RU2269172C1 - High-village conductor - Google Patents

High-village conductor Download PDF

Info

Publication number
RU2269172C1
RU2269172C1 RU2004118725/09A RU2004118725A RU2269172C1 RU 2269172 C1 RU2269172 C1 RU 2269172C1 RU 2004118725/09 A RU2004118725/09 A RU 2004118725/09A RU 2004118725 A RU2004118725 A RU 2004118725A RU 2269172 C1 RU2269172 C1 RU 2269172C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
corona
voltage
conductor
insulation layer
wire
Prior art date
Application number
RU2004118725/09A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2269172C8 (en
Inventor
Владимир Александрович Пахотин (RU)
Владимир Александрович Пахотин
Владимир Александрович Закревский (RU)
Владимир Александрович Закревский
Original Assignee
Владимир Александрович Пахотин
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Владимир Александрович Пахотин filed Critical Владимир Александрович Пахотин
Priority to RU2004118725/09A priority Critical patent/RU2269172C8/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2269172C1 publication Critical patent/RU2269172C1/en
Publication of RU2269172C8 publication Critical patent/RU2269172C8/en

Links

Images

Landscapes

  • Testing Relating To Insulation (AREA)
  • Waveguides (AREA)

Abstract

FIELD: electrical and radio engineering.
SUBSTANCE: proposed high-voltage conductor designed for erecting dc and ac power transmission lines and also for use as conductor of heavy-power low-frequency radio transmitting antennas has concentrically disposed weight carrying member, radius R1 conductor, internal semiconductor insulating layer, external semiconductor insulating layer, and radius Re main insulating layer. Internal semiconductor insulating layer is required for fashioning current-carrying conductor in the form of round cylinder and for smoothing down irregularities capable of enhancing electric field strength and liable to cause partial discharges. External semiconductor insulating layer is used for fast equalization of potential throughout entire external surface of conductor. Operating voltage across conductor may exceed corona firing potential Vc in vicinity of insulator-air boundary by 1.4 to 3 times at specified corona power loss. Novelty is that relative radius x = Re/R1 and volume resistivity ρ of main insulating layer in high-voltage conductor with known corona-discharge current-voltage characteristic I(V1) and at specified corona power loss are interrelated by definite equations for frequencies f > fb and f < fb, where fb is value reverse to charge time constant of circuit set up of corona discharge resistance and total capacitance of system.
EFFECT: ability of conductor operation at voltage exceeding corona firing voltage near certain boundary.
2 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к области электротехники и радиотехники и может быть использовано для изготовления проводов линий электропередачи постоянного и переменного тока, а также проводов мощных передающих радиоантенн низких частот.The invention relates to the field of electrical and radio engineering and can be used for the manufacture of wires of power lines of direct and alternating current, as well as wires of powerful transmitting low-frequency radio antennas.

Известен провод, используемый для передачи высокого напряжения переменного тока, который включает один проводник или несколько сгруппированных металлических проводников, и тонкое полупроводящее покрытие, сбрасывающее воду за счет укрупнения капель воды (Патент США №4383133). Недостатком является большие потери на корону и тепловые потери в покрытии, а также опасность пробоя изоляции при повышении рабочего напряжения выше напряжения зажигания короны, соответствующего диаметру покрытия, из-за несоответствия толщины изоляции повышенному напряжению.Known wire used to transmit high voltage AC, which includes one conductor or several grouped metal conductors, and a thin semi-conductive coating that discharges water by enlarging water droplets (US Patent No. 4383133). The disadvantage is the large loss on the crown and heat loss in the coating, as well as the risk of breakdown of the insulation when the operating voltage increases above the ignition voltage of the corona corresponding to the diameter of the coating, due to the mismatch of the insulation thickness to the increased voltage.

Известна тросовая антенна, которая содержит устройство в виде двух колец, снижающих электрическое поле и тем самым уменьшающих ток коронного разряда при повышенных напряжениях в месте соединения радиочастотного фидера с антенной (тросом) (Патент США №4771292). Недостаток - невозможность уменьшения тока короны на рабочей длине троса из-за локальности действия устройства компенсации.Known cable antenna, which contains a device in the form of two rings that reduce the electric field and thereby reduce the current of the corona discharge at elevated voltages at the junction of the radio frequency feeder with the antenna (cable) (US Patent No. 4771292). The disadvantage is the inability to reduce the corona current on the working length of the cable due to the locality of the compensation device.

В качестве прототипа выбран высоковольтный провод для воздушных линий электропередачи напряжением около и выше 60 кВ (Патент России №2137234), содержащий проводник с изоляционным покрытием, причем изоляционное покрытие состоит из полупроводящего слоя, охватывающего проводник, и наружного атмосферозащищенного поверхностного слоя изоляции и промежуточного слоя, обеспечивающего фактическую изоляцию. Недостатком прототипа является невозможность его работы из-за опасности электрического пробоя изоляции при напряжениях, превышающих напряжение зажигания короны, соответствующее внешнему диаметру покрытия, как на переменном, так и на постоянном токе. Это обусловлено несоответствием толщины основной изоляции ее удельному сопротивлению.As a prototype, a high-voltage wire was selected for overhead power transmission lines with a voltage of about and above 60 kV (Russian Patent No. 2137234) containing a conductor with an insulating coating, the insulating coating consisting of a semiconducting layer covering the conductor, and an external weather-proof surface insulation layer and an intermediate layer, providing actual isolation. The disadvantage of the prototype is the impossibility of its operation due to the danger of electrical breakdown of insulation at voltages exceeding the ignition voltage of the corona, corresponding to the outer diameter of the coating, both on alternating and on direct current. This is due to the mismatch of the thickness of the main insulation with its specific resistance.

Известно, что при передаче электрической энергии на большие расстояния выгодно увеличивать рабочее напряжение. Стремление повысить подводимое напряжение к передающей радиоантенне характеризует и задачу дальней связи. Схожесть этих задач особенно заметна в последнее время с началом использования линий электропередачи в качестве антенн (Кононов Ю.М., Жамалетдинов А.А. Системы СНЧ-радиосвязи и мониторинга среды: перспективное направление конверсионной политики России. "ИНФОРМОСТ" - "Радиоэлектроника и Телекоммуникации" №3 (21), 2002). При неблагоприятных условиях распространения радиоволн ради обеспечения связи идут на значительное перенапряжение на антенне с целью увеличения дальности связи. Возникающий при этом коронный разряд не только создает внеполосные излучения, но и влияет на настройку антенны. В высоковольтных линиях имеют место и непреднамеренные перенапряжения, вызванные коммутационными процессами и грозовыми разрядами. Диапазон кратностей перенапряжений составляет примерно 1,4÷3 (Александров Г.Н. Установки сверхвысокого напряжения и охрана окружающей среды. - Л.: Энергоатомиздат. 1989. - 360 с.).It is known that when transmitting electric energy over long distances, it is beneficial to increase the operating voltage. The desire to increase the supplied voltage to the transmitting radio antenna characterizes the task of long-distance communication. The similarity of these tasks has been especially noticeable recently with the beginning of the use of power lines as antennas (Kononov Yu.M., Zhamaletdinov A.A. ELF radio communication systems and environmental monitoring: a promising area of Russia's conversion policy. "INFORMOST" - "Radioelectronics and Telecommunications "No. 3 (21), 2002). Under unfavorable conditions for the propagation of radio waves for the sake of communication, they go to a significant overvoltage on the antenna in order to increase the communication range. The corona discharge that arises in this case not only creates out-of-band emissions, but also affects the tuning of the antenna. In high-voltage lines there are unintentional overvoltages caused by switching processes and lightning discharges. The range of overvoltage multiples is approximately 1.4–3 (Aleksandrov G.N. Ultra-high voltage installations and environmental protection. - L.: Energoatomizdat. 1989. - 360 p.).

