RU2581617C2 - Способ определения оптимального числа секций секционированного изолятора - Google Patents
Способ определения оптимального числа секций секционированного изолятора Download PDFInfo
- Publication number
- RU2581617C2 RU2581617C2 RU2014137386/07A RU2014137386A RU2581617C2 RU 2581617 C2 RU2581617 C2 RU 2581617C2 RU 2014137386/07 A RU2014137386/07 A RU 2014137386/07A RU 2014137386 A RU2014137386 A RU 2014137386A RU 2581617 C2 RU2581617 C2 RU 2581617C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- insulator
- thickness
- sections
- breakdown voltage
- dielectric
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Testing Relating To Insulation (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)
- Other Investigation Or Analysis Of Materials By Electrical Means (AREA)
Abstract
Изобретение относится к изготовлению секционированных проходных изоляторов. В способе определения оптимального числа секций N секционированного изолятора заданной высоты H, выполненного в виде чередующихся кольцевых, дисковых или цилиндрических элементов из изоляционного материала и прокладок из проводящего материала заданной толщины b, предварительно снимают зависимость пробивного напряжения U по поверхности диэлектрика, помещенного в вакуум, от толщины диэлектрика d, аналитическое описание которой представляют в виде степенной функции U=kdα, и, используя полученные при снятии зависимости пробивного напряжения по поверхности диэлектрика от его толщины экспериментальные данные, определяют коэффициенты k и α в упомянутой функции. Заявляемый способ имеет более высокую точность определения оптимального числа секций в изоляторе, что позволяет при заданной высоте изолятора H и заданной толщине градиентной прокладки b получить максимально возможное пробивное напряжение для указанных габаритов изолятора. 1 ил., 3 табл.
Description
Изобретение относится к электротехнической технике, а именно к изготовлению секционированных проходных изоляторов.
Известно, что пробивная напряженность поверхности диэлектрика в вакууме возрастает с уменьшением толщины испытуемого на электрическую прочность образца. Указанное положение находит свое отражение в конструкциях высоковольтных изоляторов, применяемых в высоковольтных трансформаторах, ускорительной технике и т.д. [1].
С целью повышения электрической прочности изоляторов последние делят на множество секций проводящими градиентными кольцами. При этом применяют цилиндрическую или дисковую форму элементов секций. Высоту секций в этих конструкциях изоляторов определяют, как правило, исходя из большого объема экспериментальных исследований, что связано со значительным расходом времени и материалов, идущих на изготовление испытуемых образцов изоляторных секций. Кроме того, полученный при исследованиях результат не гарантирует создания конструкции секционированного изолятора с оптимальными габаритами.
Известен способ выбора высоты диэлектрического кольца в секционированном изоляторе по графику зависимости поверхностного пробивного напряжения изоляционного материала от толщины испытуемого образца [2]. Этот способ заключается в том, что набор образцов из одинакового изоляционного материала разной толщины подвергают испытанию на электрическую прочность поверхности в какой-либо среде, строят зависимость пробивного напряжения от толщины образца, определяют на этой зависимости точку изменения наклона кривой и толщину изоляционного кольца секционированного изолятора выбирают такой, чтобы она не превышала толщины образца, при которой снятая зависимость меняет свой наклон.
Известный способ не позволяет выбрать для проходного изолятора конкретную толщину диэлектрического кольца в секции, которая обеспечила бы получение максимальных пробивных градиентов при заданной высоте изолятора.
Оптимальная толщина диэлектрика в секционированных изоляторах зависит от толщины градиентных прокладок, материала диэлектрика и конструктивных особенностей изолятора. Поэтому для каждой конкретной конструкции проходного изолятора должна быть определена конкретная оптимальная толщина секционного кольца, а следовательно, и количество колец в конструкции.
Наиболее близким к заявляемому является способ определения оптимального числа секций секционированного изолятора [3].
