

(2.10.)

Pochodne cząstkowe:
zastępujemy zwykłymi:
oraz mnożymy równanie przez r²:

(2.11.)

(2.12.)

Korzystając z definicje natężenia pola elektrycznego:

(2.13.)

(2.14.)

(2.15.)

- bardzo ważny wniosek techniczny:

Natężenie pola elektrycznego w takim modelu zmniejsza się wraz ze wzrostem wartości promienia krzywizny.

b). Przykład drugiego modelu:

Elektroda walcowa o promieniu r, znacznie oddalona od elektrody drugiej:

Rysunek 2.4. Elektroda walcowa.

Z uwagi na symetrie na płaszczyźnie wprowadza się układ współrzędnych walcowych r,
, z. [16]

Rysunek 2.5. Układ współrzędnych walcowych

Równanie Laplace'a we współrzędnych walcowych przyjmuje postać:

(2.16.)

Zakładając, że potencjał w przestrzeni nie zależy od kąta
i współrzędnej osiowej z, lecz tylko od odległości od osi układu czyli współrzędnej r,

zatem:

(2.17.)

(2.18.)

Składniki drugi i trzeci w równaniu Laplace'a są równe 0. Równanie Laplace'a przyjmuje postać:

(2.19.)

Pochodne cząstkowe
zastępujemy zwykłymi:
oraz mnożymy równanie przez r:

(2.20.)

(2.21.)

Korzystając z definicji natężenia pola elektrycznego:

(2.22.)

zatem:

(2.23.)

(2.24.)

(2.25.)

Natężenie pola elektrycznego w modelu drugim zmniejsza się wraz ze wzrostem wartości promienia elektrody walcowej.

Podsumowując:

Dla modelu pierwszego obowiązuje zależność:

Dla modelu drugiego obowiązuje zależność:

Ogólnie, wzrost krzywizny, czyli zmniejszenie się promienia, powoduje wzrost wartości natężenia pola elektrycznego.

Z tych względów w urządzeniach elektrycznych wysokiego napięcia dąży się do łagodzenia krzywizny elektrod poprzez zwiększenie promienia, nawet gdy nie jest to wymagane z innych przyczyn.

2. Obliczanie optymalnych wymiarów elektrod z uwagi na rozkład natężenia pola elektrycznego

a). Konfiguracja kulista:

(2.26.)

(2.27.)

(2.28.)

Dla:

b). Konfiguracja walcowa:

(2.29.)

(2.30.)

(2.31.)

Dla :

3. Układy izolacyjne warstwowe

a). Układ dwuwarstwowy, szeregowy, o polu jednostajnym w warstwach.

Rysunek 2.6. Schemat zastępczy układu [16].

Stosunek spadków napięć w warstwach 1 i 2:

(2.32.)

(2.32.)

(2.33.)

(2.34.)

Rezystancja i pojemność warstw 1 i 2:

(2.35.)

(2.36.)

(2.37.)

(2.38.)

gdzie: d, S - grubości i powierzchnia warstw

- przenikalności elektryczne i rezystywności warstw

Po przekształceniach:

(2.39.)

(2.40.)

b). Uwarstwienie układu izolacyjnego w polu niejednostajnym:

Układ izolacyjny uwarstwiony szeregowo o rozkładzie niejednostajnym pola elektrycznego i wartości przenikalności elektrycznej warstw tak dobranej, aby zmniejszyć niejednostajności pola elektrycznego i zminimalizować grubości układu uwarstwionego w odniesieniu do układu jednorodnego przedstawiony jest na rysunku (2.7.).

Rysunek 2.7. Układ walcowy współosiowy uwarstwiony, złożony z dwu warstw materiałów o różnych przenikalnościach elektrycznych
.[16]

Dopuszczalne natężenie pola elektrycznego w każdym z materiałów wynosi E_d

Wartości maksymalne natężenia pola elektrycznego w warstwach (1) i (2) są równe:

(2.41.)

(2.42.)

Aby uzyskać jednakową wartość maksymalnego natężenia pola elektrycznego w obydwóch warstwach i nie przekroczyć wartości dopuszczalnej:

(2.43.)

powinien być spełniony warunek:

(2.44.)

wynika z niego:

(2.45.)

oraz:

(2.46.)

ze wzoru (2.46.) otrzymuje się:

(2.47.)

następnie:

(2.48.)

całkowita grubość izolacji dwuwarstwowej jest równa:

(2.49.)

(2.50.)

Jeśli układ byłby wykonany jako jednorodny i spełniałby warunek:

, (2.51.)

wówczas jego wymiary byłyby równe:

(2.52.)

a grubość izolacji byłaby równa:

(2.53.)

(2.54.)

Stosunek grubości układu dwuwarstwowego i jednowarstwowego wynosi:

(2.55.)

gdzie:

(2.56.)

(2.57.)

Na stosunek grubości układów dwuwarstwowych i jednowarstwowych ma wpływ wartość przenikalności dielektrycznej zastosowanych materiałów w odpowiednich warstwach. Na konstrukcje układu można wpływać przez dobór materiałów o odpowiedniej przenikalności.

(2.58.)

Dobór przenikalności elektrycznej zastosowanych materiałów i odpowiednie stopniowanie układów izolacyjnych może prowadzić do zmniejszenia wymiarów izolacji dwuwarstwowej w stosunku do izolacji jednowarstwowej przy zachowaniu tych samych maksymalnych wartości natężenia pola elektrycznego.

Rysunek 2.8. Układ jednowarstwowy i dwuwarstwowy izolacji.[16]

Grubość zastępcza izolacji jednorodnej (jednowarstwowej) o polu jednostajnym:

(2.59.)

Wskaźnik krzywizny warstwy izolacyjnej walcowej:

(2.60.)

Wskaźnik zmiany przenikalności elektrycznej warstw izolacyjnych:

(2.61.)

Stosunek grubości izolacji dwuwarstwowej do jednowarstwowej wynosi przy powyższych oznaczeniach:

(2.62.)

Zależność
przy zmianach wskaźnika k jest pokazana na wykresie

Rysunek 2.9. Wpływ stosunku przenikalności w izolacjach wewnętrznej i zewnętrznej na minimalizacje grubości układu przy zmiennym wskaźniku krzywizny warstwy.[16]

4. Rodzaj uwarstwienia

a). Szeregowe

W takich układach wpływ na rozkład pola ma elektrycznego ma grubość (a) i przenikalność elektryczna ( ε ) zastosowanych materiałów:

Natężenia pola w poszczególnych warstwach są równe:

Warstwa 1:

(2.63.)

Warstwa 2:

(2.64.)

Należy wyznaczyć natężenie pole w tych warstwach i porównać je z wartością wytrzymałości tych materiałów.

b). Równoległe

W takim przypadku natężenie pola w powietrzu i materiale izolacyjnym ma taką samą wartość, czyli teoretycznie materiał izolacyjny nie powinien wpływać na zmianę napięcia przeskoku. W rzeczywistości jednak wpływ materiału stałego jest, a może być powodowany przez: w przypadku nie idealnie gładkiej powierzchni elektrod znaczenie mogą odgrywać różne wartości przenikalności dielektrycznej powietrza i materiału izolacyjnego, kolejnym elementem mogącym wpływać na te wartości są ładunki powierzchniowe.

5. Pole jednorodne i niejednorodne

a). Pole jednorodne

Pole to występuje w układach elektrod płaskich o odstępie a, które posiadają odpowiednio ukształtowane krawędzie żeby uniknąć zwiększenia natężenia pola w ich otoczeniu. Taki układ posiada wyraźną granicę, dla której występuje przeskok iskry lub łuk elektryczny.

W polu jednostajnym występują wyładowania zupełne. Wtedy w materiałach izolacyjnych stałych i ciekłych jony wilgoci i zanieczyszczeń maja znaczący wpływ na przebicie elektryczne takiego układu. Natomiast w układach gazowych ładunek przestrzenny nie wpływa na przeskok elektryczny, ponieważ nie występuje na stałe.

b). Pole niejednorodne

Pole takie występuje w układach, w których promień krzywizny jest mały tzn. w układach kula-kula, ostrze-ostrze itp. W układach tego typu z powodu większego natężenia pola przy krawędziach elektrod, istnieje większa koncentracja ładunków przestrzennych i ujemnych. Występują wówczas warunki do wyładowań niezupełnych a, co za tym idzie zmniejszenie napięcia przeskoku.

6. Rodzaj napięcia

a). Stałe

= 0

(2.65.)

Rozkład pola elektrycznego ma charakter konduktancyjny pod wpływem napięcia stałego. Wtedy
zależy od temperatury => rozkład E zależy od temperatury

b). Przemienne

(np. 50 Hz)

W równoległym schemacie zastępczym warstwy izolacyjnej istnieje zależność:

(2.66.)

Stąd:

(2.67.)

(2.68.)

(2.69.)

W warunkach praktycznych

(2.70.)

Rozkład pola elektrycznego ma charakter pojemnościowy przy napięciu przemiennym.

c). Udarowe

(napięcie udarowe)

(2.71.)

(2.72.)

Rozkład pola elektrycznego ma charakter pojemnościowy przy napięciu udarowym

2. Współczynnik niejednostajności pola elektrycznego

Układ elektrod: płaski i ostrzowy.

Rysunek 2.10. Modele skrajnych konfiguracji elektrod oraz ich wpływ na natężenie pola elektrycznego.

Miarą nierównomierności pola elektrycznego, powiązanego z odstępami elektrod i ich kształtem geometrycznym jest współczynnik niejednostajności pola.

(2.73.)

gdzie: a - odstęp elektrod

U - napięcie między elektrodami

E_max - największe natężenie pola w układzie

-średnie natężenie pola elektrycznego w układzie

Sposób wyznaczania współczynnika niejednostajności:

(2.74.)

Układ walców współosiowych:

(2.75.)

Gdzie: Q - ładunek na jednostkę długości, [C/m]

Obecność ładunku stanowi przyczynę istnienia pola elektrycznego, jednak nie jest on wielkością techniczną tylko fizyczną. W równaniach eliminuje się ładunek Q, stosując wielkość techniczną - napięcie między elektrodami.

(2.76.)

(2.77.)

(2.78.)

(2.79.)

(2.80.)

gdzie: a - grubość izolacji (w każdym przypadku)

gdy a = R - r

(2.81.)

Określenie k_n przez promień krzywizny elektrody r i grubość izolacji a.

(2.82.)

(2.83.)

Współczynnik niejednostajności pola jest funkcją stosunku grubość izolacji do promienia największej krzywizny. Stanowi bezwymiarowy parametr.