Для повышения напряжения при сохранении мощности потерь на корону в линиях электропередачи применяют расщепление проводов, т.е. используют несколько близко расположенных проводов вместо одиночного (Александров Г.Н. Установки сверхвысокого напряжения и охрана окружающей среды. - Л.: Энергоатомиздат. 1989. - 360 с.). Однако это приводит к усложнению конструкции и ослаблению устойчивости к ветровым нагрузкам из-за снежного покрова и обледенения. В антенных системах расщепленные провода зачастую нельзя применять по очевидным причинам, например, в случае нестационарных самолетных или аэростатных тросовых антенн (Соловьев В.И., Новик Л.И., Морозов И.Д. Связь на море. - Л.: Судостроение, 1978). Как уже было отмечено, с целью борьбы с короной можно использовать изоляционное покрытие. Имеются экспериментальные доказательства возможности повышения напряжения на проводе с диэлектрическим покрытием по сравнению с голым проводом (М.А.Аронов, Е.С.Колечицкий, В.П.Ларионов, В.Ф.Минеин, Ю.Г.Сергеев. Электрические разряды в воздухе при напряжении высокой частоты. М.: Энергия, 1969). Условия работы изоляции в условиях короны требуют тщательной оценки геометрических и электрофизических параметров провода с изоляцией. Однако до сих пор не было предложено конструкции такого провода с заранее рассчитанными параметрами. В настоящем изобретении предлагается провод с обоснованным выбором параметров изоляции.To increase the voltage while maintaining the power loss to the crown in the power lines, wire splitting is used, i.e. use several closely spaced wires instead of a single one (Aleksandrov G.N. Installation of extra-high voltage and environmental protection. - L .: Energoatomizdat. 1989. - 360 p.). However, this leads to a complication of the design and a weakening of resistance to wind loads due to snow cover and icing. In antenna systems, split wires can often not be used for obvious reasons, for example, in the case of unsteady aircraft or aerostat cable antennas (Soloviev V.I., Novik L.I., Morozov I.D. Communication at sea. - L .: Shipbuilding, 1978). As already noted, an insulation coating can be used to combat the crown. There is experimental evidence of the possibility of increasing the voltage on a wire with a dielectric coating compared to a bare wire (M.A. Aronov, E.S. Kolechitsky, V.P. Larionov, V.F. Minein, Yu.G. Sergeev. Electrical discharges in air at high frequency voltage. M: Energy, 1969). The operating conditions of the insulation under the conditions of the corona require a thorough assessment of the geometric and electrophysical parameters of the insulated wire. However, the design of such a wire with previously calculated parameters has not yet been proposed. The present invention provides a wire with a reasonable selection of insulation parameters.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является обеспечение возможности повышения рабочего напряжения на проводе до значений, превышающих напряжение зажигания короны вблизи границы изоляционное покрытие - воздух Vk при заданной мощности потерь на корону ро. Для получения этого результата необходимо выполнить два основных условия. Во-первых, электрическая прочность основного изоляционного покрытия должна обеспечивать работоспособность изоляции. Второе условие - тепловые потери в изоляции должны быть меньше потерь на корону. Выполнение этих условий обеспечивается определенным соотношением между толщиной изоляции и ее удельным сопротивлением ρ.The technical result of the invention is the ability to increase the operating voltage on the wire to values exceeding the ignition voltage of the corona near the boundary of the insulating coating - air Vk at a given power loss to the corona ro. To obtain this result, two basic conditions must be met. Firstly, the dielectric strength of the main insulation coating must ensure the performance of the insulation. The second condition is that thermal losses in insulation should be less than losses per crown. The fulfillment of these conditions is provided by a certain ratio between the insulation thickness and its specific resistance ρ.

Рассмотрим качественно, что происходит при работе провода с изоляционным покрытием при наличии коронного разряда в воздухе. Вокруг провода имеется ионизированный газ, состоящий из отрицательных и положительных ионов (Фиг.1, А). При отрицательном потенциале на токонесущем проводнике положительные ионы под действием кулоновских сил будут осаждаться на поверхность изоляционного покрытия. При этом внутри изоляции напряженность электрического поля будет возрастать, поскольку векторы полей, создаваемых центральным проводником и поверхностным слоем ионов направлены к центру провода. Вне провода эти же поля имеют противоположные направления, что приводит к ослаблению напряженности поля. Ослабление поля в области короны уменьшает ток коронного разряда. На постоянном токе этот процесс может привести к полному гашению короны и установлению на поверхности изоляции потенциала, равного потенциалу зажигания короны. На низких частотах будет происходить аналогичное явление, так как при достаточно большом периоде переменного тока ионы успеют заметно зарядить поверхность изоляции в течение одного периода напряжения. С повышением частоты заряжение изоляции будет происходить до меньшего уровня. На высоких частотах эффектом заряжения изоляции за счет газового разряда можно вовсе пренебречь, так как из-за низкой подвижности ионы не успевают существенно зарядить провод. При этом, конечно, остаются обычные источники зарядки слоя изоляции (токи утечки и смещения), поэтому перераспределение полей остается и на высоких частотах.Let us consider qualitatively what happens during the operation of an insulated coating wire in the presence of a corona discharge in air. Around the wire there is an ionized gas consisting of negative and positive ions (Figure 1, A). With a negative potential on the current-carrying conductor, positive ions under the influence of Coulomb forces will be deposited on the surface of the insulating coating. In this case, the electric field strength will increase inside the insulation, since the vectors of the fields created by the central conductor and the surface layer of ions are directed to the center of the wire. Outside the wire, these same fields have opposite directions, which leads to a weakening of the field strength. Attenuation of the field in the corona decreases the corona discharge current. At direct current, this process can lead to complete quenching of the corona and the establishment on the surface of the insulation potential equal to the ignition potential of the corona. At low frequencies, a similar phenomenon will occur, since with a sufficiently large period of alternating current, the ions will noticeably charge the insulation surface during one voltage period. With increasing frequency, charging of the insulation will occur to a lower level. At high frequencies, the effect of charging insulation due to a gas discharge can be completely neglected, since due to low mobility the ions do not have time to significantly charge the wire. In this case, of course, there remain the usual sources of charging the insulation layer (leakage and bias currents), so the redistribution of fields remains at high frequencies.

Области низких и сверхнизких частот (<300 Гц) характеризуются использованием высоких и сверхвысоких напряжений. На постоянном токе рабочие напряжения достигают уровня мегавольт. Такие напряжения и соответствующие перенапряжения могут в условиях короны значительно зарядить изоляцию, что приведет к перераспределению напряжения, усилению поля в изоляции и ослаблению его вне покрытия. Неправильный выбор электрической прочности изоляции и других ее параметров может привести к электрическому пробою изоляционного покрытия или значительным тепловым потерям (под тепловыми потерями будем понимать потери, обусловленные проводимостью изоляции, а не диэлектрические потери, характерные для очень высоких частот).The regions of low and ultra-low frequencies (<300 Hz) are characterized by the use of high and ultra-high voltages. At constant current, operating voltages reach megavolts. Such voltages and corresponding overvoltages can significantly charge the insulation under corona conditions, which will lead to redistribution of the voltage, strengthening the field in the insulation and weakening it outside the coating. Wrong choice of dielectric strength of insulation and its other parameters can lead to electrical breakdown of the insulation coating or significant heat loss (by heat loss we mean losses due to the conductivity of insulation, and not dielectric losses characteristic of very high frequencies).