Способ-прототип заключается в том, что известным способом определяют среднюю пробивную напряженность Ei изоляционного слоя высотой H и среднюю пробивную напряженность En набора из n произвольных, но равных по толщине изоляционных слоев, разделенных градиентными прокладками толщиной b, причем высота набора должна равняться H, после чего определяют оптимальное количество секций по формуле
где N - оптимальное количество секций в изоляторе;
H - высота изолятора;
b - толщина градиентной прокладки;
Ei - средняя пробивная напряженность не секционированного слоя высотой H;
En - средняя пробивная напряженность произвольно секционированного слоя высотой H;
n - количество изоляционных слоев, произвольных и равных по толщине в наборе высотой H.
Следует отметить, что выбор толщины градиентного кольца диктуется условиями эксплуатации всего изолятора, технологией его сборки. В частности, при определении b учитывают электрическую прочность среды, окружающей изолятор, требования к механической прочности кольца.
Недостатком способа-прототипа является низкая точность определения оптимального числа секций в изоляторе, что не позволяет при заданной высоте изолятора H и заданной толщине градиентной прокладки b получить максимально возможное пробивное напряжение для указанных габаритов изолятора. Кроме того, способ-прототип достаточно сложен и требует для своего воплощения, особенно для изоляторов с большими габаритами, изготовления испытательного стенда со сверхвысоким источником напряжения, что не всегда возможно воплотить в жизнь.
Техническая задача, поставленная в рамках настоящего изобретения, заключается в том, чтобы упростить способ и повысить точность определения оптимального количества секций в изоляторе, что позволит получить максимальное значение пробивного напряжения для заданных габаритов изолятора.
Поставленная задача решается тем, что в способе определения оптимального числа секций N секционированного изолятора заданной высоты H, выполненного в виде чередующихся кольцевых, дисковых или цилиндрических элементов из изоляционного материала и прокладок из проводящего материала заданной толщины b, предварительно снимают зависимость пробивного напряжения U по поверхности диэлектрика, помещенного в вакуум, от толщины диэлектрика d, аналитическое описание которой представляют в виде степенной функции U=kdα, и, используя полученные при снятии зависимости пробивного напряжения по поверхности диэлектрика от его толщины экспериментальные данные, определяют коэффициенты k и α в упомянутой функции, после чего находят оптимальное количество секции в изоляторе по выражению
, после чего определяют уровень предельного максимального напряжения Uд изолятора по уравнению:
На чертеже представлена зависимость пробивного напряжения поверхности пирексовых колец от их толщины.
Сущность изобретения заключается в следующем. Пробивное напряжение поверхности любого диэлектрика в любой среде, и, в частности, в вакууме достаточно точно можно описать в виде степенной функции, имеющей вид
Выражение 1 для секционированного изолятора, имеющего n секций, можно переписать в виде:
Для определения оптимального числа секций в секционированном изоляторе найдем максимум значения U. Для этого продифференцируем выражение 2 и приравняем значение производной к 0.
Преобразовав выражение (3), получим:
Из уравнения (4) после преобразования получим:
Из выражения (5) следует:
Коэффициенты k и α в выражении (1) для каждого конкретного случая можно рассчитать методом наименьших квадратов, используя экспериментальные значения, полученные при снятии зависимости пробивного напряжения U от толщины диэлектрика d.
Рассмотрим определение указанных коэффициентов на примере пирексовых колец, помещенных в вакуум. Экспериментальные значения пробивных напряжений U пирексовых колец от их толщины d приведены в таблице 1 и отображены на чертеже кружками.
Для упрощения нахождения коэффициентов k и α в формуле 1 линеаризуем уравнение, для чего прологарифмируем указанное выражение и получим:
Введем обозначения y=lnU, b0=lnk, x=lnd. С учетом введенных обозначений уравнение 7 можно записать в виде:
Коэффициенты b0 и α в уравнении (8) с использованием метода наименьших квадратов могут быть определены по выражениям (9) и (10), взятым из работы [4].