Przykład:

Kable Elektrofiltry

k_n - bardzo małe k_n - bardzo duże

(k_n>1) (k_n>>1)

Gdy 1 < k_n
- pole umiarkowanie niejednorodne

k_n > 3 - pole silnie niejednorodne

Współczynnik ten określa również tzw. wykorzystanie własności elektroizolujących układu. Stopień ten jest optymalny, gdy największa wartość natężenia pola jak i jego wartość średnia są do siebie zbliżone wtedy k_n
1.[1, 6, 16]

3. ANALIZA WARUNKÓW STEROWANIA ROZKŁADEM POLA ELEKTRYCZNEGO W UKŁADACH IZOLACYJNYCH MASZYN ELEKTRYCZNYCH

1. Ogólne zasady doboru pokryć przewodzących

Zgodnie ze schematem zastępczym podanym na rysunku 3.1.1., potencjał elektryczny φ na zewnętrznej powierzchni izolacji pręta pokrytej powłoką sterującą (w odległości x od krawędzi czołowej blachy stojana) oraz całkowity prąd upływu powierzchniowego i_u są od siebie uzależnione następująco:

(3.1.)

oraz

(3.2.)

Rysunek 3.1. Schemat zastępczy układu izolacji pręta generatorowego pokrytego półprzewodzącą powłoką sterującą na wyjściu ze żłobka stojana [15].

Y'₁ - jednostkowa admitancja powierzchniowa izolacji pręta bez powłoki sterującej;

Y'₂ - jednostkowa admitancja skrośna izolacji pręta; Y'_p - jednostkowa admitancja powierzchniowa półprzewodzącej powłoki sterującej; i_u - całkowity prąd upływu powierzchniowego w izolacji pręta generatorowego.

W celu obliczenia rozkładu potencjału wzdłuż powierzchni izolacji pręta należy założyć, że jednostkowe admitancje Y'₁ i Y'₂ są wartościami stałymi (niezależnymi od współrzędnej x), natomiast jednostkowa admitancja powierzchniowa półprzewodzącej powłoki sterującej może być wielkością zmienną. Po uwzględnieniu tych założeń i wyeliminowaniu prądu upływu otrzymuje się ogólne równanie potencjału w postaci:

(3.3.)

Dla jednakowej grubości warstwy, a więc stałej jednostkowej admitancji powierzchniowej półprzewodzącej powłoki sterującej wynoszącej:

Y'_p(x) = Y'_p = 2π ( r + a ) κ_p = const, (3.4.)

ogólne równanie potencjału przyjmuje uproszczoną postać:

(3.5.)

ponieważ

(3.6.)

Rozwiązaniem ogólnym tego równania jest wyrażenie:

, (3.7.)

w którym pierwiastki równania charakterystycznego:

(3.8.)

oraz stałe całkowania dla przyjętego układu współrzędnych oraz założonych warunków brzegowych (φ_x=0 = 0 i φ_x=1 = 0):

(3.9.)

B₃ = U

Po wprowadzeniu stałych całkowania oraz dokonaniu przekształceń uzyskuje się wyrażenie opisujące poosiowy rozkład potencjału wzdłuż izolacji pręta:

(3.10.)

oraz wyrażenie opisujące rozkład natężenia pola elektrycznego wzdłuż powierzchni izolacyjnej pokrytej powłoką półprzewodzącą:

(3.11.)

Największa wartość natężenia pola elektrycznego występuje bezpośrednio przy wyjściu ze strefy żłobkowej (w miejscu o współrzędnej x = 0), zgodnie ze wzorem:

. (3.12.)

Rozkład potencjału i natężenia pola elektrycznego ulegają wyraźnemu wyrównaniu w miarę wzrostu wartości admitancji powierzchniowej powłoki sterującej, ale pole elektryczne nie jest równomierne.

Aby uzyskać stałe natężenie pola elektrycznego wzdłuż izolacji pręta, nie przekraczając jednocześnie wartości dopuszczalnej E_d, musi być spełniony warunek:

(3.13.)

oraz

(3.14.)

oznaczający równomierny rozkład potencjału w postaci φ(x) = - Ex.

Jednostkową admitancję powłoki półprzewodzącej można opisać w takim przypadku za pomocą równania:

, (3.15.)

którego rozwiązaniem jest wyrażenie:

(3.16.)

gdzie: B - stała całkowania.

Ponieważ dla warunku brzegowego x = l admitancja powierzchniowa Y'_p = 0, więc stała całkowania
, a rozkład jednostkowej admitancji powierzchniowej powłoki sterującej wzdłuż izolacji pręta określa zależność:

(3.17.)

w której jednostkowa admitancja skrośna izolacji pręta, [S/m]:

(3.18)

- konduktywność skrośna materiału izolacyjnego, [S/m];

- konduktywność powierzchniowa powłoki sterującej, [S/m].

Admitancja powierzchniowa powłoki sterującej nie zmienia się w rzeczywistości w sposób płynny, ale zmienia się skokowo w miarę zbliżania się do połączeń czołowych stojana generatora. Długość powłoki sterującej ustala się zwykle na drodze doświadczalnej dążąc do tego, aby największe natężenie pola elektrycznego (przy krawędzi blachy stojana) nie przekraczało wartości uznanej za dopuszczalną. W celu zmniejszenia prądów upływu, powłokę sterującą nanosi się najczęściej jedynie na część powierzchni izolacji pręta.

2. Wpływ rezystywności pokryć przewodzących na rozkład natężenia pola elektrycznego

W przypadku zastosowania pokrycia przewodzącego układ izolacyjny przedstawia się następująco:

Rysunek 3.2. a) zobrazowanie układu izolacyjnego z pokryciem przewodzącym; b) schemat zastępczy układu [1].

Jak pokazano na rysunku (3.2.), pokrycie o długości l występuje między punktami A i B na powierzchni materiału stałego. Schemat ten jest połączeniem dwóch linii długich:

- odcinek x oznacza pokrycie przewodzące o rezystywności ρ_p,

- odcinek y oznacza materiał stały bez pokrycia o rezystywności ρ₂, przy czym ρ_p < ρ₂.

Rozkłady napięcia w poszczególnych liniach są następujące:

- linia pierwsza:

(3.19.)

- linia druga:

(3.20.)

gdzie: A₁, B₁, A₂, B₂ - stałe całkowania.

Warunki brzegowe:

x = 0 U(x) = U

x = l₁ U(x) = U_B

y = 0 U(y) = U_B (3.21.)

y = l₂ J(y) = 0

Rozkład prądu w linii drugiej:

(3.22.)

Uwzględniając praktyczne uproszczenia:

,
(3.23.)

otrzymuje się wartości stałych całkowania:

(3.24.)

Równania rozkładu napięcia w obu częściach układu izolacyjnego są następujące:

- linia pierwsza (pokrycie przewodzące):

(3.25.)

- linia druga (bez pokrycia przewodzącego):

(3.26.)

Natężenie pola elektrycznego wynosi:

- linia pierwsza:

(3.27.)

wartość maksymalna:

(3.28.)

- linia druga:

(3.29.)

wartość maksymalna:

(3.30.)

Stałe propagacji:

(3.31.)

(3.32.)

gdzie: C₁₁ = C₂₁ = C₁.

(3.33.)

(3.34.)

Y₁₁, Y₁₂ - admitancje poprzeczne linii [Ω^-1m^-1],

Z₂₁, Z₂₂ - impedancje podłużne linii [Ωm^-1].

Rysunek 3.3. Rozkład zatężenia pola elektrycznego wzdłuż izolacji pręta na wyjściu ze żłobka dla przypadku idealnego wysterowania pola.

3. Obliczenia rozkładu natężenia pola elektrycznego wzdłuż izolacji uzwojenia na wyjściu pręta ze żłobka

1. Rozkład natężenia pola wzdłuż pręta w przypadku braku powłoki przewodzącej

Dokonano obliczeń w celu zobrazowanie rozkładu natężenia pola elektrycznego wzdłuż izolacji pręta na wyjściu ze żłobka, a następnie dokonano doboru parametrów powłoki przewodzącej wykorzystanej do wysterowania rozkładu natężenia pola elektrycznego dla danego przykładu.

Do celów obliczeniowych zostały założone przybliżone parametry schematu zastępczego materiału izolacyjnego pręta (oznaczenia zgodnie z rysunkiem 3.2. a,b), a mianowicie: R₂₂ = 100GΩ; C₁ = 1pF; C₂ = 0,1pF. Analizowany fragment pręta ma długość 20cm, licząc od krawędzi statora maszyny. Do wyznaczenia wykresu rozkładu natężenia pola elektrycznego wzdłuż pręta wykorzystano zależność:

(3.35.)

gdzie: U - napięcie znamionowe maszyny - założenie: U = 10kV,

l - długość analizowanego fragmentu izolacji pręta,

- stała propagacji.

Dla zadanego przypadku, gdzie
oraz C₂ < C₁,

Wykorzystuje się założenie upraszczające:

, gdzie C₂ < C₁ (3.36.)

Po podstawieniu otrzymano
3,162278.

Zgodnie z własnościami funkcji hiperbolicznych:

(3.37.)

(3.38.)

Przekształcając wzór (3.35.) do postaci:

(3.39.)

Obliczenia przeprowadzono dla zakresu x = 0,001 - 0,2m z dokładnością 0,002m.

Otrzymane wyniki obliczeń przedstawione są na rysunku 3.4.

Rysunek 3.4. Rozkład natężenia pola elektrycznego wzdłuż pręta na wyjściu ze żłobka.

2. Rozkład natężenia pola z powłoką sterującą typu A

W kolejnym etapie obliczeń dla zadanego przypadku, dokonano symulacji wykorzystania warstwy przewodzącej, wychodząc z założenia, iż R₂₁ < R₂₂, dla wartości R₂₂ = 100GΩ, przyjęto wartość R₂₁ = 20GΩ. Według [6], pierwszą warstwę półprzewodzącą w praktyce nakłada się najczęściej na długości 40 - 60mm od statora, stąd przyjęto długość powłoki przewodzącej l₁ = 60mm. Reasumując, obliczeń dokonaliśmy dla następujących danych schematu zastępczego (wg rys 3.1.1.):

l₁ = 0,06m

R₂₂ = 100GΩ

R₂₁ = 20GΩ

Zgodnie z (3.31.) do (3.34.):

C₁₁ = C₁₂ = 10^-12F

Do obliczeń wykorzystano zależności:

• dla linii pierwszej (z pokryciem przewodzącym):

(3.40.)

• dla linii drugiej (bez pokrycia przewodzącego):

(3.41.)

W obliczeniach dla zależności (3.41.), wykorzystano własności funkcji hiperbolicznych zgodnie z (3.37.) oraz (3.38.).

Po dokonaniu obliczeń dla zakresu x = 0,001 - 0,2m, z założoną dokładnością wynoszącą 0,002m, otrzymano wykres natężenia pola przedstawiony na rysunku (3.5.).

