ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ПРОВОД Российский патент 2006 года по МПК H01B7/28 H01B7/02 H01Q1/40 

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.

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.

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.

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.

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.).

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.

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.

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.

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).

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.

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.

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.

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 соотношения

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 c_е, 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.

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 fb

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.

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 формуле

где V1(x) - напряжение на внешнем коронирующем промежутке, определяемое пиковой мощностью ро. Поэтому V1(x) является решением алгебраического уравнения

V1(x)-I(V1)=po

Для изоляционного покрытия, имеющего цилиндрическую форму, активное сопротивление покрытия на единицу длины r₃ определяется из соотношения

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 соотношению

Vem(x)=Emn·R1·ln(х),

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 импедансы

Решив последнее уравнение относительно r₃, найдем

Используя вышеприведенные формулы для r₂ и удельной проводимости, получим, что для f<fb

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 потерь

Используя связь напряжений через импедансы и связь r₃ и ρ, найдем для f>fb

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).

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.

Перечень графических материалов.

Фиг.1. Схема, поясняющая механизм перераспределения электрических полей внутри и вне провода с изоляционным покрытием.

Фиг.2. Поперечное сечение высоковольтного провода.

Фиг.3. Эквивалентная электрическая схема провода с изоляционным покрытием.

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.

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.

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.

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 виде

I(V1)=αV1·(V1-Vk),

где

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Таким образом, вышеприведенные данные подтверждают возможность осуществления предлагаемого изобретения.

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. Технический результат - обеспечение возможности повышения рабочего напряжения на проводе до значений, превышающих напряжение зажигания короны вблизи границы изоляционное покрытие - воздух Vk в 1,4÷3 раза, при заданной мощности потерь на корону ро. Сущность изобретения состоит в следующем. Высоковольтный провод содержит расположенные концентрично грузонесущий элемент, проводник с радиусом R1, внутренний полупроводящий слой изоляции, внешний полупроводящий слой изоляции и основной слой изоляции с радиусом Re. Внутренний полупроводящий слой изоляции необходим для придания токонесущему проводнику формы круглого цилиндра и сглаживания неровностей, усиливающих напряженность электрического поля и являющихся причиной частичных разрядов. Внешний полупроводящий слой необходим для быстрого выравнивания потенциала по всей внешней поверхности провода. Технический результат достигается тем, что в высоковольтном проводе при известной вольт-амперной характеристике коронного разряда I (V1) и при заданной мощности потерь на корону ро относительный радиус x=Re/R1 и удельное объемное сопротивление ρ основного слоя изоляции связаны определенным соотношениями для частот f>fb и f<fb, где fb - величина, обратная постоянной времени заряда цепи, образованной сопротивлением коронного разряда и общей емкостью системы. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

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 соотношениями

для частот f>fb

и

для частот f<fb,

где fb - величина, обратная постоянной времени заряда цепи, образованной сопротивлением коронного разряда и общей емкостью системы;

Emn - предельно допустимая напряженность электрического поля в основном слое изоляции;

Х1(х) и Хе(х) - реактансы внешнего коронирующего промежутка и основного слоя изоляции соответственно;

V1(x) - напряжение на внешнем коронирующем промежутке, определяемое мощностью ро.

где fm - наибольшая характерная частота изменения напряжения;

ε - относительная диэлектрическая проницаемость полупроводящего слоя;

εo - электрическая постоянная.