Одновременно с заряжением изоляции током коронного разряда, как уже отмечено, имеет место протекание через изоляцию тока проводимости и тока смещения, которые также создают на изоляционном слое падение напряжения. Суммарное падение напряжения на изоляционном слое приводит к смещению кривой мощности потерь в область более высоких напряжений для провода с изоляцией при одинаковых внешних диаметрах голого провода (без изоляции) (Фиг.1, В) и провода с изоляцией (Фиг.1, А). На Фиг.1 графически представлена зависимость мощности коронного разряда от напряжения на проводе без изоляционного покрытия ро (кривая 1) и при его наличии рс (кривая 2). Начало короны на проводе с покрытием заметно (на величину Uo) сдвинуто в область более высоких напряжений, так как при одинаковых напряжениях на проводнике, потенциал внешней поверхности покрытия ниже потенциала внутреннего электрода. Поэтому для того, чтобы достичь критической напряженности поля у покрытия необходимо на внутренний электрод подать больший потенциал по сравнению со случаем голого провода. Следовательно, простое увеличение диаметра проводника менее эффективно снижает ток короны, чем нанесение изолирующего слоя.Along with charging the insulation with a corona discharge current, as already noted, conduction current and bias current flow through the insulation, which also create a voltage drop on the insulation layer. The total voltage drop across the insulating layer leads to a shift in the power loss curve to higher voltages for the wire with insulation with the same outer diameters of the bare wire (without insulation) (Figure 1, B) and the wire with insulation (Figure 1, A). Figure 1 graphically shows the dependence of the power of the corona discharge on the voltage on the wire without an insulating coating po (curve 1) and in the presence of pc (curve 2). The beginning of the corona on the coated wire is noticeably (by the value of Uo) shifted to the region of higher voltages, since at the same voltage on the conductor, the potential of the outer surface of the coating is lower than the potential of the internal electrode. Therefore, in order to achieve a critical field strength near the coating, it is necessary to apply a greater potential to the internal electrode compared to the case of a bare wire. Therefore, a simple increase in the diameter of the conductor less effectively reduces the corona current than applying an insulating layer.

Поскольку процесс перераспределения напряжений происходит неконтролируемым образом, то напряженность поля в основном слое изоляции может превысить поле пробоя материала изоляции. Чтобы этого не произошло, необходимо создать в покрытии некоторую утечку, т.е. уменьшить удельное сопротивление. С другой стороны, падение напряжения, обусловленное одной лишь короной, может быть недостаточным для достижения нужного напряжения, что приводит к необходимости увеличения сопротивления изоляции. В общем случае для определения того увеличивать или уменьшать удельное сопротивление, необходим расчет с учетом тепловых потерь в изоляции.Since the process of stress redistribution occurs in an uncontrolled manner, the field strength in the main insulation layer can exceed the breakdown field of the insulation material. To prevent this, it is necessary to create some leakage in the coating, i.e. reduce resistivity. On the other hand, the voltage drop due to the corona alone may not be sufficient to achieve the desired voltage, which leads to the need to increase the insulation resistance. In the general case, to determine whether to increase or decrease the resistivity, a calculation is necessary taking into account the heat loss in the insulation.

Высоковольтный провод, содержит расположенные концентрично грузонесущий элемент 1, проводник 2 с эффективным радиусом R1, внутренний полупроводящий слой изоляции 3, внешний полупроводящий слой изоляции 4 и основной слой изоляции с радиусом Re 5 (Фиг.2.). Слово «эффективный» использовано как обобщение на случай проводника из повитых тонких проводников, не образующих строгой круговой цилиндрической поверхности. Внутренний полупроводящий слой изоляции 3 необходим для придания токонесущему проводнику формы круглого цилиндра и сглаживания неровностей, усиливающих напряженность электрического поля и являющихся причиной частичных разрядов. Внешний полупроводящий слой 4 необходим для быстрого выравнивания потенциала по всей внешней поверхности провода. Введем относительный внешний радиус основного слоя изоляции х=Re/R1, тогда относительная толщина этого слоя будет равна хо=х-1. Толщины полупроводящих слоев 3 и 4 выбираются из следующих соображений. Для придания проводящих свойств диэлектрикам, например полимерам, в них вводят электропроводные добавки, которые могут уменьшить механическую прочность изделия. Поэтому если слой сделать слишком тонким, то при изгибании провода целостность слоя может быть нарушена. В настоящее время имеются методы создания проводящих полимерных пленок с широким спектром проводимостей и с механической прочностью, практически равной прочности исходного полимера (Василенок Ю.И. - Предупреждение статической электризации полимеров. - Л.: Химия, 1981. - 208 с.). Толщина этих пленок может составлять несколько десятков микрон. В данном изобретении толщина основной изоляции может быть в пределах от долей сантиметров до нескольких сантиметров. Поэтому можно ориентироваться на толщину полупроводящего слоя, составляющую десятую часть от толщины основной изоляции. Если проводник 1 состоит из группы тонких круглых проводников, то при толщине слоя 3, равной диаметру отдельного проводника, прогиб слоя между двумя соседними, плотно прилегающими проводниками будет незначителен. Таким образом, относительная толщина внешнего полупроводящего слоя в 10 раз меньше хо, а относительная толщина внутреннего полупроводящего слоя также в 10 раз меньше хо при сплошном проводнике 1 и равна d/R1 при проводнике, состоящем из группы отдельных тонких проводников с диметром d.The high-voltage wire contains a concentric load-bearing element 1, a conductor 2 with an effective radius R1, an internal semiconducting insulation layer 3, an external semiconducting insulation layer 4, and a main insulation layer with a radius of Re 5 (Figure 2.). The word “effective” is used as a generalization to the case of a conductor made of thin twisted conductors that do not form a strict circular cylindrical surface. The inner semiconducting insulation layer 3 is necessary to give the current-carrying conductor the shape of a round cylinder and smooth out irregularities that increase the electric field and cause partial discharges. An external semiconducting layer 4 is necessary for quickly equalizing the potential over the entire outer surface of the wire. We introduce the relative external radius of the main insulation layer x = Re / R1, then the relative thickness of this layer will be equal to xo = x-1. The thicknesses of the semiconducting layers 3 and 4 are selected from the following considerations. To impart conductive properties to dielectrics, such as polymers, conductive additives are added to them that can reduce the mechanical strength of the product. Therefore, if the layer is made too thin, then when the wire is bent, the integrity of the layer can be violated. Currently, there are methods for creating conductive polymer films with a wide range of conductivities and with mechanical strength almost equal to the strength of the original polymer (Vasilenok Yu.I. - Prevention of the Static Electrification of Polymers. - L .: Chemistry, 1981. - 208 p.). The thickness of these films can be several tens of microns. In this invention, the thickness of the main insulation can be in the range from fractions of a centimeter to several centimeters. Therefore, you can focus on the thickness of the semiconducting layer, which is a tenth of the thickness of the main insulation. If the conductor 1 consists of a group of thin round conductors, then with a thickness of layer 3 equal to the diameter of an individual conductor, the deflection of the layer between two adjacent, closely adjacent conductors will be insignificant. Thus, the relative thickness of the outer semiconducting layer is 10 times less than xo, and the relative thickness of the inner semiconducting layer is also 10 times less than xo for solid conductor 1 and equal to d / R1 for a conductor consisting of a group of separate thin conductors with a diameter d.

Важно обеспечить быстрое выравнивание потенциалов проводника 2 и слоя 3, чтобы на поверхностях проводника с малым радиусом кривизны не успевал накапливаться опасный заряд. Для этого полупериод колебаний напряжения должен превышать максвелловское время релаксации τ материала слоя 3, которое представляет собой произведение удельного сопротивления на диэлектрическую проницаемость покрытия (Орешкин П.Т. Физика полупроводников и диэлектриков. М.: Высшая школа, 1977. - 448 с.). Эти же соображения положены в основу свойств внешнего полупроводящего слоя изоляции 4. Тогда с учетом определения максвелловского времени релаксации удельное объемное сопротивление ρ1 полупроводящих слоев изоляции следует определять из соотношенияIt is important to ensure a quick equalization of the potentials of conductor 2 and layer 3, so that a dangerous charge does not have time to accumulate on the surfaces of the conductor with a small radius of curvature. For this, the half-cycle of voltage fluctuations should exceed the Maxwell relaxation time τ of the material of layer 3, which is the product of the resistivity and the dielectric constant of the coating (Oreshkin P.T. Physics of Semiconductors and Dielectrics. M .: Vysshaya Shkola, 1977. - 448 p.). The same considerations underlie the properties of the external semiconducting insulation layer 4. Then, taking into account the determination of the Maxwell relaxation time, the specific volume resistance ρ1 of the semiconducting insulation layers should be determined from the relation