Rysunek 3.5. Rozkład natężenia pola elektrycznego wzdłuż pręta na wyjściu ze żłobka z zastosowaniem powłoki przewodzącej dla R₂₁=20 GΩ.

Jak wynika z porównania wykresów (3.4.) oraz (3.5.), wartość maksymalna natężenia pola elektrycznego E(x) zmniejszyła się znacznie w porównaniu do wartości E(x) w przypadku braku warstwy sterującej.

1. Rozkład natężenia pola z powłoką sterującą typu B

Korzystają z obliczeń opisanych w rozdziale 3.3.2., dokonano symulacji zmiany wartości rezystancji warstwy przewodzącej:

Dla R₁₂ = 25GΩ, otrzymano rozkład pola przedstawiony na rysunku (3.6.).

Rysunek 3.6. Rozkład natężenia pola elektrycznego wzdłuż pręta na wyjściu ze żłobka z zastosowaniem powłoki przewodzącej dla R₂₁=25 GΩ.

Otrzymany kształt rozkładu natężenia pola elektrycznego wzdłuż izolacji pręta odbiega od prawidłowej charakterystyki (rysunek 3.3.). Wnioskując, jest to niepoprawny dobór wartości rezystancji warstwy przewodzącej w odniesieniu do zadanej na wstępie rezystancji powłoki izolacyjnej uzwojenia.

2. Rozkład natężenia pola z powłoką sterującą typu C

Dla R₁₂ = 15GΩ, otrzymano rozkład pola przedstawiony na rysunku (3.7.).

Rysunek 3.7. Rozkład natężenia pola elektrycznego wzdłuż pręta na wyjściu ze żłobka z zastosowaniem powłoki przewodzącej dla R₂₁=15 GΩ.

Jednym z najważniejszych warunków doboru powłoki przewodzącej jest założenie, że maksymalne natężenie pola w miejscu zakończenia powierzchni przewodzącej powinno być równe lub mniejsze od wartości natężenia pola przy krawędzi blachy stojana. Jak wynika z wykresu przedstawionego na rysunku (3.7.), warunek ten nie został spełniony.

3. Dobór właściwej rezystancji warstwy przewodzącej

Uwzględniając założenia przedstawione w rozdziale 3.3.1., zmieniając wartość rezystancji powierzchniowej powłoki przewodzącej względem rezystancji izolacji uzwojenia, metodą doświadczalną dowiedziono, iż prawidłowy rozkład poprawnego wysterowania pola elektrycznego na wyjściu pręta ze żłobka stojana, otrzymuje się dla danych:

l₁ = 0,06m

R₂₂ = 100GΩ

R₂₁ ≈ 19GΩ

C₁₁ = C₁₂ = 10^-12F

Wykres, w którym wartość rezystancji powierzchniowej powłoki przewodzącej:

R₂₁ ≈ 19GΩ, oraz rozkład natężenia pola w przypadku braku warstwy sterującej, przedstawiono na rysunku (3.8.).

Rysunek 3.8. Rozkład natężenia pola elektrycznego wzdłuż pręta na wyjściu ze żłobka z zastosowaniem powłoki przewodzącej i bez powłoki przewodzącej.

1 - powłoka przewodząca;

2 - izolacja bez warstwy przewodzącej;

3 - rozkład pola przy braku sterowania

4. ANALIZA WARUNKÓW STEROWANIA ROZKŁADEM POLA ELEKTRYCZNEGO W KABLACH ELEKTROENERGETYCZNYCH

1. Ogólne zasady doboru roboczego natężenia pola elektrycznego

Układem modelowym np. kabli elektroenergetycznych ekranowanych jest układ dwóch walców współosiowych.

Rozkład pola opisuje funkcja:

(4.1.)

gdzie: R - promień zewnętrzny

r - promień wewnętrzny

- wartości maksymalna i minimalna wynoszą:

(4.2.)

(4.3.)

Rysunek 4.1. Układ walców współosiowych, R, r - promienie walców.[1]

Na wytrzymałość elektryczną układu walców współosiowych decydujący wpływ ma wartość natężenia pola przy powierzchni elektrody wewnętrznej E_r. Jest ona funkcją stosunku R/r. W celu otrzymania minimalnej wartości E_r należy obliczyć dE/d(R/r) przy stałym napięciu U oraz stałym promieniu R , a zmiennym promieniu r.

Wówczas:

E_r = minimum dla R/r = e.

W układach walców współosiowych napięcie początkowe wyładowań niezupełnych U₀ w zależności od stosunku R/r może być mniejsze od napięcia przeskoku U_p lub jemu równe.

Rysunek 4.2. Zależność napięcia początkowegoU₀ i napięcia przeskoku U_P od stosunku R/r.[1]

Zgodnie z obecnymi tendencjami podziału kabli ze względu na zastosowanie wyróżnia się kable przeznaczone do dystrybucji, oraz kable do przesyłu, czyli transmisji energii elektrycznej. Do rozdziału energii elektrycznej używane są kable niskiego (nn) i średniego (SN) napięcia. Ogólnie przyjmuje się zasadę określania zakresu średniego napięcia jako przedziału napięć międzyfazowych linii kablowych w granicach 6(10)-60 kV. Kable na napięcie powyżej 60kV określa się jako kable wysokiego napięcia (WN lub HV). Natomiast kable na napięcia powyżej 250kV są nazwane kablami najwyższego napięcia (NN lub EHV).

2. Kable o izolacji papierowej nasyconej

Izolacje papierową kabli elektroenergetycznych na napięcia znamionowe do 18/30kV nasyca się za pomocą dwóch syciw izolacyjnych olejowych wytwarzanych przez zagęszczenie oleju kablowego pochodzenia naftowego. Syciwo zwykłe o małej lepkości w temperaturze pracy składa się z oleju kablowego i kalafonii sosnowej dodawanej do oleju w proporcji do 25%. W syciwie nieściekającym olej kablowy zagęszczany jest woskami syntetycznymi (np. polietylenowym), poliizobutylenem (zwiększa elastyczność) oraz znikomą ilością (do 5%) kalafonii sosnowej, która odgrywa rolę stabilizatora właściwości.

Wadą syciw nieściekających wytworzonych z oleju pochodzącego z destylacji ropy naftowej jest stosunkowo duży współczynnik rozszerzalności cieplnej. W przypadku izolacji przesyconej syciwem zwykłym powłoka ołowiana jest nakładana w temperaturze otoczenia po całkowitym ostygnięciu syciwa, dlatego też nie ma tendencji do tworzenia się w izolacji wtrącin gazowych. W przypadku syciwa nieściekającego powłokę ołowianą nakłada się w temperaturze 65-70°C, czyli w zakresie największych wartości współczynnika rozszerzalności, z tego powodu w izolacji powstają wtrąciny gazowe, w których podczas eksploatacji mogą występować wyładowania niezupełne. Prace badawcze nad syciwami nieściekającymi były prowadzone w celu otrzymania syciwa zbliżonego pod względem współczynnika rozszerzalności cieplnej i jego zależności od temperatury do syciwa zwykłego. Istnieją już syciwa nieściekające syntetyczne spełniające powyższe warunki.

W przypadku kabli na napięcia znamionowe 64/110kV i wyższe izolacja papierowa przesycona syciwami izolacyjnym zagęszczonymi nie umożliwia uzyskania dobrych własności izolacyjnych przy zachowaniu odpowiedniej grubości kabla. W kablach tego typu, nazywanych olejowymi, izolacja papierowa jest przesycana olejem o małej lepkości i doskonałych właściwościach elektryczno-fizycznych, a podczas eksploatacji układ izolacyjny pozostaje pod ciśnieniem tego oleju. Stosowane są różne oleje izolacyjne pochodzenia naftowego lub syntetyczne produkowane przez wyspecjalizowane firmy.

Papier izolacyjny na izolację kabli elektroenergetycznych jest wykonywany ze 100%-owej masy celulozowej siarczanowej sosnowej o barwie naturalnej. Papier do celów elektroizolacyjnych nie jest bielony, w celu uniknięcia przenikania jonów chloru występujących w substancjach wybielających.. Najczęściej stosowany jest papier o grubości 0,08 - 0,12mm. W kablach na napięcie znamionowe 64/110kV warstwy papieru położone bezpośrednio na żyle kabla wykonuje się z papieru o grubości 0,05 - 0,08mm. Aktualnie w Polsce produkowane są najczęściej kable o izolacji papierowej przesyconej na napięcia od 3,6/6 do 18/30kV. W konstrukcjach zagranicznych kabli olejowych na napięcia 64/110kV i wyższe stosowane są różne rodzaje papieru izolacyjnego, w tym również papiery z włókien syntetycznych i papiery laminowane tworzywami sztucznymi. Kable elektroenergetyczne o izolacji papierowej na napięcia znamionowe większe od 6/10kV powinny mieć ekrany na żyle i na izolacji wykonane z papieru półprzewodzącego lub metalizowanego perforowanego. Decydujący wpływ na właściwości izolacji ma technologia produkcji, a głównie prawidłowe wysuszenie i nasycenie izolacji syciwem.

Ważną charakterystyką izolacji papierowej przesyconej, wskazującą na jakość jej wykonania, jest zależność współczynnika strat dielektrycznych od napięcia. Jak wynika z rysunku 4.3., zależność współczynnika strat dielektrycznych izolacji kabli olejowych oraz izolacji przesyconej syciwem zwykłym zależy wyłącznie od właściwości zastosowanych materiałów, a zwłaszcza syciwa i oleju.

Rysunek 4.3. Charakterystyka zależności współczynnika strat dielektrycznych od napięcia izolacji papierowej przesyconej:

1 - izolacja źle przesycona, 2 - izolacja przesycona syciwem nie ściekającym, 3 - izolacja przesycona syciwem zwykłym, 4 - izolacja kabla lejowego.[3]

Ze względu na dobrą odporność izolacji papierowej przesyconej na wyładowania niezupełne, wynikającą między innymi z tego, że w wyniku ruchu syciwa pod wpływem nagrzewania stale zmienia się konfiguracja wtrącin, w kablach o izolacji przesyconej syciwem nieściekającym dopuszcza się wyższy poziom współczynnika strat dielektrycznych wynikający z wyładowań niezupełnych w stosunku do kabli o izolacji przesyconej syciwem zwykłym. Gorsze właściwości izolacyjne kompensowane są lepszą trwałością tych kabli.

Złożone procesy technologiczne ich wytwarzania mogą być przyczyną powstawania wewnętrznych defektów i mikrodefektów, zwykle w postaci wtrącin powietrznych, obszarów o zmiennej przenikalności dielektrycznej, ostrych mikro nierówności powierzchniowych itp. Defekty izolacji przyjmują najczęściej postać wtrącin gazowych, które dzieli się na:

• defekt ma kształt wydłużony i płaski, wzdłuż warstw izolacji, nazywany jest rozwarstwieniem lub delaminacją izolacji.

