Способ повышения электрической прочности изоляции высоковольтных устройств с жидкими диэлектриками Советский патент 1993 года по МПК H01B17/34 

СО

с

Использование: для повышения импульсной электрической прочности жидкой изоляции трансформаторов, реакторов, коммутаторов и других высоковольтных устройств. Сущность изобретения: повышение импульсной электрической прочности изоляции осуществляется прекращением развития лидерных каналов в начальной стадии пробоя путем снижения напряжения за фронтом импульса. В результате в межэлектродном промежутке образуется динамический барьер из неподвижного объемного разряда, препятствующий развитию пробоя. Изобретение позволяет повысить импульсную электрическую прочность жидких диэлектриков в 1,6-2,6 раза. 2 з.п.ф-лы, 10 ил.

Изобретение относится к технике высоких напряжений и может быть использовано для повышения электрической прочности и надежности изоляции трансформаторов, реакторов, коммутаторов и других высоковольтных аппаратов, в которых в качестве изоляционного материала используется трансформаторное масло и другие жидкие диэлектрики.

Целью изобретения является повышение надежности высоковольтных устройств с жидкими диэлектриками при воздействии грозовых импульсов путем увеличения импульсной электрической прочности рабочих промежутков изоляции образованием между электродами динамического барьера из неподвижного объемного заряда.

Цель достигается тем, что снижают напряжение за фронтом волны в максимуме импульса не менее чем на 20% без последующего его восстановления или более чем на 50% на время не менее 10% от длительности импульса с последующим его восстановлением.

Сущность изобретения состоит в том, что резкое частичное снижение напряжения на промежутке в период развития лидерных процессов разряда в жидком диэлектрике. когда уже сформировались в межэлектродном промежутке разветвленные многоканальные лидерные структуры с сосредоточенным на ее границах объемным зарядом, ведет к спаду градиентов поля в области ионизации ниже критических, необходимых для поддержания тока в лидерных

00

ю

О СЛ

CJ

каналах, и их продвижения к противоположном электроду. В результате наступает интенсивная деионизация лидерных структур и образование барьера из неподвижного объемного заряда, трансформирующего электрическое поле в зоне ионизации и в межэлектродном промежутке. Предложенным способом создается своеобразный динамический барьер, предотвращающий дальнейшее развитие пробоя.

Уровень выдерживаемого изоляцией напряжения определялся по отношению к 50%-ному пробивному напряжению (Uso%), т.е. значению импульса напряжения, при котором разряд наступает в 50% случаев подачи напряжения. При больших перенапряжениях по отношению к Uso% промежутка и относительно быстром восстановлении напряжения возможно возобновление процессов пробоя, однако их развитие происходит за пределами границ первичной многоканальной структуры разряда и при напряжениях, превышающих Uso%.

Технических решений, дающих возможность формировать динамический барьер, предотвращающий развитие пробоя в жидких диэлектриках с помощью указанного выше способа, ни в каких других областях науки и техники авторами не обнаружено.

Предложенный способ может быть pea лизован, например, устройством, функциональная схема которого представлена на фиг.1, На фиг.2-10 представлены осциллограммы и кадры теневой высокоскоростной фотографии, экспериментально подтверждающие работоспособность и эффективность предложенного способа.

Устройство, приведенное на фиг.1, состоит из генератора импульсов напряжения

1,соединенного с сопротивлением нагрузки

2,ограничивающим сопротивлением 3, делителя напряжения 4, камеры, заполненной жидким диэлектриком с электродами острие-плоскость 5, соединенной с воздушным шаровым разрядником 6, формирующей емкости 7 и формирующего сопротивления 8, шунта 9.

Устройство дает возможность снижать напряжение импульса до требуемой величины, а также производить его последующее восстановление с помощью формирующей емкости 7 и формирующего сопротивления 8.