Figure 00000002
Figure 00000002

где fm - наибольшая характерная частота изменения напряжения, ε - относительная диэлектрическая проницаемость слоя, εo - электрическая постоянная. На Фиг.3 в качестве примера приведена эквивалентная схема коронирующего провода с покрытием, расположенного над землей. Она содержит емкость между электродом 1 и границей раздела сред оболочка 2 - воздух cе, активное сопротивление покрытия r3; емкость между оболочкой 2 и землей 3 c1; активное сопротивление короны r2. На электрод подано напряжение Vo. На переменном токе Vo - амплитуда напряжения. V1 - напряжение между внешним слоем изоляции и землей 3. Напряжение зажигания короны Vk - это напряжение V1, начиная с которого возникает ток коронного разряда. Тонкие полупроводящие покрытия 3 и 4 (Фиг.2) практически не влияют на рассчитываемые параметры основного слоя изоляции провода и поэтому не приведены на эквивалентной схеме.where fm is the largest characteristic frequency of voltage variation, ε is the relative dielectric constant of the layer, εo is the electric constant. Figure 3 shows, by way of example, an equivalent circuit of a coated corona wire located above the ground. It contains a capacitance between the electrode 1 and the interface between the shell 2 - air c e , the active resistance of the coating r 3 ; the capacitance between the shell 2 and the ground 3 c 1 ; active resistance of the corona r 2 . A voltage of Vo is applied to the electrode. On alternating current, Vo is the voltage amplitude. V1 is the voltage between the outer insulation layer and earth 3. The ignition voltage of the corona Vk is the voltage V1, starting from which the corona discharge current occurs. Thin semiconductor coatings 3 and 4 (Figure 2) practically do not affect the calculated parameters of the main layer of insulation of the wire and therefore are not shown on the equivalent circuit.

При переходе к постоянному току, fm будет определяться параметрами электрической цепи и окружающего газа, характеризующими времена переходных процессов. Например, приведенная эквивалентная схема характеризуется граничной частотой fbUpon transition to direct current, fm will be determined by the parameters of the electric circuit and the surrounding gas, characterizing the transient times. For example, the equivalent circuit shown is characterized by the boundary frequency fb

Figure 00000003
Figure 00000003

где Vk(х) - напряжение зажигания короны, μ - подвижность ионов, R2 - высота подвеса провода, X1(х), Хе(х) - реактансы внешнего коронирующего промежутка и основного слоя изоляции соответственно. По сути, граничная частота равна обратной постоянной времени заряда цепи, образованной сопротивлением коронного разряда и общей емкостью системы. Граничную частоту можно определить и для другой геометрии расположения провода, например, в системе провод-провод. Следовательно, при f<fb необходимо выбирать fm≥fb, так как времена переходных процессов, вызывающих перенапряжения, определяются параметрами цепи, а не рабочей частотой f. Расчетным путем было установлено количественное и качественное совпадение зависимости мощности потерь на корону и напряженности поля в изоляции от ее удельного сопротивления на частотах f≪b и постоянном токе. В случае f>fb, fm равна наибольшей рабочей частоте.where Vk (x) is the ignition voltage of the corona, μ is the ion mobility, R2 is the wire suspension height, X1 (x), Xe (x) are the reactants of the external corona gap and the main insulation layer, respectively. In fact, the boundary frequency is equal to the inverse time constant of the circuit charge formed by the corona discharge resistance and the total capacity of the system. The cutoff frequency can also be determined for other wire geometry, for example, in a wire-to-wire system. Therefore, for f <fb, it is necessary to choose fm≥fb, since the times of transients causing overvoltages are determined by the parameters of the circuit, and not by the operating frequency f. A quantitative and qualitative coincidence was established by calculating the dependence of the power of losses on the corona and the field strength in isolation on its resistivity at frequencies f≪b and direct current. In the case f> fb, fm is equal to the highest operating frequency.

Сопротивление короны r2 является нелинейным, поскольку коронный разряд имеет нелинейную вольт-амперную характеристику (ВАХ). ВАХ всегда известна, поскольку предварительно измеряется на макетах. Для подтверждения излагаемых соображений проводились компьютерное моделирование и экспериментальные исследования в лабораторных условиях с использованием напряжений до 50 кВ на переменном и постоянном токе. Проведенные измерения и более ранние работы других авторов показали, что ВАХ короны в типичных случаях хорошо описывается формулой Таунсенда. В силу нелинейности ВАХ поведение коронирующего провода определяется системой нелинейных и неоднородных дифференциальных уравнений для эквивалентной схемы с сосредоточенными параметрами. Систему уравнений можно свести к одному уравнению для напряжения (тока) в зазоре между покрытием и общим проводом (заземлением). Из-за большого объема выкладок эти преобразования опущены. Выведенное уравнение не имеет точного аналитического решения. Оно решалось путем использования численных методов. Задача облегчается, если задаться мощностью потерь на корону ро. Потери на корону изучаются на протяжении многих лет и известны для большинства ЛЭП. Кроме того, зная напряжение, мощность потерь на корону можно всегда оценить, используя ВАХ. Как показало сравнение результатов, полученных путем численного решения нелинейной задачи, и результатов, полученных с использованием приближенного аналитического решения, основанного на законах линейных цепей, расхождение составляло 5-10%. Поэтому в практическом смысле оказалось возможным в большинстве случаев получить результаты, используя для решения задачи законы линейных цепей. При известной вольт-амперной характеристике короны I(V1) и при заданной мощности потерь на корону ро сопротивление короны определяется по формулеThe corona resistance r 2 is nonlinear, since the corona discharge has a nonlinear current-voltage characteristic (CVC). The CVC is always known, since it is pre-measured on mock-ups. To confirm the above considerations, computer simulations and experimental studies were carried out in laboratory conditions using voltages up to 50 kV in alternating and direct current. The measurements and earlier works of other authors showed that the CVC of the corona in typical cases is well described by the Townsend formula. Due to the nonlinearity of the I – V characteristic, the behavior of the corona wire is determined by a system of nonlinear and inhomogeneous differential equations for an equivalent circuit with lumped parameters. The system of equations can be reduced to one equation for the voltage (current) in the gap between the coating and the common wire (ground). Due to the large volume of calculations, these transformations are omitted. The derived equation does not have an exact analytical solution. It was solved by using numerical methods. The task is facilitated if you ask the power loss to the corona ro. Crown loss has been studied for many years and is known for most power lines. In addition, knowing the voltage, the power loss to the corona can always be estimated using the CVC. As a comparison of the results obtained by numerically solving a nonlinear problem and the results obtained using an approximate analytical solution based on the laws of linear chains, the discrepancy was 5-10%. Therefore, in a practical sense, it was possible in most cases to obtain results using the laws of linear chains to solve the problem. With the known current-voltage characteristic of the corona I (V1) and for a given power loss to the corona p0, the corona resistance is determined by the formula

Figure 00000004
Figure 00000004

где V1(x) - напряжение на внешнем коронирующем промежутке, определяемое пиковой мощностью ро. Поэтому V1(x) является решением алгебраического уравненияwhere V1 (x) is the voltage at the external corona gap, determined by the peak power po. Therefore, V1 (x) is a solution of the algebraic equation

V1(x)-I(V1)=poV1 (x) -I (V1) = po

Для изоляционного покрытия, имеющего цилиндрическую форму, активное сопротивление покрытия на единицу длины r3 определяется из соотношенияFor an insulating coating having a cylindrical shape, the active resistance of the coating per unit length r 3 is determined from the ratio