• wtrącina przebiega w poprzek warstw izolacji, nazywana jest pęknięciami izolacji.

• wtrącina ma kształt bąbli o kulistym kształcie lub elipsoidalnym, nazywana jest pęcherzami gazowymi.

Postępujący mechanizm starzeniowy może powodować rozwój defektu, zwłaszcza pod działaniem pola elektrycznego może doprowadzić do zjawiska drzewienia elektrycznego.

Mechanizm wytrzymałości elektrycznej izolacji zależy od czasu działania pola elektrycznego. W przypadku wielogodzinnego oddziaływania pola o przekraczającej wartości dla danego materiału izolacyjnego, może nastąpić przebicie cieplne, spowodowane niestabilnością występującą gdy ilość ciepła wytwarzane w dielektryku nie zostaje odprowadzona do otoczenia.

Wytrzymałość dielektryku może maleć pod wpływem wyładowań niezupełnych występujących we wtrącinach gazowych. Naprężenia występujące we wtrącinach powietrznych, mogą doprowadzić do wyładowań w gazie zamkniętym w tych defektach. Następuje wtedy uwolnienie elektronów i jonów, które są przyciągane do pozornych katod i anod na powierzchni wtrącin, oba ładunki mają wystarczającą energię do zerwania wiązań chemicznych na powierzchni dielektryku. Pojawiające się w skutek reakcji chemicznych produkty przewodzące, mieszając się lub rozpuszczając w skondensowanej parze wodnej, wzmacniają procesy prowadzące do przebicia dielektryku. Jednak zjawisko to zachodzi w ograniczonym obszarze izolacji i proces starzeniowy z tym związany nie jest intensywny.

Inaczej jest w przypadku pęknięć izolacji w wyniku zmęczenia mechanicznego. Pęknięcia układają się zwykle wzdłuż linii pola elektrycznego i ich krawędzie są bardzo ostre. Silnie niejednorodne pole przy tych krawędziach, powodują, że wyładowania niezupełne erodują materiał izolacyjny i postępują w głąb w wyniku drzewienia elektrycznego. Powstający defekt wzdłuż linii pola elektrycznego zwiększa natężenie pola w nieuszkodzonej części izolacji co może powodować zmniejszenie wytrzymałości elektrycznej całego układu izolacyjnego.

Duże prawdopodobieństwo wystąpienia wyładowań w defektach (szczególnie szczeliny gazowe) wynika z trudności zapewnienia jednolitej struktury podczas produkcji dielektryku jak również podczas izolowania torów prądowych. Rozwarstwienia, pęknięcia i szczeliny gazowe mogą powstawać podczas eksploatacji w wyniku narażeń mechanicznych i cieplnych.

Aby zminimalizować szkodliwe działanie wyładowań niezupełnych i aby zapewnić odpowiednią trwałość izolacji dąży się do doboru materiałów o długotrwałej wytrzymałości elektrycznej zapewniających niezawodną prace w okresie 20-30 lat. Stosuje się również nowe technologie minimalizujące powstawanie szczelin gazowych podczas produkcji i eksploatacji dielektryku.

W kablach zwanych często kablami tradycyjnymi lub masowymi izolacją jest papier kablowy nasycany syciwem nieściekającym (zagęszczonym). Ten rodzaj izolacji mają najczęściej kable trójżyłowe produkowane w dwóch rodzajach - o izolacji rdzeniowej (rysunku 4.5.) oraz z żyłami ekranowanymi (rysunku 4.4.).

Rysunek 4.4. Przykład budowy kabla z żyłami ekranowanymi.[3]

1 - żyła przewodząca.

2 - izolacja papierowa nasycona.

3 - ekran z papieru półprzewodzącego.

4 - wypełnienie ośrodka.

5 - taśma elastyczna.

6 - powłoka ołowiana.

7 - warstwa papierowo-jutowa.

8 - pancerz z taśm stalowych.

9 - osłona zewnętrzna z juty

Rysunek 4.5. Przykład budowy kabla z izolacją rdzeniową.[3]

1 - żyła przewodząca

2 - izolacja papierowa nasycona

3 - wypełnienie ośrodka (wkładki papierowe)

4 - izolacja rdzeniowa

5 - powłoka ołowiana

6 - osłona włóknista

7 - pancerz z taśm stalowych

Kable z izolacją rdzeniową posiadają izolacje oddzielnie na każdej żyle, a rdzeń utworzony z poszczególnych izolowanych żył ma kolejną izolację, tzw. izolację rdzeniową. Kable z żyłami ekranowanymi mają nawiniętą na izolację żył robo­czych taśmę z papieru półprzewodzącego lub metalizowanego, stanowiącą ekran. Dzięki ekranom zapewniony jest równomierny rozkład pola elektrycznego, dlatego konstrukcja ta jest popularniejsza.

Kable masowe trójżyłowe o napięciach znamionowych mniejszych niż 15kV mają na ogół izolację rdzeniową, natomiast kable 15-30kV są konstrukcjami ekranowanymi. Plusami kabli trójżyłowych nieekranowanych jest prostota budowy i relatywnie niewielki koszt jej wykonania oraz możliwość efektywnego wykorzystania całej izolacji doziemnej i międzyfazowej. Wadą izolacji rdzeniowej jest nierównomierny rozkład pola elektrycznego, spowodowany m.in. istnieniem składowej stycznej do powierzchni warstw papieru, stanowiącej zagrożenie dla izolacji warstwowej. Przy tym rozwiązaniu istnieje również niebezpieczeństwo powstawania wyładowań niezupełnych w szczelinach gazowych, szczególnie wewnątrz wkładek wypełniających.

Tych wad nie posiadają kable o polu promieniowym, ponieważ izolacja znajdująca się na każdej z żył owinięta jest papierem metalizowanym (tworząc ekran), połączonym z uziemioną i hermetyczną powłoką metalową. W tych kablach występuje tylko składowa promieniowa wektora natężenia pola elektrycznego. Dzięki temu można powiększyć prawie dwukrotnie największe dopuszczalne długotrwałe natężenie pola w porównaniu do kabli z izolacją rdzeniową. Ponadto kable ekranowane wykazują obciążalność prądową większą o 10 - 20% od obciążalności kabli nieekranowanych, ma to związek z poprawą odprowadzania ciepła z kabla.

Przykład:

Trójfazowy kabel elektroenergetyczny SN o izolacji papierowo-olejowej jest zainstalowany w sieci o najwyższym dopuszczalnym napięciu roboczym U_m= 12kV. Należy obliczyć i porównać największe natężenia pola elektrycznego w warunkach roboczych w kablu, traktowanym alternatywnie jako kabel o izolacji rdzeniowej i promieniowej, o zadanej średnicy żyły roboczej 2r = 18mm i grubości izolacji żyły a=3,2mm. Największe natężenie pola elektrycznego w izolacji rdzeniowej kabla można obliczyć z empirycznego wzoru Haasa: [6]

(4.4.)

dla grubości izolacji (a) i promienia żyły (r) wyrażonych w mm.

Największe natężenie pola elektrycznego w izolacji promieniowej kabla przy napięciu roboczym, występujące przy powierzchni żyły roboczej, oblicza się ze wzoru:

(4.5.)

Wynika stąd, że największe natężenie pola w izolacji rdzeniowej kabla jest o ok. 15% mniejsze niż w izolacji promieniowej kabla o tej samej żyle i izolacji każdej z żył. Nie ma to jednak większego znaczenia praktycznego, ponieważ największe dopuszczalne długotrwale natężenie pola w kablach ekranowanych jest zazwyczaj znacznie większe.

Głównymi wadami kabli masowych o izolacji papierowo-olejowej są higroskopijność, relatywnie duża stratność dielektryczna oraz konieczność spełnienia wysokich wymagań jakościowych podczas produkcji. Dlatego też coraz częściej stosuje się kable o jednorodnej izolacji stałej, wykonywanej z jednego rodzaju materiału syntetycznego. Najszersze zastosowanie mają kable polietylenowe (XLPE), przeznaczone zarówno do sieci średnich, jak i bardzo wysokich napięć.

1. Obliczenia natężenia pola w kablu o izolacji papierowej nasyconej

Kabel o polu promieniowym:

Rozkłady natężenia pola elektrycznego dla dwóch warstw różnych izolacji określają zależności:

dla r₁ ≤ x ≤ r₂

(4.6.)

oraz:

dla r₂ ≤ x ≤ r₃

(4.7.)

gdzie:

(4.8.)

- obliczenie rozkładu natężenia pola w `n' warstwach:

- dla r₁ ≤ x ≤ r₂

(4.9.)

- dla r_n-1 ≤ x ≤ r_n

(4.10.)

(4.11.)

Założenia:

• wartość skuteczna napięcia: 30kV

• promień żyły: 15mm

• grubość papieru: 0,1mm

• przenikalność elektryczna względna papieru: 2,8

• przenikalność elektryczna względna oleju: 2,2

• liczba warstw papieru: 100

• założono grubość warstwy oleju równą grubości warstwy papieru

Obliczanie współczynnika M dla kolejnych warstw papieru i oleju:

Założono, iż izolacja rozpoczyna się i kończy warstwą papieru, stąd ilość warstw oleju wynosi 99:

Dla warstwy 1:

(4.12.)

Dla warstwy 2:

(4.13.)

Dla ostatniej warstwy papieru (199 warstwa):

(4.14.)

Suma współczynników M dla wszystkich 199 warstw daje końcowy wynik równy

(4.15.)

Wykres natężenia pola elektrycznego rozpoczyna się przy powierzchni żyły kabla, tak więc dla x = 15 mm, otrzymuje się:

(4.15.)

Kontynuując obliczenia, z założoną dokładnością co 0,1 mm, natężenia pola dla kolejnych warstw papieru i oleju wynosi:

(4.16.)

*

*

(4.17.)

*

*

(4.18.)

Wyniki obliczeń rozkładu natężenia pola elektrycznego przedstawia wykres na rysunku 4.6.

Rysunek 4.6. Rozkład natężenia pola elektrycznego w zależności od grubości kabla.

1. Wpływ źródła wyładowań niezupełnych w izolacji papierowej nasyconej na rozkład natężenia pola elektrycznego

Korzystając z zależności opisanych w rozdziale 4.2.1., przeprowadzono symulację obecności wtrąciny gazowej występującej dokładnie w połowie układu izolacyjnego. Wyniki uzyskanych obliczeń przedstawione zostały na rysunku (4.7.).

Rysunek 4.7. Przykład rozkładu natężenia pola elektrycznego w izolacji przy obecności wtrąciny gazowej o przenikalności ε = 1 i promieniu = 0,005 [mm].