Устройство работает следующим образом. При подаче на электроды импульсы напряжения от острия к плоскости начинают распространяться многочисленные лидер- ные структуры. После пробоя шарового разрядника 6 напряжение на промежутке падает до уровня, определяемого отноше-

нием величины формирующего сопротивления 8 к ограничивающему сопротивлению 2, и мало изменяется за время длительности импульса ( 50 мкс). В случае, когда в схеме

5 отсутствует сопротивление 8, после пробоя шарового разрядника 6 происходит глубокий спад напряжения с последующим зарядом емкости 7 через сопротивление 2 до напряжения, близкого к начальному, т.е.

10 произошло восстановление импульса.

На фиг.2 показана осциллограмма стандартного грозового импульса напряжения 1ф 2 ± 0,5 мкс; длительность импульса ти до спада напряжения U Umax/2 равна

15 50 ± 5 мкс. До напряжения Umax 80 кВ пробой промежутка не наблюдался.

При Umax 93 кВ пробой происходил в 50% случаев подачи напряжения на промежуток, что соответствует минимальному

20 пробивному напряжению. При Umax 110 кВ пробой происходил при каждой подаче напряжения и наступал через 27-30 мкс после поихода волны напряжения (фиг.З). Устойчивая дуга с током 1,6-1,8 А возникала после

25 трех повторных пробоев. Динамика развития пробоя для волны напряжения (фи.З) приведена на теневой фотографии фиг.4. Видно, что развивающая структура разряда состоит из множества лидерных и стример30

ных каналов, один из которых достигает плоского электрода и завершает пробой. Суммарный ток лидерных каналов, движущихся к противоположному электроду со скоростью 2-10 , не превышает 20 35 тд.

На фиг.5 показана осциллограмма напряжения на промежутке при срезе его на 20% на пятой микросекунде после максимума. Пробой отсутствовал при Umax 240 кВ,

40 что в 2,6 раза больше пробивного напряжения. В случае, когда снижали напряжение менее чем на 20%,наступал пробой.

На фиг.6 приведена теневая фотография разряда, соответствующая осцилло45 грамме на фиг.5, где видно, что после снижения напряжения развитие лидерных структур прекращалось. Внесенный ими объемный заряд создавал динамический барьер, препятствующий развитию про50 боя. Промежуток не пробивался, и его прочность возрастала в 2,6 раза по отношению к Uso%.

На фиг.7 приведена осциллограмма снижения напряжения с последующим вос55 становлением через 5-7 мкс при Umax - 140 кВ. Пробой промежутка отсутствовал при уровне восстановленного напряжения, в 1,7 раза превышающего Uso%, что подтверждает, что снижение напряжения на 50% на

время порядка 10% от длительности импульса не приводит к пробою промежутка.

На фиг.8 приведена теневая фотография развития разряда для импульса напряжения, приведенного на фиг.7. Видно, что развитие лидерной структуры прекращается после снижения напряжения.

На фиг.9 приведена осциллограмма напряжения на промежутке при снижении на- пряжения с последующим его восстановлением для Umax 150 кВ. Но в этом случае уровень снижения напряжения был меньше, чем 50%, от Umax и время восстановления напряжения было менее 5 мкс. Для этого типа снижения напряжения тене- вая фотография разряда представлена на фиг.Ю. Видно, что снижение напряжения, наступающее спустя 7,5 мкс после прихода волны напряжения, на промежуток прерывает развитие первоначальных лидерных структур. Внесенный ими объемный заряд блокировал развитие процесса, но он оказался недостаточным, Последующий разряд, начавшийся у электрода, распространялся вне границ зоны началь- ной структуры, на периферии разрядной области.

Таким образом, предложенный способ дает возможность повысить импульсную прочность межэлектродного промежутка высоковольтного устройства посредством

з /

/

создания динамического барьера из неподвижного объемного заряда.

Полученные результаты могут быть использованы как при проектировании новых энергетических установок с целью повышения их надежности, так и для увеличения срока службы действующих зысоковольт- ных устройств, содержащий механический барьер.

Формула изобретения

:. : -

к Г8-11

vae/V9 l+I

ю0/8мо$г и

Ј гпф

Z ъпф

ifdg/gxoQZ M

д-гщ

uaglg QSZ H

.

Ј гпф

Фиг.З

Фи:-.9

И 250кв/дел Is 1,6А/дел