Figure 00000005
Figure 00000005

где ρ - удельное объемное сопротивление основного слоя изоляции. Поэтому для нахождения ρ, надо знать r3. Путем численного расчета была найдена зависимость относительных (по отношению к заданной мощности потерь на корону ро) мощности потерь на корону (кривая 1), мощности тепловых потерь в основном слое изоляции (кривая 2), напряженности электрического поля в основном слое изоляции (по отношению к предельно допустимой напряженности поля) Emn (кривая 3) от удельного сопротивления основного слоя изоляции для случаев неправильного и правильного выбора параметров провода (Фиг.4 и Фиг.5 соответственно). Во всех случаях при увеличении удельного сопротивления потери на корону уменьшаются, напряженность поля растет, а тепловые потери переваливают через максимум и уменьшаются. При неправильном выборе параметров провода с изоляцией напряженность поля в изоляции достигает предельного значения до того как потери на корону снизятся до заданного значения (эти моменты на чертежах указаны стрелками). Для напряженности поля взят коэффициент запаса, равный 3, поэтому предельным уровнем по полю будет 1/3. При правильном выборе параметров провода с изоляцией напряженность поля в изоляции и потери на корону достигнут предельного значения при одном и том же удельном сопротивлении (Фиг.5). В этом случае это удельное сопротивление изоляции оказывается таким, что тепловые потери не превышают 1. Отсюда ясно, что для нахождения соответствующего активного сопротивления изоляции, необходимо приравнять потери и напряженность поля пороговым уровням и решить полученную систему уравнений. Очевидно, напряженность поля будет иметь наибольшее значение на проводнике, поэтому предельно допустимое напряжение на изолирующем слое должно удовлетворять соотношениюwhere ρ is the specific volume resistance of the main insulation layer. Therefore, to find ρ, one must know r 3 . By numerical calculation, we found the dependence of the relative (with respect to the given power losses on the corona p0) power losses on the corona (curve 1), the heat loss power in the main insulation layer (curve 2), the electric field strength in the main insulation layer (with respect to the maximum permissible field strength) Emn (curve 3) from the resistivity of the main insulation layer for cases of incorrect and correct selection of wire parameters (Figure 4 and Figure 5, respectively). In all cases, with an increase in resistivity, the losses on the corona decrease, the field strength increases, and the heat losses exceed the maximum and decrease. If the parameters of the wire with insulation are improperly selected, the field strength in the insulation reaches its limit value before the crown loss decreases to the specified value (these points are indicated by arrows in the drawings). For the field strength, a safety factor of 3 is taken; therefore, the marginal level in the field will be 1/3. With the right choice of parameters of the wire with insulation, the field strength in the insulation and the loss on the crown reached the limit value at the same specific resistance (Figure 5). In this case, this specific insulation resistance turns out to be such that the heat loss does not exceed 1. From this it is clear that in order to find the corresponding active insulation resistance, it is necessary to equate the loss and field strength to threshold levels and solve the resulting system of equations. Obviously, the field strength will have the greatest value on the conductor, so the maximum allowable voltage on the insulating layer should satisfy the relation

Vem(x)=Emn·R1·ln(х),Vem (x) = Emn R1 ln (x),

где Emn - предельно допустимая напряженность электрического поля в основном слое изоляции с учетом коэффициента запаса. В последовательной цепи амплитуды V1(x) и Vem(x) относятся как соответствующие импедансыwhere Emn is the maximum permissible electric field strength in the main insulation layer, taking into account the safety factor. In a series circuit, the amplitudes V1 (x) and Vem (x) are referred to as the corresponding impedances

Figure 00000006
Figure 00000006

Решив последнее уравнение относительно r3, найдемHaving solved the last equation with respect to r 3 , we find

Figure 00000007
Figure 00000007

Используя вышеприведенные формулы для r2 и удельной проводимости, получим, что для f<fbUsing the above formulas for r 2 and conductivity, we find that for f <fb

Figure 00000008
Figure 00000008

Для более высоких частот, как показали исследования, тепловые потери при заниженном значении удельного сопротивления, могут превосходить потери на корону (Фиг.6). В таком случае необходимо рабочую точку по проводимости выбирать в месте пресечения кривых тепловых потерь и потерь на корону. В этом случае r3 находится из уравнения баланса пиковых мощностей потерьFor higher frequencies, studies have shown that heat loss with a low value of resistivity can exceed the loss on the corona (Fig.6). In this case, it is necessary to select the operating point for conductivity in the place of suppression of the curves of heat losses and losses on the corona. In this case, r 3 is found from the equation of the balance of peak power losses

Figure 00000009
Figure 00000009

Используя связь напряжений через импедансы и связь r3 и ρ, найдем для f>fbUsing the connection of stresses through impedances and the connection r 3 and ρ, we find for f> fb

Figure 00000010
Figure 00000010

Здесь знак «больше» указывает, что допустимо выбирать и большие значения, т.к. в отличие от предыдущего случая, кривая напряженности электрического поля 3 при этом выходит на безопасное насыщение (Фиг.6).Here the “more” sign indicates that it is permissible to choose large values as well. in contrast to the previous case, the curve of the electric field 3 thus reaches a safe saturation (Fig.6).

Приведенные отличительные признаки не содержат сведений о предельно допустимой амплитуде подводимого напряжении Vo. Дело в том, что Vo просто рассчитывается на основе найденных напряжений и сопротивлений, что будет показано на примерах. Практически рабочим напряжением провода будет напряжение, соответствующее V1=Vk провода. Следует также отметить, что на переменном токе при f>fb падение напряжения на основном слое изоляции будет тем больше, чем меньше его емкость, поэтому при прочих равных параметрах предпочтение следует отдавать материалам основного слоя изоляции, имеющим меньшую диэлектрическую проницаемость. Поскольку емкость слоя изоляции учитывается при выборе удельного сопротивления, указанный признак не включен в формулу изобретения.These distinctive features do not contain information about the maximum allowable amplitude of the input voltage Vo. The fact is that Vo is simply calculated based on the found voltages and resistances, which will be shown by examples. In practice, the working voltage of the wire will be the voltage corresponding to V1 = Vk of the wire. It should also be noted that on alternating current at f> fb the voltage drop across the main insulation layer will be the greater, the lower its capacitance, therefore, all other things being equal, preference should be given to materials of the main insulation layer having a lower dielectric constant. Since the capacity of the insulation layer is taken into account when choosing the resistivity, this feature is not included in the claims.

Перечень графических материалов.The list of graphic materials.

Фиг.1. Схема, поясняющая механизм перераспределения электрических полей внутри и вне провода с изоляционным покрытием.Figure 1. Scheme explaining the mechanism of redistribution of electric fields inside and outside the wire with an insulating coating.

Фиг.2. Поперечное сечение высоковольтного провода.Figure 2. Cross section of a high voltage wire.

Фиг.3. Эквивалентная электрическая схема провода с изоляционным покрытием.Figure 3. Equivalent electrical circuit wire with insulating coating.

Фиг.4. Зависимость относительных (по отношению к заданной мощности потерь на корону ро) мощности потерь на корону (кривая 1), мощности тепловых потерь в основном слое изоляции (кривая 2), напряженности электрического поля в основном слое изоляции (по отношению к предельно допустимой напряженности поля) (кривая 3) для случая неправильного выбора параметров провода.Figure 4. Dependence of relative (with respect to a given power of corona loss ro) corona loss power (curve 1), heat loss power in the main insulation layer (curve 2), electric field strength in the main insulation layer (with respect to the maximum permissible field strength) (curve 3) for the case of improper selection of wire parameters.

Фиг.5. Зависимость относительных (по отношению к заданной мощности потерь на корону ро) мощности потерь на корону (кривая 1), мощности тепловых потерь в основном слое изоляции (кривая 2), напряженности электрического поля в основном слое изоляции (по отношению к предельно допустимой напряженности поля) (кривая 3) для случая правильного выбора параметров провода на постоянном токе и низких частотах.Figure 5. Dependence of relative (with respect to a given power of corona loss ro) corona loss power (curve 1), heat loss power in the main insulation layer (curve 2), electric field strength in the main insulation layer (with respect to the maximum permissible field strength) (curve 3) for the case of the correct choice of wire parameters at direct current and low frequencies.