1. Kable o izolacji polimerowej oraz skutki narażeń napięciowych

Polimerowe układy izolacyjne kabli elektroenergetycznych zostały również omówione w rozdziale 1.1.1., natomiast wykorzystywane materiały dielektryczne scharakteryzowane są w rozdziale 1.2.1.

Typową konstrukcję kabla SN o izolacji z polietylenu zwanego termoplastycznym (PE) lub z polietylenu usieciowanego (XLPE) pokazano na rysunku 4.1.

Rysunek 4.8. Konstrukcja kabla XLPE.[17]

Dotychczasowe doświadczenia eksploatacyjne wykazują, że żywotność kabli o izolacji polietylenowej jest często daleko mniejsza od oczekiwanej. Najgroźniejszym czynnikiem destrukcyjnym dla kablowej izolacji polimerowej jest wilgoć. Pod wpływem natężenia pola elektrycznego w obecności wilgoci w izolacji PE lub XLPE następuje rozwój zjawiska zwanego drzewieniem wodnym. Na rysunku pokazano typowe kształty drzewek wodnych zaobserwowanych po zabarwieniu i odpowiednim przygotowaniu próbek izolacji wyciętych z kabla poddanego starzeniu w środowisku wilgotnym.

W celu zmniejszenia możliwości przedostania się wilgoci do izolacji, a tym samym ograniczenia rozwoju zjawiska drzewienia wodnego, od wielu lat stosuje się różnorodne metody uszczelniania konstrukcji kabla. Polegają one na wprowadzeniu materiałów izolacyjnych o zwiększonej odporności na działanie wilgoci oraz systemu barier (uszczelnień) przeciwko wnikaniu i rozprzestrzenianiu wilgoci (rozdz. 1.1.1.).

Rysunek 4.9. Typowe drzewka wodne w izolacji XLPE: a) drzewko typu „muszka", b) drzewko otwarte rozwijające się od ekranu półprzewodzącego.[3]

2. Kable hybrydowe

Alternatywą dla kabli o całkowitej izolacji syntetycznej ( XLPE) lub olejowej na najwyższe napięcia są kable hybrydowe. Kabel hybrydowy ma dwie różne warstwy izolacyjne: izolację papierowo-olejowa bliżej żyły kablowej i izolację syntetyczną z polietylenu usieciowanego (XLPE). Elementami kabla hybrydowego są: [18]

• żyła kablowa miedziana

• kanał wewnętrzny

• izolacja papierowo-olejowa

• warstwa metalowa (aluminiowa) oddzielająca izolację papierowo-olejową od izolacji XLPE

• izolacja XLPE

• ekran wewnętrzny

• miedziana żyła powrotna-warstwa antykorozyjna

W tabeli (4.1.) porównano parametry kabli: XLPE, olejowego i hybrydowego na napięcie 400, 1100kV. Przekrój żyły kablowej wynosi we wszystkich rodzajach kabli 1600mm², średnica żyły 50mm

Tabela 4.1. Porównanie przykładowych parametrów kabli. [18]

400 kV			1100 kV
Wielkość	XLPE	Papierowo-olejowy	Hybrydowy	XLPE	Papierowo-olejowy	Hybrydowy
a [mm]	28	23,4	20,5	93,5	64,0	46,3
a1[mm]	-	-	13,0	-	-	28,0
a2[mm]	-	-	7,5	-	-	18,3
D [mm]	127	119	116	258	200	168

a - łączna grubość izolacji,

a1 - grubość izolacji 1,

a2 - grubość izolacji 2,

D - średnica kabla.

Obliczenia rozkładu natężenia pola elektrycznego kabli o napięciu znamionowym 400 kV

a). Obliczenia rozkładu pola elektrycznego w kablu XLPE (izolacja jednorodna)

Dane: [18]

U = 400kV

ε = 2,2 - przenikalność dielektryczna XLPE

r₁ = 35,5mm - promień żyły

r₂ = 63,5mm - promień izolacji

(4.19.)

Obliczenia rozkład natężenia pola elektrycznego w izolacji rozpoczyna się od skraju żyły roboczej, dla założeń wg tabeli (4.1.) otrzymano x = 35,5 mm:

(4.20.)

kontynuując obliczenia, z założoną dokładnością co 0,1 mm otrzymano:

(4.21.)

*

*

(4.22.)

Uzyskane wyniki zostały umieszczone na rysunku 4.10.

Rysunek 4.10. Rozkład natężenia pola w kablu XLPE

b). Obliczenia rozkładu pola elektrycznego w kablu papierowo-olejowym( izolacja jednorodna).

Dane: [18]

U = 400kV

ε = 2,8 - przenikalność dielektryczna izolacji papierowo-olejowej.

r₁ = 35,5mm - promień żyły

r₂ = 58,9mm - promień izolacji

(4.23.)

Obliczenia rozkład natężenia pola elektrycznego w izolacji rozpoczyna się od skraju żyły roboczej, dla założeń wg tabeli (4.1.) otrzymano x = 35,5 mm:

(4.24.)

kontynuując obliczenia, z założoną dokładnością co 0,1 mm otrzymano:

(4.25.)

*

*

(4.26.)

Uzyskane wyniki zostały umieszczone na rysunku 4.11

Rysunek 4.11. Rozkład natężenia pola w kablu papierowo-olejowym.

c). Obliczenia dla kabla hybrydowego (izolacja niejednorodna):

Dane: [18]

Napięcie: U = 400kV

Przenikalność XLPE: ε = 2,2

Przenikalność izolacji papierowo-olejowej : ε = 2,8

Promień żyły: r₁ = 35,5mm

Promień izolacji 1: r₂ = 48,5mm

Promień izolacji 2: r₃ = 56mm

(4.27.)

Obliczenia rozkład natężenia pola elektrycznego w izolacji rozpoczyna się od skraju żyły roboczej, dla założeń wg tabeli (4.1.) otrzymano x = 35,5 mm:

(4.28.)

Kontynuując obliczenia, z założoną dokładnością co 0,1 mm otrzymano:

(4.29.)

*

*

(4.30.)

W tym momencie kończy się warstwa izolacji papierowa nasycana i rozpoczyna warstwa wykonana z XLPE, stąd kontynuacja obliczeń wymaga wykorzystanie ε = 2,2:

(4.31.)

W tym miejscu obserwuje się skok natężenia pola ze względu na przejście do materiału o innej przenikalności dielektrycznej.

*

*

(4.32.)

Uzyskane wyniki zostały umieszczone na rysunku 4.12.

Rysunek 4.12. Rozkład natężenia pola w kablu hybrydowym.

Zestawienie wyników obliczeń dla różnych realizacji wykonania izolacji przedstawia wykres na rysunku (4.13).

Rysunek 4.13. Porównanie rozkład natężenia pola w kablach XLPE, olejowym i hybrydowym.

Obliczenia rozkładu natężenia pola elektrycznego w izolacji kabli dla napięcia 1100 kV:

a). Obliczenia rozkładu pola elektrycznego w kablu XLPE (izolacja jednorodna):

Dane: [18]

U = 1100kV

ε = 2,2 - przenikalność dielektryczna XLPE

r₁ = 35,5mm - promień żyły

r₂ = 129mm - promień izolacji

(4.33.)

Obliczenia rozkład natężenia pola elektrycznego w izolacji rozpoczyna się od skraju żyły roboczej, dla założeń wg tabeli (4.1.) otrzymano x = 35,5 mm:

(4.34.)

kontynuując obliczenia, z założoną dokładnością co 0,1 mm otrzymano:

(4.35.)

*

*

(4.36.)

Uzyskane wyniki zostały umieszczone na rysunku 4.14.

Rysunek 4.14. Rozkład natężenia pola w kablu XLPE.

b). Obliczenia rozkładu pola elektrycznego w kablu papierowo-olejowym (izolacja jednorodna):

Dane: [18]

U = 1100kV

ε = 2,8 - przenikalność dielektryczna izolacji papierowo-olejowej.

r₁ = 35,5mm - promień żyły

r₂ = 99,5mm - promień izolacji

(4.37.)

Obliczenia rozkład natężenia pola elektrycznego w izolacji rozpoczyna się od skraju żyły roboczej, dla założeń wg tabeli (4.1.) otrzymano x = 35,5 mm:

(4.38.)

kontynuując obliczenia, z założoną dokładnością co 0,1 mm otrzymano:

(4.39.)

*

*

(4.40.)

Uzyskane wyniki zostały umieszczone na rysunku 4.15.

Rysunek 4.15. Rozkład natężenia pola w kablu papierowo-olejowym.

c). Obliczenia dla kabla hybrydowego (izolacja niejednorodna):

Dane: [18]

Napięcie: U = 1100kV

Przenikalność XLPE: ε = 2,2

Przenikalność izolacji papierowo-olejowej : ε = 2,8

Promień żyły: r₁ = 35,5mm

Promień izolacji 1: r₂ = 63,5mm

Promień izolacji 2: r₃ = 81,8mm

Obliczenia rozkładu pola elektrycznego w kablu hybrydowym.

U = 1100kV

(4.41.)

Obliczenia rozkład natężenia pola elektrycznego w izolacji rozpoczyna się od skraju żyły roboczej, dla założeń wg tabeli (4.1.) otrzymano x = 35,5mm:

(4.42.)

kontynuując obliczenia, z założoną dokładnością co 0,1mm otrzymujemy:

(4.43.)

*

*

(4.44.)

W tym momencie kończy się warstwa izolacji papierowej nasycanej i rozpoczyna warstwa wykonana z XLPE, stąd kontynuacja obliczeń wymaga wykorzystanie ε = 2,2:

(4.45.)

W tym miejscu następuje skok natężenia pola ze względu na przejście do materiału o innej przenikalności dielektrycznej.

(4.46.)

Uzyskane wyniki zostały umieszczone na rysunku 4.16.

Rysunek 4.16. Rozkład natężenia pola w kablu hybrydowym.

Zestawienie wyników obliczeń dla różnych realizacji wykonania izolacji przedstawia wykres na rysunku (4.13).

Rysunek 4.17. Porównanie rozkład natężenia pola w kablach XLPE, olejowym i hybrydowym.