Для расчета численных значений коэффициентов b0 и α используем таблицу 2.
Подставив численные значения в формулы (9) и (10), получим:
проведя потенцирование, получим:
k=7,648
Окончательный вид уравнения (1) после подстановки в него численных значений k=7,648 и α=0,4187 примет вид:
На чертеже черными квадратиками обозначены расчетные значения напряжения из пирексовых колец, определяемого по выражению (11). Как следует из чертежа, расчетные значения пробивного напряжения от толщины изолятора по формуле (11) практически полностью совпадают с экспериментальными значениями, т.е. адекватно описывают эксперимент.
Примером конкретного осуществления заявляемого способа является расчет оптимального количества секций в секционированном изоляторе высотой H=300 мм и толщиной b=3 мм по формуле (6):
Толщина одной секции d1 будет равна:
Предельно допустимое напряжение такого секционированного изолятора определим по формуле (2):
Рассчитанное предельное значение напряжения Uд=613,6 кВ указывает на то, что данный изолятор может быть использован в установках, рабочее напряжение которых не превышает напряжение Uд.
Для наглядности в таблице 3 приведены значения пробивного напряжения секционированного изолятора высотой H=300 мм и толщиной градиентной прокладки b=3 мм при различном количестве секций n в нем. Расчет производили по формуле (2) с использованием выражения (11). Из таблицы 3 наглядно видно, что при дроблении изолятора на секции пробивное напряжение всей конструкции изолятора имеет максимальное значение при оптимальном количестве секций N=nопт=58.
Сравним полученное значение пробивного напряжения с пробивным напряжением такого же по габаритам изолятора, но выполненного по способу-прототипу. Для сравнения возьмем цифры из примера конкретного выполнения, приведенные в [3].
Определим оптимальное число секций по выражению, приведенному в способе-прототипе:
Толщина dспрот одной секции изолятора, выполненного по способу-прототипу, будет равна:
Величина пробивного напряжения секционированного изолятора, выполненного по способу-прототипу, будет равна:
На фиг. 1 способа-прототипа [3] изображен слой изолятора высотой H (например, H=300 мм); на фиг. 2 способа-прототипа [3] - набор произвольных и равных по толщине изоляционных слоев количеством n (например, n=12) общей толщиной H, толщина разделяющих градиентных прокладок равна b (например, b=3 мм); на фиг. 3 способа-прототипа [3] - секционированный изолятор высотой H (например, H=300 мм). Способ-прототип осуществляют следующим образом. Определяют с помощью известных устройств (делителя напряжения, осциллографа или киловольтметра) среднюю пробивную напряженность изоляционного слоя 1 высотой H (например, Ei=l кВ/см) (см. способ-прототип, фиг. 1). Затем также измеряют среднюю пробивную напряженность набора произвольных и равных по толщине изоляционных слоев (см. способ-прототип, фиг. 2), например, для набора высотой H=300 мм, состоящего из двенадцати пирексовых колец, разделенных градиентными прокладками 2 толщиной b=3 мм; En=3,8 кВ/см. Набор расположен между высоковольтными электродом 3 и заземленным фланцем 4. Измеренные Ei, En подставляют в формулу, по которой определяют оптимальное количество секций:
Если подставить цифры, следующие из способа-прототипа: N=35; dпрот=5,57; N=35 секций, в формулу (2), то получим Uпрот=549,5 кВ. Как следует из приведенных цифр, заявляемый способ, по сравнению со способом-прототипом, позволяет повысить пробивное напряжение приведенного в примере изолятора высотой H=300 мм и толщиной градиентной прокладки b=3 мм на 11,7%.