Фиг.6. Зависимость относительных (по отношению к заданной мощности потерь на корону ро) мощности потерь на корону (кривая 1), мощности тепловых потерь в основном слое изоляции (кривая 2), напряженности электрического поля в основном слое изоляции (по отношению к предельно допустимой напряженности поля) (кривая 3) для случая правильного выбора параметров провода на высоких частотах.6. Dependence of relative (with respect to a given power of corona loss ro) corona loss power (curve 1), heat loss power in the main insulation layer (curve 2), electric field strength in the main insulation layer (with respect to the maximum permissible field strength) (curve 3) for the case of the correct choice of wire parameters at high frequencies.

Пример 1. Провод постоянного тока, работающий при нормальном атмосферном давлении, имеет радиус проводника R1=0,01 м и находится на расстоянии R2=10 м от земли. Пусть на провод нанесен слой изоляции из полиэтилена с х=3. Пусть предельная напряженность поля в изоляции составляет 30 МВ/м. Предположим, что мощность потерь на корону на 100 м провода составляет ро=1000 Вт. Напряжение зажигания короны для провода без покрытия составляет 280000 В (Начальные напряженности поля короны рассчитывались по формуле Пика, приведенной в книге Капцов Н.А. Электрические явления в газах и вакууме. М.-Л.: ГИТТЛ, 1950. - 836 с.). Возьмем ВАХ в видеExample 1. A DC wire operating at normal atmospheric pressure has a radius of the conductor R1 = 0.01 m and is located at a distance of R2 = 10 m from the ground. Let the insulation layer made of polyethylene with x = 3 be applied to the wire. Let the marginal field strength in isolation be 30 MV / m. Suppose that the power loss per crown per 100 m of wire is po = 1000 watts. The ignition voltage of the corona for an uncoated wire is 280,000 V (The initial field strengths of the corona were calculated using the Peak formula given in the book by N. A. Kaptsov. Electrical Phenomena in Gases and Vacuum. M.-L.: GITTL, 1950. - 836 p.) . We take the CVC in the form

I(V1)=αV1·(V1-Vk),I (V1) = αV1 (V1-Vk),

гдеWhere

Figure 00000011
Figure 00000011

При нормальном атмосферном давлении воздуха μ=2,2·10-4 м2/В·с. Заданной мощности потерь ро будет соответствовать напряжение 560000 В, что указывает на режим короны. Провод со слоем изоляции имеет напряжение зажигания Vk=636000 В, c1=9,6·10-10 Ф, се=1,2·10-8 Ф (Емкости рассчитывались по формулам, приведенным в книге Русин Ю.С., Гликман И.Я., Горский А.Н. Электромагнитные элементы радиоэлектронной аппаратуры. - М.: Радио и связь. 1991. - 224 с.). Так как fb=0,42 Гц, то для расчета возьмем f=0,01 Гц. Для удельного сопротивления получим ρ=2·1011 Ом·м, V1=691000 В, Ve=109000 В, X1=1/(2·π·f·c1), X1=1,7·1010 Ом, Хе=1/(2·π·f·се), Хе=1,4·109 Ом, r2=2,1·109 Ом, r3=3,5·108 Ом. Наибольшее допустимое напряжение на проводе рассчитывается через импедансы эквивалентной схемы. Сопротивление проводника не учитывается из-за его малости по сравнению с другими сопротивлениями.At normal atmospheric air pressure μ = 2.2 · 10 -4 m 2 / V · s. A predetermined power loss po will correspond to a voltage of 560,000 V, which indicates the corona mode. A wire with an insulation layer has an ignition voltage of Vk = 636000 V, c1 = 9.6 · 10 -10 F, ce = 1.2 · 10 -8 F (Capacities were calculated according to the formulas given in the book Rusin Yu.S., Glikman I. .Ya., Gorsky AN Electromagnetic elements of electronic equipment. - M.: Radio and communications. 1991. - 224 p.). Since fb = 0.42 Hz, then for the calculation we take f = 0.01 Hz. For the resistivity, we obtain ρ = 2 · 10 11 Ohm · m, V1 = 691000 V, Ve = 109000 V, X1 = 1 / (2 · π · f · c1), X1 = 1.7 · 10 10 Ohm, Xe = 1 / (2 · π · f · ce), Xe = 1.4 · 10 9 Ohms, r 2 = 2.1 · 10 9 Ohms, r 3 = 3.5 · 10 8 Ohms. The maximum allowable voltage on the wire is calculated through the impedances of the equivalent circuit. The resistance of the conductor is not taken into account due to its smallness in comparison with other resistances.

Figure 00000012
Figure 00000012

Vo=800000 В, что в 1,3 раза превышает Vk. Проверим, какова при этом напряженность поля. Е=Ve/R1·ln(x)=10 МВ/м, т.е. в три раза меньше предельно допустимой, что соответствует коэффициенту запаса прочности, равному 3. В данном примере реализуется вариант подобный, приведенному на Фиг.5. Если использовать покрытие с удельным сопротивлением, превышающим полученное, то изоляция может быть пробита или ее долговечность резко снизится. При выборе меньших значений удельного сопротивления, мощность потерь превысит заданный уровень.Vo = 800000 V, which is 1.3 times higher than Vk. Let’s check what the field strength is. E = Ve / R1 ln (x) = 10 MV / m, i.e. three times less than the maximum permissible, which corresponds to a safety factor of 3. In this example, a variant similar to that shown in Figure 5 is implemented. If you use a coating with a resistivity exceeding that obtained, then the insulation may be broken or its durability will decrease sharply. When choosing lower values of resistivity, the power loss will exceed the specified level.

Относительная диэлектрическая проницаемость полиэтилена равна ε≈2,3, поэтому при εo≈8,8·10-12 Ф/м удельное объемное сопротивление ρ1 полупроводящих слоев изоляции следует, выбирать меньше 1·1011 Ом·м.The relative dielectric constant of polyethylene is ε≈2.3; therefore, at εo≈8.8 · 10 -12 F / m, the specific volume resistance ρ1 of semiconducting insulation layers should be chosen less than 1 · 10 11 Ohm · m.