Z powyższych wykresów jasno wynika wpływ zastosowania izolacji hybrydowej (stopniowania izolacji) na zmniejszenie całkowitego przekroju poprzecznego kabla. W praktyce, nawet niewielkie zmniejszenie promienia izolacji, ma wymierne korzyści ekonomiczne procesu produkcyjnego i montażu.[3, 6, 9, 11]

5. GŁOWICE I MUFY KABLOWE

1. Sterowanie rozkładem pola na zakończeniu kabla

a). Rozkład pola elektrycznego na zakończeniu kabla bez sterowania zobrazowany został na poniższym rysunku. W przypadku braku warstwy sterującej, linie ekwipotencjalne pola elektrycznego przy zakończeniu ekranu izolacji leżą blisko siebie, co jest równoznaczne z wysokimi wartościami pola. Są one wystarczające do zapoczątkowania jonizacji powietrza i inicjacji wyładowań niezupełnych. Temperatura i produkty rozkładu doprowadzają wówczas do degradacji powierzchni izolacji. Występowanie napięć lub ostrzy przewodzących może prowadzić do przeskoku lub przebicia.

a) b)

Rysunek 5.1. Rozkład pola elektrycznego na zakończeniu kabla: a) przy braku warstwy sterującej; b) z zastosowaniem warstwy sterującej [8].

b). Rozkład pola elektrycznego na zakończeniu kabla z zastosowanym sterowaniem.

Do wysterowania pola elektrycznego na zakończeniu kabla, służą prefabrykowane elementy o właściwie dobranej rezystywności skrośnej i powierzchniowej, montowane w ściśle określony sposób mający zapobiegać zawilgoceniu, powstawaniu pęcherzy powietrznych, lub dostawaniu się zanieczyszczeń stałych pomiędzy kolejne warstwy izolacji. Funkcje sterowania pola elektrycznego spełniają rury termokurczliwe, płaty lub zintegrowane warstwy termotopliwe. Poprzez wykorzystanie warstwy o kontrolowanej wartości impedancji występuje przepływ niewielkiego prądu sterującego. Prowadzi to do osiągnięcia pola o założonym poziomie w całym obszarze.

Głowica jest elementem o charakterze przepustowym, stosowanym na krańcu kabla w celu przyłączenia go do urządzenia rozdzielczego. Przykłady konstrukcji głowic kablowych przedstawiono na poniższych rysunkach.

Rysunek 5.3. Przykładowe głowice kablowe [12].

a) głowica do połączenia kabla masowego z rozdzielnicą tradycyjną;

b) głowica do połączenia kabla polietylenowego z rozdzielnicą tradycyjną;

c) głowica do połączenia kabla papierowo-olejowego z rozdzielnicą SF₆.

1 - przewód; 2 - izolacja; 3 - powłoka; 4 - stożek metalowy; 5 - elektroda sterująca; 6 - osłona głowicy; 7 - olej; 8 - SF₆; 9 - obudowa.

Rysunek 5.4. Przykład budowy współczesnej głowicy kablowej [8].

1 - Uszczelnienie

2 - Warstwa sterująca - typowym rozwiązaniem jest sterowanie pola za pomocą cienkiej warstwy materiału o nieliniowej impedancji elektrycznej (np. wykorzystując technologie półprzewodnikową).

3 - Izolator wysokonapięciowy

4 - wypełniacz termotopliwy - zapewnia lokalne wysterowanie na zakończeniu ekranu fabrycznego kabli.

5 - Uziemienie

Mufy kablowe służą do połączenia ze sobą dwu odcinków kabli i podobnie jak w przypadku głowic kablowych, projektowane są w sposób uniemożliwiający powstawanie wyładowań ślizgowych. W zależności od tego, do jakich kabli są stosowane, istnieje wiele rozwiązań konstrukcyjnych. Przykłady budowy muf kablowych przedstawiono na poniższych rysunkach.

Rysunek 5.5. Przykład budowy mufy kablowej [8].

1 - Sterująca rura termokurczliwa, pokrywająca żyły kabli, i termotopliwy płat sterujący, nawinięty na złącza, mają ściśle zdefiniowaną impedancję, czego efektem jest osłabienie pola elektrycznego

2 - Ekranowana izolacja mufy - tuleja izolacyjna z elastomeru.

3 - Ekran mataliczny - w tym przypadku, plecionka miedziana i sprężyny płaskie zapewniają prawidłowe połączenia żył powrotnych kabli na całej długości złącza i tworzą elektryczne połączenie z ekranem zewnętrznym mufy.

4 - Uszczelnienie i osłona.

Rysunek 5.6. Przykład mufy do kabli papierowo-olejowych [12].

1 - powłoka; 2 - osłona; 3 - stożek metalowy; 4 - izolacja kabla; 5 - izolacja mufy; 6 - zacisk; 7 - olej.

6. IZOLATORY PRZEPUSTOWE

Jednym z najskuteczniejszych sposobów zmniejszenia nierównomierności pola elektrycznego w układach izolacyjnych jest sterowanie pojemnościowe poprzez wprowadzenie pośrednich okładzin metalowych lub półprzewodzących między kolejne warstwy izolacji zwijanej. Taki sposób sterowania znajduje szerokie zastosowanie w przepustach papierowo-żywicznych i papierowo-olejowych. Pojemnościowe sterowanie pola elektrycznego jest skuteczne przy napięciach zmiennych i udarowych. Nie powoduje ono obniżenia rezystancji skrośnej i powierzchniowej izolacji, a więc również wzrostu prądów upływu, strat dielektrycznych i dodatkowego nagrzewania się materiałów izolacyjnych. Jest ono jednocześnie jednym ze skuteczniejszych sposobów ograniczenia wyładowań niezupełnych, w tym również powierzchniowych.

Szkic półprzekroju rdzenia izolacyjnego przepustu kondensatorowego pokazano na poniższym rysunku. Nazwa przepustu wynika stąd, że układ z ekranami sterującymi można traktować jako specyficzny kondensator wielowarstwowy. O rozkładzie pola elektrycznego wewnątrz przepustu decydują długości ekranów l_i i ich osiowe przesunięcia l_i = 0,5(l_i - l_i-1) oraz promienie ekranów r_i i grubość warstw izolacji:

δ_i = r_i - r_i-1, gdzie i = 1, 2, …, n - jest wskaźnikiem liczby ekranów sterujących. Połączone szeregowo pojemności kolejnych warstw izolacji wymuszają rozkład potencjału między rurą nośną (torem prądowym) a uziemionym kołnierzem izolatora.

Na rozkład pola elektrycznego można wpływać poprzez odpowiedni dobór liczby i stopniowanej długości ekranów sterujących. Długości ekranów i odległości między nimi powinny być dobierane w taki sposób, aby uzyskać najbardziej równomierny rozkład pola w kierunku promieniowym i osiowym. Największa wartość składowej osiowej występuje na końcu ekranu umieszczonego przy kołnierzu. Skończona liczba ekranów sterujących nie pozwala na uzyskanie całkowicie równomiernego pola elektrycznego w kierunku promieniowym, toteż składowa E_r wykazuje ograniczoną zmienność w rzeczywistych rdzeniach izolacyjnych.

Rysunek 6.1. Szkic półprzekroju przepustu transformatorowego kondensatorowego z izolacją miękką [6].

1 - rura nośna; 2 - kołnierz; 3 - osłona górna; 4 - osłona dolna; 5 - rdzeń izolacyjny (izolacja papierowo-olejowa); 6 - ekran sterujący; r₀ - promień rury nośnej; l₀ - długość obliczeniowa rury nośnej zajętej przez rdzeń; r₁, …, r_n - promienie ekranów; l₁, …, l_n - długości ekranów.

Przykład obliczeń izolatora przepustowego

Przykład dotyczy izolatora przepustowego transformatorowego o izolacji papierowo-olejowej (miękkiej) i polu sterowanym pojemnościowo (jak na powyższym rysunku). Obliczenia projektowe obejmują wyłącznie wymiarowanie przepustu ze względu na wymagania elektryczne stawiane jego izolacji. Zakres rozważań nie obejmuje obliczeń projektowych ze względu na wymagania cieplne i mechaniczne oraz zagadnień związanych z technologią produkcji, badaniami i szczegółami konstrukcyjnymi przepustów.

Dane znamionowe przepustu: [6]

Un = 123kV

Upr50 = 230kV - napięcie probiercze przemienne

Upru = 550kV - napięcie probiercze udarowe piorunowe

In = 630A - prąd znamionowy

Główne dane wymiarowe przepustu:

średnica zewnętrzna rury nośnej - 2r₀ = 35mm

największa grubość jednej warstwy izolacyjnej w rdzeniu - δ_max = 1mm

umowna długość osiowa kołnierza - h_k = 150mm (przepust bez przekładnika prądowego).

Przepust zawiera następujące układy izolacji głównej: wielowarstwowy układ izolacji wewnętrznej (rdzeń kondensatorowy zanurzony w oleju) i dwie osłony porcelanowe (górną w powietrzu i dolną w oleju). Pole elektryczne w przepuście jest sterowane zgodnie z kryterium stałej składowej osiowej E_l.

Projektowanie izolacji przepustu kondensatorowego wykonuje się w kilku etapach. Dla izolacji wewnętrznej oblicza się:

• grubość rdzenia,

• liczbę ekranów sterujących,

• odstępy osiowe ich końców,

• długości i promienie ekranów oraz rozkład składowej promieniowej wektora natężenia pola elektrycznego w rdzeniu.

Dla izolacji zewnętrznej oblicza się tylko główne wymiary osłon (wysokości i średnice wewnętrzne). Wszystkie obliczone wymiary elementów konstrukcyjnych przepustów należy traktować jako minimalne.

Obliczenia rozpoczyna się od grubości pasywnej części rdzenia izolacyjnego (w mm) wynikające ze wzoru:

dla j = 1, 2, 3, (6.1.)

gdzie: n - liczba warstw izolacji rdzenia (ekranów sterujących);

δ_i = var - grubość jednej warstwy, mm;

β = 1,3 - współczynnik nierównomierności pola w rdzeniu;

U_oblj - napięcie obliczeniowe, skojarzone z napięciem roboczym i napięciami probierczymi następująco:

j	1	2	3
Uoblj	Unl√3	1,1,Upr50	1,1Upru
(w kV)	71	253	605

- dopuszczalna składowa promieniowa wektora natężenia pola na krawędziach ekranów, kV/mm;

k_dj - empiryczny współczynnik obliczeniowy zależny od rodzaju napięcia:

j	1	2	3
kdj	4	12	50

Na podstawie powyższych danych oblicza się grubości pasywnej części rdzenia:

j	1	2	3
Δj (w mm)	23,1	27,4	15,7

Spośród obliczonych grubości rdzenia wybiera się wartość największą (w rozważanym przypadku Δ₂ = Δ) i oblicza się:

- minimalną liczbę ekranów sterujących

(6.2.)

- długość odstępu osiowego między krawędziami ekranów w dolnej części rdzenia

, (6.3.)

- długość odstępu między krawędziami ekranów w górnej części przepustu

Δl_g = 1,8 Δl_d = 13,6mm.

Po zaokrągleniu do wartości całkowitych powyższych długości odstępów osiowych

(Δl_d = 8mm i Δl_g = 14mm) należy sprawdzić, czy spełniony jest następujący warunek:

(6.4.)