Таким образом, заявляемый способ по сравнению со способом-прототипом имеет более высокую точность определения оптимального числа секций в изоляторе, что позволяет при заданной высоте изолятора H и заданной толщине градиентной прокладки b получить максимально возможное пробивное напряжение для указанных габаритов изолятора. Кроме того, заявляемый способ, по сравнению со способом-прототипом, достаточно прост и не требует для своего воплощения, особенно для изоляторов с большими габаритами, изготовления испытательного стенда со сверхвысоким источником напряжения, что не всегда возможно воплотить в жизнь. В частности, в рассмотренных нами примерах для реализации заявляемого способа достаточно того, чтобы экспериментальная высоковольтная установка позволяла получать напряжение, не превышающее 30÷35 кВ. Тогда как для реализации способа-прототипа, необходимо, как это следует из таблицы 3, чтобы экспериментальная установка имела возможность экспериментировать при напряжениях 450÷500 кВ, что более чем на порядок выше напряжения, необходимого для реализации заявляемого способа.
Предлагаемый способ позволяет, не меняя габаритов изолятора, путем определения оптимального количества секций повысить его электрическую прочность не менее чем на 11,7%. Кроме того, при заданном рабочем напряжении изолятора выбором оптимального количества его секций можно добиться сокращения габаритов и уменьшения стоимости изолятора.
Источники информации
1. Патент США №2082474, опубл. 1937.
2. Раховский В.Н. Физические основы электрического тока в вакууме. М.: «Наука», 1970, с. 57.
3. А.с. 758266. Способ определения оптимального числа секций секционированного изолятора / Смирнов Г.В., Кассиров Г.М., Планкин Ю.В. - Опубл. в БИ 23.08.80, №31 (прототип).
4. Смирнов Г.В., Смирнов Д.Г. Моделирование и оптимизация технологических процессов РЭС: Учебное пособие. - Томск: Издательство Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники, 2007. - C. 66-67.
Claims (1)
- Способ определения оптимального числа секций N секционированного изолятора заданной высоты H, выполненного в виде чередующихся кольцевых, дисковых или цилиндрических элементов из изоляционного материала и прокладок из проводящего материала заданной толщины b, отличающийся тем, что снимают зависимость пробивного напряжения U по поверхности диэлектрика, помещенного в вакуум, от толщины диэлектрика d, аналитическое описание которой представляют в виде степенной функции U=kdα, и, используя полученные при снятии зависимости пробивного напряжения по поверхности диэлектрика от его толщины экспериментальные данные, определяют коэффициенты k и α в упомянутой функции, после чего находят оптимальное количество секций в изоляторе по выражению , после чего определяют уровень предельного максимального напряжения Uд изолятора по уравнению
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2014137386/07A RU2581617C2 (ru) | 2014-09-15 | 2014-09-15 | Способ определения оптимального числа секций секционированного изолятора |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2014137386/07A RU2581617C2 (ru) | 2014-09-15 | 2014-09-15 | Способ определения оптимального числа секций секционированного изолятора |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2014137386A RU2014137386A (ru) | 2016-04-10 |
RU2581617C2 true RU2581617C2 (ru) | 2016-04-20 |
Family
ID=55647483
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2014137386/07A RU2581617C2 (ru) | 2014-09-15 | 2014-09-15 | Способ определения оптимального числа секций секционированного изолятора |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2581617C2 (ru) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN111161931A (zh) * | 2020-01-03 | 2020-05-15 | 西安交通大学 | 一种表层功能梯度绝缘子及其制备方法和应用 |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3801725A (en) * | 1972-11-14 | 1974-04-02 | Westinghouse Electric Corp | Spacer construction for fluid-insulated transmission lines |
SU758266A1 (ru) * | 1978-08-07 | 1980-08-23 | Nii Vysokikh Napryazh Pri | Способ определения оптимального числа секций секционированного изолятора |
US4459430A (en) * | 1982-07-13 | 1984-07-10 | The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy | High voltage variable diameter insulator |