Пример 2. Самолетная антенна сверхнизких частот, работающая при атмосферном давлении 0.06 нормального (высота 20 км), имеет радиус проводника R1=0,003 м и находится на расстоянии R2=5 м от фюзеляжа. Пусть на провод нанесен слой изоляции из полиэтилена с х=3, а предельная напряженность поля в изоляции составляет 30 МВ/м. Предположим, что мощность потерь на корону на 10 м провода составляет ро=50 Вт. Напряжение зажигания короны для провода без покрытия составляет 13600 В. При указанном атмосферном давлении воздуха μ=0,1 м2/В·с (подвижность вычислялась по данным, приведенным в А.Энгель и М.Штенбек. Физика и техника электрического разряда в газах. Том 1. Основные законы. Пер. с нем. Гл. Ред. Общетехн. лит-ры. М.-Л. 1935. 251 стр.). Заданной мощности потерь ро будет соответствовать напряжение 51800 В, что указывает на режим короны. Провод со слоем изоляции имеет напряжение зажигания Vk=24600 В, с1=8,8·10-10 Ф, се=1,2·10-8 Ф. Так как в данном примере fb=27 Гц, то, например, при частоте f=3 Гц, для удельного сопротивления получим р=2·109 Ом·м, V1=43223 В, Ve=40050 В, X1=6·107 Ом, Хе=4,6·106 Ом, r2=3,8·106 Ом, r3=3,7·106 Ом. Наибольшее допустимое напряжение на проводе Vo=72578 В, что в три раза превосходит напряжение зажигания. Как видно, в отличие от постоянного тока сумма V1+Ve не равна Vo из-за фазового сдвига. При этом напряженность поля Е=Ve/R1·ln(x)=10 МВ/м, т.е. в три раза меньше предельно допустимой, что соответствует коэффициенту запаса прочности, равному 3. В данном примере реализуется вариант, подобный приведенному на Фиг.5. Если использовать покрытие с удельным сопротивлением, превышающим полученное, то изоляция может быть пробита или ее долговечность резко снизится. При выборе меньших значений удельного сопротивления, мощность потерь превысит заданный уровень. Для полупроводящих слоев изоляции следует брать ρ1 меньше 9·108 Ом·м.Example 2. Aircraft antenna ultra-low frequencies, operating at atmospheric pressure 0.06 normal (altitude 20 km), has a radius of the conductor R1 = 0.003 m and is located at a distance of R2 = 5 m from the fuselage. Let the insulation layer made of polyethylene with x = 3 be applied to the wire, and the maximum field strength in the insulation be 30 MV / m. Suppose that the power loss per crown per 10 m of wire is po = 50 watts. The ignition voltage of the corona for an uncoated wire is 13600 V. At the indicated atmospheric air pressure μ = 0.1 m 2 / V · s (mobility was calculated according to the data provided by A. Engel and M. Shtenbek. Physics and technique of electric discharge in gases Volume 1. Basic Laws, Translated from German by the Editor-in-Chief of General Technical Literature, M.-L. 1935. 251 p.). The set power of losses ro will correspond to a voltage of 51800 V, which indicates the corona mode. A wire with an insulation layer has an ignition voltage of Vk = 24600 V, s1 = 8.8 · 10 -10 F, ce = 1.2 · 10 -8 F. Since in this example fb = 27 Hz, for example, at a frequency f = 3 Hz, for the resistivity we get p = 2 · 10 9 Ohm · m, V1 = 43,223 V, Ve = 40050 V, X1 = 6 · 10 7 Ohm, Xe = 4.6 · 10 6 Ohm, r 2 = 3.8 · 10 6 Ohms, r 3 = 3.7 · 10 6 Ohms. The maximum allowable voltage on the wire is Vo = 72578 V, which is three times higher than the ignition voltage. As can be seen, in contrast to direct current, the sum of V1 + Ve is not equal to Vo due to the phase shift. In this case, the field strength E = Ve / R1 · ln (x) = 10 MV / m, i.e. three times less than the maximum permissible, which corresponds to a safety factor of 3. In this example, a variant similar to that shown in FIG. 5 is implemented. If you use a coating with a resistivity exceeding that obtained, then the insulation may be broken or its durability will decrease sharply. When choosing lower values of resistivity, the power loss will exceed the specified level. For semiconducting insulation layers, ρ1 less than 9 · 10 8 Ohm · m should be taken.

Пример 3. Пусть провод, рассмотренный в примере 1, работает на промышленной частоте, на провод нанесен слой изоляции из полиэтилена с х=1,5. Vk=378400 В. Для этих параметров частота 50 Гц является высокой, т.к. fb=0,09 Гц, поэтому для удельного сопротивления получим ρ=5·109 Ом·м, V1=685500 В, Ve=18500 В, X1=3,7·106 Ом, Хе=1·105 Ом, r2 =4,3·108 Ом, r3=3,2·10 Ом. Наибольшее допустимое напряжение на проводе Vo=702000 В, что примерно в 1,9 раза превышает Vk. Видно, что в данном случае сопротивление короны очень велико и падение напряжения на покрытии невелико. Поэтому напряженность поля в покрытии не превосходит 5 МВ/м. В этом примере реализуется вариант, подобный приведенному на Фиг.6. При использовании покрытия с удельным сопротивлением, меньшим полученного, тепловые потери в изоляции будут превышать потери на корону. Конечно, в таких случаях можно использовать материалы с более высокими удельными сопротивлениями. Но чем меньше примесей в материале, тем более дорогим является его производство. Поэтому важно знать нижний предел. Удельное объемное сопротивление ρ1 полупроводящих слоев изоляции должно быть меньше 5·108 Ом·м.Example 3. Let the wire, considered in example 1, operate at an industrial frequency, a layer of insulation made of polyethylene with x = 1.5 is applied to the wire. Vk = 378400 V. For these parameters, the frequency of 50 Hz is high, because fb = 0.09 Hz, so for the resistivity we get ρ = 5 · 10 9 Ohm · m, V1 = 685500 V, Ve = 18500 V, X1 = 3.7 · 10 6 Ohm, Xe = 1 · 10 5 Ohm, r 2 = 4.3 · 10 8 Ohms, r 3 = 3.2 · 10 Ohms. The maximum allowable voltage on the wire is Vo = 702000 V, which is approximately 1.9 times higher than Vk. It can be seen that in this case, the resistance of the corona is very high and the voltage drop across the coating is small. Therefore, the field strength in the coating does not exceed 5 MV / m. In this example, an embodiment similar to that shown in FIG. 6 is implemented. When using a coating with a resistivity lower than that obtained, the heat loss in insulation will exceed the loss on the corona. Of course, in such cases, materials with higher resistivities can be used. But the less impurities in the material, the more expensive is its production. Therefore, it is important to know the lower limit. The specific volume resistance ρ1 of the semiconducting insulation layers should be less than 5 · 10 8 Ohm · m.

Приведенные примеры показывают, что для осуществления изобретения необходимы материалы с достаточно высокой электрической прочностью, небольшим удельным весом и широким диапазоном изменения удельного сопротивления. В настоящее время имеется достаточно широкий выбор твердых полимерных материалов, имеющих высокую долговечность в электрическом поле напряженностью 10 МВ/м и выше даже в атмосферных условиях (Ушаков В.Я. Электрическое старение и ресурс монолитной полимерной изоляции. - М.: Энергоатомиздат, 1988. - 152 с.). В последнее время значительно улучшилось качество изготовления полимерных материалов, что позволило повысить предельную напряженность электрического поля на порядок. Это позволяет при сохранении рабочего напряжения делать изоляционное покрытие более тонким. Что касается регулирования электропроводности полимеров, то здесь также имеются необходимые ресурсы. Установлено, что механические свойства электропроводящих полимерных материалов очень близки к свойствам исходного полимера при значительном варьировании проводимости (Василенок Ю.И. - Предупреждение статической электризации полимеров. - Л.: Химия, 1981. - 208 с.). Например, полиэтилен низкой плотности, содержащий 0,5% малозольного графита, имеет ρ=3·1011 Ом·м, а при увеличении содержания графита до 1,5% удельное сопротивление уменьшается до 1·106 Ом·м.The above examples show that for the implementation of the invention requires materials with a sufficiently high electric strength, low specific gravity and a wide range of changes in resistivity. Currently, there is a fairly wide selection of solid polymer materials having high durability in an electric field with a voltage of 10 MV / m and higher even in atmospheric conditions (V. Ushakov, Electric aging and the resource of monolithic polymer insulation. - M .: Energoatomizdat, 1988. - 152 p.). Recently, the manufacturing quality of polymeric materials has significantly improved, which has made it possible to increase the limiting electric field strength by an order of magnitude. This allows you to make the insulation coating thinner while maintaining the operating voltage. As regards the regulation of the electrical conductivity of polymers, there are also the necessary resources. It was found that the mechanical properties of electrically conductive polymer materials are very close to the properties of the starting polymer with a significant variation in conductivity (Vasilenok Yu.I. - Prevention of the static electrification of polymers. - L .: Khimiya, 1981. - 208 p.). For example, low density polyethylene containing 0.5% low-ash graphite has ρ = 3 · 10 11 Ohm · m, and when the graphite content increases to 1.5%, the resistivity decreases to 1 · 10 6 Ohm · m.

Были выполнены расчеты отношения веса покрытия к весу голого провода Wo от относительного радиуса покрытия х для плотности металла голого провода (сталь, медь, сталь-алюминий). Поскольку плотности металлов различаются не очень сильно, соответствующие кривые проходят достаточно близко друг к другу. Наиболее важным результатом этого расчета является то, что благодаря низкому удельному весу полиэтилена по сравнению с удельным весом металлов, покрытие вносит незначительный вклад в общий вес провода. Как было показано, для получения заметного подавления тока коронного разряда, относительная толщина покрытия должна быть примерно равна 1,5÷3. При этих значениях х, Wo не превосходит 0,5, т.е. вес покрытия минимум в два раза меньше веса голого провода.Calculations were made of the ratio of the coating weight to the weight of the bare wire Wo of the relative coating radius x for the density of the metal of the bare wire (steel, copper, steel-aluminum). Since the densities of metals do not differ very much, the corresponding curves pass fairly close to each other. The most important result of this calculation is that, due to the low specific gravity of polyethylene compared to the specific gravity of metals, the coating makes an insignificant contribution to the total weight of the wire. As was shown, to obtain a noticeable suppression of the corona discharge current, the relative thickness of the coating should be approximately equal to 1.5–3. For these values of x, Wo does not exceed 0.5, i.e. the weight of the coating is at least half the weight of the bare wire.