Ponieważ warunek ten nie jest spełniony, dlatego też należy zwiększyć liczbę ekranów sterujących oraz obliczyć powtórnie wartości Δl_d i Δl_g.

Powyższy warunek jest spełniony dopiero wtedy, gdy:

n = 36,

Δl_d = 5mm (z obliczeń 4,51 mm),

Δl_g = 9mm ( z obliczeń = 8,12 mm).

Następnie oblicza się długości ( w [mm]) aktywnych części rdzenia:

- w dolnej części przepustu

l_d = (n-1)Δl_d = 175mm, (6.5.)

- w górnej części przepustu

l_g = (n-1)Δl_g = 315mm. (6.6.)

Kilka następnych obliczeń wykonuje się dla osłon porcelanowych przepustu. Wysokości osłon muszą być skoordynowane z długościami l_g i l_d. Wysokość osłony górnej (h_g) wynika z warunków wytrzymałościowych przy obliczeniowych napięciach probierczych:

- przemiennym na sucho

(6.7.)

- przemiennym pod deszczem

(6.8.)

- udarowym piorunowym na sucho

(6.9.)

gdzie: E_s = 0,33 kV/mm - średnie natężenie przeskoku przy napięciu przemiennym na sucho;

E_d = 0,22 kV/mm - średnie natężenie przeskoku przy napięciu przemiennym pod deszczem;

E_u = 0,5 kV/mm - średnie natężenie przeskoku przy napięciu udarowym piorunowym.

Wysokość osłony górnej wyznacza się na podstawie największej z obliczonych wartości, czyli h_g = 1210mm i sprawdza się następujący warunek:

h_g ≥ 1,3 l_g , (6.10.)

zapewniający koordynację wymiarów osiowych osłony i długości aktywnej części rdzenia.

W rozważanym przypadku warunek ten jest spełniony i nie trzeba zwiększać długości osłony górnej.

Podobnie postępuje się w wypadku osłony dolnej, posługując się następującym warunkiem wytrzymałościowym:

(6.11.)

(gdzie E_ol = 0,65 kV/mm - średnie natężenie przebicia w oleju wzdłuż osłony przy napięciu przemiennym) oraz warunkiem koordynacyjnym:

h_d ≥ 1,2 l_d (6.12.)

Podobnie jak w przypadku osłony górnej, nie trzeba zwiększać długości osłony dolnej.

Po wykonaniu powyższych obliczeń można dokończyć projektowanie brakujących elementów izolacji wewnętrznej. W pierwszej kolejności trzeba wyznaczyć długość najkrótszego ekranu (l_n), która jest uzależniona od umownej długości osiowej kołnierza. W normalnych warunkach pracy ostatni ekran jest połączony z uziemionym kołnierzem przepustu. W celu skutecznego ekranowania musi on sięgać obustronnie poza długość h_k na odcinku rzędu 10 - 15% wysokości każdej z osłon, stąd:

l_n = h_k + 0,15h_g + 0,1h_d = 370mm (6.13.)

Długość pozostałych ekranów oblicza się następująco:

l_n-1 = l_n + Δl_d + Δl_g = 384mm, (6.14.)

*

*

l₀ = l_n + n Δl_d + n Δl_g = 874mm, (6.15.)

gdzie: l₀ + l₁ + Δl_d + Δl_g - długość obliczeniowa rury nośnej zajętej przez rdzeń przepustu.

Dla zadanego promienia rury nośnej r₀ = 17,5mm i znanej grubości rdzenia Δ = 27,4mm oblicza się promień najkrótszego ekranu sterującego

r_n = r₀ + Δ ≈ 45mm (6.16.)

oraz promienie pozostałych ekranów

(6.17.)

*

*

(6.18.)

Wyniki obliczeń długości i promieni ekranów sterujących są przedstawione w postaci graficznej na rysunku (6.2.)

Rysunek 6.2. Wyniki obliczeń współrzędnych koordynacyjnych ekranów sterujących w rdzeniu izolacyjnym przepustu kondensatorowego [6].

Po obliczeniu kolejnych warstw izolacji rdzenia

δ₁ = r₁ - r₀, (6.19.)

*

*

δ_n = r_n - r_n-1 (6.20.)

oraz największej grubości warstwy δ_imax należy sprawdzić warunek

δ_imax ≤ δ_max. (6.21.)

Jeżeli nie jest on spełniony, wówczas trzeba zwiększyć liczbę ekranów i powtórzyć cykl obliczeń projektowych, począwszy od wzoru na długość odstępu osiowego między krawędziami ekranów w dolnej części rdzenia. W rozważanym przykładzie nie ma takiej potrzeby, ponieważ δ_imax = 0,7mm < δ_max = 1mm.

Ostatnimi parametrami geometrycznymi przepustu są:

- średnica zewnętrzna części pasywnej rdzenia (w [mm])

D_r ≈ 2 ( r₀ + Δ + δ_n+1 ) = 93mm (6.22.)

- średnica wewnętrzna osłon w pobliżu kołnierza (w [mm])

D_w ≈ D_r + 10 = 103mm (6.23.)

gdzie: δ_n+1 ≈ 2 δ_n = 1,4mm - grubość dodatkowej warstwy ochronnej na ostatnim ekranie sterującym.

Można przystąpić teraz do obliczania rozkładu składowej promieniowej wektora natężenia pola elektrycznego w rdzeniu. Dla współrzędnych koordynacyjnych ekranów (promieniowej r = var i osiowej l = var) rozkład ten opisuje równanie

dla
i
(6.24.)

gdzie: U = U_n = 123kV - obliczeniowe napięcie robocze przepustu (równe najwyższemu napięciu probierczemu, przy którym mierzy się poziom wyładowań niezupełnych).

Rozkład E_r = f(r), prawie symetryczny, przedstawiono na poniższym rysunku:

Rysunek 6.3. Rozkład składowej promieniowej wektora natężenia pola elektrycznego w rdzeniu izolacyjnym przepustu kondensatorowego [6].

Przed zakończeniem obliczeń trzeba sprawdzić, czy największa wartość składowej promieniowej E_rmax wyznaczona ze wzoru (6.24) spełnia warunek

(6.25.)

Jeśli tak nie jest, należy przyjąć większą średnicę rury nośnej i wykonać ponownie część obliczeń, poczynając od wzoru (6.17). W rozważanym przykładzie warunek (6.25) jest spełniony, ponieważ E_rmax = 5,3kV/mm < 12 kV/mm.

7. ROZDZIELNIE SF₆

1. Podstawy konstrukcji gazowych

Największe obecnie zastosowanie w praktyce posiada sześciofluorek siarki. Przy dużych ciśnieniach wytrzymałość elektryczna tego gazu może być większa niż oleju transformatorowego, a nawet materiałów eletroceramicznych. Kolejną zaletą SF₆ jest jego nietoksyczność jeśli nie występują w nim wyładowania niezupełne. Ponadto przy dużych ciśnieniach ma dobrą zdolność odprowadzania ciepła co może być wykorzystane do gaszenia łuku elektrycznego. Wpływ na wytrzymałość elektryczną SF₆ ma wiele czynników, takich jak biegunowości napięcia, obecności materiałów izolacyjnych stałych, ilości zanieczyszczeń oraz kształtu i krzywizny elektrod. Statyczne napięcie przeskoku w polu równomiernym rośnie proporcjonalnie w przedziale ciśnień od 0,1-1 MPa. W polu nierównomiernym zależność ta ma charakter „siodłowy”. W celu wykorzystania bardzo dobrych własności SF₆ należy stosować elektrody o małych krzywiznach i dużej gładkości.

Istnieje widoczna tendencja do przechodzenia tradycyjnych stacji elektroenergetycznych na rozwiązania ze sprzężonym SF₆ jako izolacją główną.

Dotyczy to głównie terenów gęsto zaludnionych, gdzie znaczący wpływ maja względy architektoniczne i oddziaływanie stacji na otoczenie. W porównaniu z tradycyjnymi układami izolacyjnymi, izolacja wysokociśnieniowa posiada wiele zalet takich jak:

• pomijalną konduktywność i stratność elektryczną,

• znaczną wytrzymałość elektryczną,

• zdolność do samoregeneracji własności izolacyjnych.

Początki stosowania układów izolowanych SF₆ datują się na lata sześćdziesiąte. Spowodowało to rewolucje w budowie stacji wysokich i najwyższych napięć. Rozdzielnice gazowe są konstrukcjami całkowicie szczelnymi i osłoniętymi, wszystkie znajdujące się tam urządzenia znajdują się w metalowych obudowach wypełnionych SF₆. Obudowy te mają kształt kulisty i walcowy i wykonane są najczęściej z blach niemagnetycznych stalowych lub stopów aluminiowych stanowiąc równocześnie konstrukcje nośna rozdzielnicy. Tory prądowe wykonywane są z rur miedzianych lub aluminiowych zamocowanych za pomocą specjalnych wsporników i odstępników izolacyjnych. Rozdzielnice budowane są jako jednobiegunowe (każda faza w oddzielnej obudowie) i trójbiegunowe (wszystkie fazy w jednej obudowie). Rozdzielnie trójbiegunowe cechują się mniejszymi wymiarami, lecz to skutkuje ich większą zawodnością niż rozdzielnic jednobiegunowych. Pole tych rozdzielnic stanowią oddzielne moduły o osobnych przedziałach gazowych. Rozdzielnicą gazowym stawiane są wysokie wymagania mechaniczne i elektryczne, dąży się w nich do uzyskania jak najbardziej równomiernego rozkładu pola elektrycznego, ponieważ niedopuszczalne są podczas pracy tych urządzeń jakiekolwiek wyładowani niezupełne. W celu zmniejszenia natężenia pola przy powierzchniach izolatorów odstępnikowych i przegrodowych dobiera się odpowiednie kształty i wymiary elementów torów prądowych. Ponadto izolatory takie powinny cechować się jak najmniej nierównomiernym rozkładem pola w jego wnętrzu i wokół jego powierzchni, natężenie pola wewnątrz izolatora nie może przekraczać wartości uznanej za dopuszczalną długotrwałą.

Wytrzymałość układów gazowych zmniejsza się znacznie wraz ze wzrostem nierównomierności rozkładu pola pod wpływem nawet nieznacznych zanieczyszczeń. Dlatego bardzo duże znaczenie ma bardzo dokładne ułożenie i połączenie wszystkich elementów konstrukcji podczas jej montażu unikając jakichkolwiek zanieczyszczeń przy pracach wykończeniowych.

Oczekuje się dalszego wzrostu zainteresowania tym rozwiązaniem ze względu na jego liczne zalety:

• około dziesięciokrotne zmniejszenie powierzchni potrzebnej do zainstalowania rozdzieli w porównaniu z tradycyjnymi napowietrznymi rozwiązaniami,

• zmniejszenie hałasu,

• wyeliminowanie zagrożeń środowiskowych,

• ograniczoną liczbę rozwiązań ze względu na napięcie,

• pełną automatyzacje obsługi,

• ograniczenie prac remontowych i dużą niezawodność,

• całkowite bezpieczeństwo obsługi.