SU1552235A1 (ru) * | 1984-04-05 | 1990-03-23 | Научно-исследовательский институт высоких напряжений при Томском политехническом институте им.С.М.Кирова | Способ определени оптимального числа секций секционированного изол тора |
-
2014
- 2014-09-15 RU RU2014137386/07A patent/RU2581617C2/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3801725A (en) * | 1972-11-14 | 1974-04-02 | Westinghouse Electric Corp | Spacer construction for fluid-insulated transmission lines |
SU758266A1 (ru) * | 1978-08-07 | 1980-08-23 | Nii Vysokikh Napryazh Pri | Способ определения оптимального числа секций секционированного изолятора |
US4459430A (en) * | 1982-07-13 | 1984-07-10 | The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy | High voltage variable diameter insulator |
SU1552235A1 (ru) * | 1984-04-05 | 1990-03-23 | Научно-исследовательский институт высоких напряжений при Томском политехническом институте им.С.М.Кирова | Способ определени оптимального числа секций секционированного изол тора |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN111161931A (zh) * | 2020-01-03 | 2020-05-15 | 西安交通大学 | 一种表层功能梯度绝缘子及其制备方法和应用 |
CN111161931B (zh) * | 2020-01-03 | 2021-06-25 | 西安交通大学 | 一种表层功能梯度绝缘子及其制备方法和应用 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2014137386A (ru) | 2016-04-10 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Fofana et al. | On the frequency domain dielectric response of oil-paper insulation at low temperatures | |
Jing et al. | Dielectric properties of natural ester, synthetic ester midel 7131 and mineral oil diala D | |
Kulyk et al. | Analysis of gas content in oil-filled equipment with spark discharges and discharges with high energy density | |
RU2581617C2 (ru) | Способ определения оптимального числа секций секционированного изолятора | |
Khan et al. | Partial discharge pattern analysis using support vector machine to estimate size and position of metallic particle adhering to spacer in GIS | |
Riba et al. | Voltage correction factors for air-insulated transmission lines operating in high-altitude regions to limit corona activity: a review | |
Kara et al. | Modeling and analyzing barrier effect on AC breakdown strength of non-uniform air gaps | |
Kara et al. | DC breakdown voltage characteristics of small air gaps with insulating barriers in non-uniform field | |
RU2584543C1 (ru) | Способ определения оптимального количества секций секционированного изолятора | |
Muhamad et al. | Faults identification of biodegradable oil-filled transformers based on polarization and depolarization current measurement (PDC) method | |
Benziada et al. | Numerical simulation of the electric field distribution in point-barrier-plane air gaps | |
Ediriweera et al. | Effect of the shape of the insulator on fractal characteristics of creeping discharges | |
Laifaoui et al. | Breakdown strength measurements on cylindrical polyvinyl chloride sheaths under AC and DC voltages | |
Othman et al. | Contamination effects on charge distribution measurement of high voltage glass insulator string | |
Machado et al. | Impacts of harmonic voltage distortions on the dynamic behavior and the PRPD patterns of partial discharges in an air cavity inside a solid dielectric material | |
CN113095019B (zh) | 一种局部放电信号仿真方法及系统 | |
Rumpelt et al. | Investigation on DC conductivity of alternative insulating oils as an application for HVDC converter transformers | |
Do et al. | A study of parameters influencing streamer inception in silicone gel | |
Subba Reddy et al. | Enhancement of surface flashover performance of high voltage ceramic disc insulators | |
Cherney et al. | Application of composite insulators to transmission lines | |
CN103954891B (zh) | 复合支柱绝缘子耐受试验仿真方法 | |
Witos et al. | Properties of acoustic emission signals coming from partial discharges caused by modeled sources immersed in transformer oil | |
Mahmoodi et al. | Effect of accumulated surface charges on DC flashover of SiR insulators under pollution and aging conditions | |
Okabe et al. | Uncertainty in K-factor measurement for lightning impulse voltage test | |
Fadaeeasrami et al. | FEM analysis of polluted 230 kV porcelain insulators by introducing new asymmetrical contamination: Elliptical ring-shaped |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20170916 |