Таким образом, вышеприведенные данные подтверждают возможность осуществления предлагаемого изобретения.Thus, the above data confirm the feasibility of the invention.

Claims (3)

1. Высоковольтный провод, содержащий распложенные концентрично грузонесущий элемент, проводник с эффективным радиусом R1, внутренний полупроводящий слой изоляции, основной слой изоляции с радиусом Re и внешний полупроводящий слой изоляции, отличающийся тем, что при известной вольтамперной характеристике коронного разряда I (VI) и при заданной мощности потерь на корону ро относительный радиус x=Re/Rl и удельное объемное сопротивление р основного слоя изоляции связаны соотношениями1. A high-voltage wire containing a concentric load-bearing element, a conductor with an effective radius R1, an internal semiconducting insulation layer, a main insulation layer with a radius Re and an external semiconducting insulation layer, characterized in that for a known current-voltage characteristic of the corona discharge I (VI) and at of the given power loss to the corona p0, the relative radius x = Re / Rl and the specific volume resistance p of the main insulation layer are related by the relations
Figure 00000013
для частот f>fb
Figure 00000013
for frequencies f> fb
иand
Figure 00000014
Figure 00000014
для частот f<fb,for frequencies f <fb, где fb - величина, обратная постоянной времени заряда цепи, образованной сопротивлением коронного разряда и общей емкостью системы;where fb is the reciprocal of the time constant of the charge of the circuit formed by the resistance of the corona discharge and the total capacity of the system; Emn - предельно допустимая напряженность электрического поля в основном слое изоляции;Emn is the maximum allowable electric field strength in the main insulation layer; Х1(х) и Хе(х) - реактансы внешнего коронирующего промежутка и основного слоя изоляции соответственно;X1 (x) and Xe (x) are the reactants of the outer corona gap and the main insulation layer, respectively; V1(x) - напряжение на внешнем коронирующем промежутке, определяемое мощностью ро.V1 (x) is the voltage at the external corona gap, determined by the power po.
2. Высоковольтный провод по п.1, отличающийся тем, что относительная толщина (по отношению к R1) внешнего полупроводящего слоя в 10 раз меньше х-1, а относительная толщина внутреннего полупроводящего слоя в 10 раз меньше х-1 для сплошного проводника и равна d/R1 при проводнике, состоящем из группы отдельных тонких проводников с диаметром d.2. The high-voltage wire according to claim 1, characterized in that the relative thickness (with respect to R1) of the outer semiconducting layer is 10 times less than x-1, and the relative thickness of the inner semiconducting layer is 10 times less than x-1 for a solid conductor and is d / R1 for a conductor consisting of a group of individual thin conductors with a diameter d. 3. Высоковольтный провод по п.1, отличающийся тем, что удельное объемное сопротивление ρ1 полупроводящих слоев изоляции определяется из соотношения3. The high-voltage wire according to claim 1, characterized in that the specific volume resistance ρ1 of the semiconductor insulation layers is determined from the relation
Figure 00000015
Figure 00000015
где fm - наибольшая характерная частота изменения напряжения;where fm is the largest characteristic frequency of voltage change; ε - относительная диэлектрическая проницаемость полупроводящего слоя;ε is the relative dielectric constant of the semiconducting layer; εo - электрическая постоянная.εo is the electric constant.
RU2004118725/09A 2004-06-21 2004-06-21 High-voltage conductor RU2269172C8 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2004118725/09A RU2269172C8 (en) 2004-06-21 2004-06-21 High-voltage conductor

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2004118725/09A RU2269172C8 (en) 2004-06-21 2004-06-21 High-voltage conductor

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2269172C1 true RU2269172C1 (en) 2006-01-27
RU2269172C8 RU2269172C8 (en) 2007-05-27

Family

ID=36047965

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2004118725/09A RU2269172C8 (en) 2004-06-21 2004-06-21 High-voltage conductor

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2269172C8 (en)

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
BE673487A (en) * 1965-02-05 1966-04-01
SU811329A2 (en) * 1979-02-22 1981-03-07 Предприятие П/Я Г-4299 High-voltage cable
IT1154815B (en) * 1980-06-30 1987-01-21 Pirelli PERFECTED AERIAL LINE CONDUCTOR
DE3533507A1 (en) * 1985-09-20 1987-04-02 Kabelmetal Electro Gmbh Overhead electrical line, in particular a facade cable
US4771292A (en) * 1986-12-04 1988-09-13 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Air Force Suspended antenna with dual corona ring apparatus
FI95632C (en) * 1993-04-27 1996-02-26 Nokia Kaapeli Oy Wiring at a high voltage line for overhead lines with a voltage of about 60 kV or more
SE506366C2 (en) * 1996-04-23 1997-12-08 Ericsson Telefon Ab L M Self-supporting cable and method of manufacture thereof
RU13115U1 (en) * 1999-07-19 2000-03-20 Общество с ограниченной ответственностью Рекламная Компания "Пилларс плюс" (ООО РК "Пилларс плюс") HIGH VOLTAGE WIRE

Also Published As

Publication number Publication date
RU2269172C8 (en) 2007-05-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Nitta et al. Electrical breakdown of long gaps in sulfur hexafluoride
Eigner et al. 50 years of electrical-stress control in cable accessories
Slama et al. Influence of the linear non-uniformity of pollution layer on the insulator flashover under impulse voltage-estimation of the effective pollution thickness
He et al. Charge simulation based electric field analysis of composite insulators for HVDC lines
JPWO2016080018A1 (en) Gas insulated switchgear
Zhao et al. Design of adaptive bushing based on field grading materials
Salem et al. The effect of insulator geometrical profile on electric field distributions
KR20160081365A (en) Electrode device for gas-insulated switchgear
Souza et al. Analysis of the impulse breakdown behavior of covered cables used in compact distribution lines
Ogar et al. Analysis of corona effect on transmission line
RU2269172C1 (en) High-village conductor
Nzenwa et al. Analysis of insulators for distribution and transmission networks
Hrastnik et al. Designing a new post insulator using 3-D electric-field analysis
Watanabe et al. Practical Application of±250‐kV DC‐XLPE Cable for Hokkaido–Honshu HVDC Link
US10965106B2 (en) Gas-insulated electrical equipment
Dhahbi-Megriche et al. Influence of dry bands on polluted insulator performance
M'hamdi et al. Potential and electric field distributions on HV insulators string used in the 400 kV novel transmission line in Algeria
Douar et al. Creeping discharges features propagating in air at atmospheric pressure on various materials under positive lightning impulse voltage–part 2: modelling and computation of discharges’ parameters
EP3402027B1 (en) High-voltage insulator arrangement for insulation of a conductor of a dc gas-insulated system, and gas-insulated system for dc operation comprising a high-voltage insulator arrangement
Domínguez et al. Optimization of electric field grading systems in non-ceramic insulators
Fessol et al. Influence of underground cable insulation parameters on transient overvoltages
Nikoofard et al. Modeling and optimization of dimensions of corona rings on high-voltage composite insulators using FEM
CN215641633U (en) Composite insulator performance test platform for metal shielding type sleeve
Mahmoodi et al. Experimental investigation of surface charging and electric charge decay on HVDC outdoor polymeric insulator under different air humidity and aging conditions
US11417442B2 (en) Field grading members, cables having field grading members, and methods of making field grading members

Legal Events

Date Code Title Description
TH4A Reissue of patent specification
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20110622