1. Wytrzymałość elektryczna sześciofluorku siarki

a). Pole jednostajne:

Wytrzymałość elektryczna SF₆ jest przy ciśnieniu atmosferycznym około 3-krotnie większa niż powietrza. Aby zwiększyć wytrzymałość stosuje się podwyższone ciśnienie od ok. 0,15 MPa do ok. 0,5 MPa

Rysunek 7.1. Zależność napięcia przeskoku U_p od odległości elektrod (a) w polu jednostajnym dla sześciofluorku siarki oraz powietrza.[1]

b). Pole niejednostajne:

W polu niejednostajnym wyładowania niezupełne w otoczeniu elektrody o dużej krzywiźnie powodują zmniejszenie napięcia przeskoku w tym układzie w porównaniu z układem o polu jednostajnym.

Rysunek 7.2. Zależność napięcia początkowego U₀ wyładowań w SF₆ od promienia krzywizny elektrody ostrzowej r, przy odległości elektrod a = 20 mm.[1]

2. Wymiarowanie toru prądowego

Konstrukcje rozdzielni gazowych stanowią hermetyczne rury i zbiorniki wypełnione sześciofluorkiem siarki o odpowiednim ciśnieniu, przeważnie 0,15-0,5 MPa. Znajdują się w nich szyny zbiorcze oraz wszystkie urządzenia rozdzielcze.

Model modułu rozdzielni, jakim jest układ walców współosiowych, stanowi podstawę wymiarowania toru prądowego ze względu na minimalną wartość natężenia pola elektrycznego przy elektrodzie szynowej (największą wartość napięcia).

W układzie współosiowych elektrod walcowych natężenie pola elektrycznego na powierzchni elektrody wewnętrznej wynosi:

(7.1.)

I jest to maksymalna wartość natężenia pola elektrycznego dla takiego układu.

Rysunek 7.3. Fragment jednobiegunowego modułu rozdzielni gazowej (a), układ modelowy (b):

1 - szyna przewodząca,

2 - izolator odstępnikowy,

3 - izolator przegrodowy,

4 - rura stalowa.[1]

Średnicę szyny przewodzącej dobiera się tak, aby przy danym napięciu U oraz promieniu osłony R = const otrzymać minimalną wartość natężenia pola E_rmin, otrzymuje się to przy R = 2,7r

Rysunek 7.4. Zależność natężenia pola elektrycznego E_r przy powierzchni elektrody wewnętrznej w układzie walców współosiowych od stosunku R/r.[1]

W układzie elektrod o polu jednostajnym (lub zbliżonym do jednostajnego) w sześciofluorku siarki wartość natężenia przeskoku odniesiona do ciśnienia wynosi:

(7.2.)

Ze względu na zniekształcenie rozkładu pola oraz przepięcia nie należy na powierzchni szyny przewodzącej przekraczać wartości:

(7.3.)

Wówczas przy ciśnieniu gazu równym np. 0,5 MPa wartość natężenia pola elektrycznego przy powierzchni elektrody wewnętrznej wynosi:

E_rmin=45 kV/cm

Dla rozdzielni na napięcie U_n = 220 kV i najwyższe dopuszczalne napięcie U_d = 245 kV, wtedy napięcie obliczeniowe fazowe równa się:

(7.4.)

Z warunku na minimalną wartość natężenia pola elektrycznego R/r=e

(7.5.)

promień szyny przewodzącej dla obliczeniowego napięcia fazowego 200 kV wynosi 4,4cm.

3. Optymalizacja rozkładu pola elektrycznego w łączniku kulistym

Optymalizacja rozkładu pola polega głównie na zapewnieniu odpowiedniego wymiarowania łącznika kulistego, przy którym zapewnimy optymalny ze względów użytkowych rozkład pola elektrycznego w jego wnętrzu.

Łącznik kulisty występujący w miejscu zagięcia jednobiegunowego modułu pod kątem 90^o - miejsce złączenia ma postać wycinka kuli. Taką samą budowę posiadają układy elektrod zewnętrznych.

Łącznik kulisty można przedstawić układem modelowym czasz kulistych współśrodkowych o promieniach r_k i R_k.

Rysunek 7.5. Fragment jednobiegunowego modułu z łącznikiem kulistym.[1]

Dla danych:

Napięcie robocze U_r

Dopuszczalne natężenie pola elektrycznego w układzie E_d

Maksymalne napięcie robocze:

(7.6.)

Maksymalne natężenie pola elektrycznego:

(7.7.)

Przy złożeniu optymalnego stosunku wymiarów (R_k/r_k)=2:

(7.8.)

R_k przy założeniu E_m=E_d promień elektrody zewnętrznej wynosi:

(7.9.)

Promień elektrody wewnętrznej:

(7.10.)

Przykład:

Dla rozdzielni o napięciu fazowym 200 kV i obliczonej wartości natężenia pola E_rmin=45 kV/cm uwzględniając wzory (7.9.) oraz (7.10.), promienie łącznika kulistego wynoszą:

(7.11.)

(7.12.)

[1, 6, 12]

Zakończenie

Z przeprowadzonych analiz i obliczeń wynika, iż sterowanie rozkładem pola elektrycznego w układach izolacyjnych urządzeń elektrycznych wysokiego napięcia jest nieodzownym elementem procesu projektowania. Właściwy rozkład pola w przestrzeni dielektrycznej układów izolacyjnych ma znaczący wpływ na ograniczenie możliwości powstania wyładowań niezupełnych lub w najgorszym wypadku przebicia całkowitego izolacji, w przypadku układów izolacji wewnętrznej, oraz przepięć w układach izolacyjnych zewnętrznych. Przekłada się to w znacznym stopniu na zwiększenie żywotności materiałów izolacyjnych dzięki ograniczeniu zachodzących w nich niekorzystnych zjawisk starzenia, co z kolei prowadzi do zmniejszenie awaryjności urządzeń.

Właściwe interpretowanie zjawisk związanych z obecnością pola elektrycznego ma znaczny wpływ na optymalne projektowanie modułów rozdzielni SF₆ przy jednoczesnym zachowaniu bezpiecznych odstępów izolacyjnych. Od wielu lat jest to zauważalne w związku z miniaturyzacją niniejszych urządzeń, a także rozszerzanie zakresu stosowania sześciofluorku siarki w układach izolacyjnych innych urządzeń.

Prowadzona od wielu lat wnikliwa analiza problemu rozkładu natężenia pola elektrycznego owocuje obecnie ułatwieniem procedur projektowania urządzeń. W połączeniu z rozwojem technologii produkcji nowych materiałów dielektrycznych, daje wymierne korzyści w dążeniu do miniaturyzacji urządzeń elektrycznych, co przy dzisiejszym (przymusowym) zagęszczeniu tego rodzaju urządzeń w aglomeracjach miejskich ma pozytywny wpływ na ekologię i estetykę otoczenia.

Zrozumienie zjawisk zachodzących pod wpływem działania sił pola elektrycznego jest determinującym czynnikiem zwiększającym zakładaną wydajność urządzeń przesyłowo-rozdzielczych, przekładając się na obniżanie kosztów produkcji i montażu, a w dłuższym przedziale czasu obserwowana jest zwielokrotniona żywotność wspomnianych urządzeń, wynikająca z ich zwiększonej wytrzymałości, nie tylko na napięcia znamionowe, lecz także na niedające się przewidzieć przepięcia łączeniowe i atmosferyczne.

Intensywne prace rozwojowe nad układami izolacyjnymi, odnoszą się również do zmniejszenia ich negatywnego wpływu na środowisko naturalne.

Literatura

[1] Florkowska B.: Wytrzymałość elektryczna gazowych układów izolacyjnych wysokiego napięcia. Wydawnictwa AGH, Kraków 2003.

[2] Sulima T.: Materiały i układy izolacyjne maszyn i aparatów elektrycznych. Wydawnictwo Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 1987.

[3] Praca zbiorowa pod redakcją H. Mościckiej-Grzesiak: Inżynieria wysokich napięć w elektroenergetyce. Tom 1, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, 1996.

[4] Praca zbiorowa pod redakcją H. Mościckiej-Grzesiak: Inżynieria wysokich napięć w elektroenergetyce. Tom 2, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, 1996.

[5] Praca zbiorowa: Poradnik inżyniera elektryka, tom 1. WNT, Warszawa 1994.

[6] Gacek Z.: Wysokonapięciowa technika izolacyjna. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 1996.

[7] Juchniewicz J., Lisiecki J.: Wytrzymałość dielektryczna i układy izolacyjne. Wydawnictwo Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 1978.

[8] Katalog firmy Tyco Elektronics: Osprzęt kablowy dla elektroenergetyki 2004/2005.

[9] Pstrągowski M., Polański R.: Kable elektroenergetyczne 6kV do 400kV - nowe konstrukcje i wymagania. X Sympozium „PROBLEMY EKSPLOATACYJI UKŁADÓW IZOLACYJNYCH WYSOKIEGO NAPIĘCIA”, Krynica, 27-30 września 2005.

[10] Glistak A., Jagiełło A.: Rozwój technologii produkcji kabli o izolacji XLPE niskiego i średniego napięcia. IX Sympozium „PROBLEMY EKSPLOATACYJI UKŁADÓW IZOLACYJNYCH WYSOKIEGO NAPIĘCIA”, Zakopane, 9-11 października 2003.

[11] Kolbiński K.: Kable elektroenergetyczne. PWT, Warszawa 1957.

[12] Flisowski Z.: Technika wysokich napięć. WNT, Warszawa 1992.

[13] Rakowska A.: Rozwój kabli wysokiego napięcia a doświadczenia eksploatacyjne. IX Sympozium „PROBLEMY EKSPLOATACYJI UKŁADÓW IZOLACYJNYCH WYSOKIEGO NAPIĘCIA”, Zakopane, 9-11 października 2003.

[14] Grobicki J., Germata M.: Przewody i kable elektroenergetyczne. WNT, Warszawa 2000.

[15] Gacek Z.: Przykłady obliczeniowe z techniki wysokich napięć. Skrypt uczelniany Nr 1831, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 1994.

[16] Florkowska B. Materiały do wykładów: Technika wysokich napięć. AGH, Kraków.

[17] Katalog kabli elektroenergetycznych, http://www.tf.com.pl, (październik 2005)

[18] Florkowska B.: Opracowanie na temat kabli hybrydowych. AGH, Kraków.

108

1

2

3

E(x)

X

0,25

0,2

0,15

0,1

0,05

0

120

100

80

60

40

20

0

---