Расчет срока службы конденсатора

 

При расчете срока службы многих электротехнических конструкций, в том числе конденсаторов, высоковольтных вводов и др. часто используются эмпирические или полуэмпирические уравнения:

- уравнение экспоненциального вида:

(4.1)

Здесь B, b - коэффициенты, отражающие условия эксперимента;

- уравнение степенного вида:

, (4.2)

где А, n – постоянные;

n» (4-8) для конденсаторной бумаги на ~ напряжение;

n» (9-12) для конденсаторной бумаги на = напряжение;

n» (50-80) для маслобарьерной изоляции на ~ напряжение.

- уравнение комбинированного вида:

(4.3)

Здесь С, n, К – константы,

D W – высота потенциального барьера,

Т – температура в ⁰К,

К – постоянная Больцмана.

уравнение экспоненциального вида:

(4.4)

Здесь B, b – коэффициенты, отражающие условия эксперимента;

Как видно из приведенных уравнений (4.1 – 4.4), для определения времени до пробоя необходимо знать ряд параметров и коэффициентов, величина которых определяется видом конструкции и применяемой в них изоляции. Для определения этих параметров требуется проведение дополнительных определенных исследований или использовать накопленный опыт эксплуатации аналогичных конструкций.

Согласно [1, 12], расчет срока службы можно провести на основе термофлуктуационной теории, рассматривающей процесс разрушения материала вследствие разрыва межатомных химических связей при тепловых колебаниях атомов, т.е. тепловых флюктуаций. Воздействие электрического поля или механической нагрузки искажает энергетическую диаграмму взаимодействия атомов и приводит к уменьшению потенциального барьера, необходимого для разрыва химической связи.

Если принять, что энергия разрыва химической связи D соответствует высоте потенциальной ямы, то

, (4.5)

где: j(х) – функция, описывающая изменение глубины потенциального барьера от величины и вида воздействующих нагрузок.

 

, где (4.6)

, (4.7)

Здесь:

А,g – структурно чувствительные коэффициенты;

в – коэффициент, учитывающий изменение модуля упругости

материала с температурой;

Е – напряженность электрического поля, [В];

s – механическая нагрузка, [Н/м];

Т – температура, [⁰К];

h – коэффициент, учитывающей повышение напряженности

электрического поля за счет формы электродов;

b – коэффициент, учитывающий повышение напряженности

электрического поля за счет неоднородности структуры.

(4.8)

С точки зрения термодинамики известно, что t₀ @10^–13 сек, т.е. время перехода атомов из одного равновесного состояния в другое за счет тепловых флюктуаций. Тогда частота тепловых колебаний атомов равна 1/ t₀.

Исходя из этого, вероятность разрыва химической связи в единицу времени будет равна

, (4.9)

здесь – вероятность перехода через потенциальный барьер при одном колебании.

Заменяя D W через энергию связи D, найдем:

(4.10)

Условие для разрыва связи – это наступление достоверного события. Отсюда можно записать:

(4.11)

Из приведенного выражения видно, что время t является функцией многих параметров (E, D, Т, А, s, b, h, t0), о чем говорилось ранее.

При воздействии на изоляцию различных видов нагрузок, которые могут быть постоянными, переменными или случайными, время до пробоя можно оценить

. (4.12)

Здесь: t - время до пробоя;

t_i - время действия нагрузки за 1 цикл (продолжительность действия электрического поля и температуры);

t_n = t_сод = 31.536·10⁶ сек;

t_j - время действия случайной нагрузки за один цикл перенапряжения;

n - число интервалов в год;

N - число перенапряжений;

q_i - вероятность разрушения (связи) диэлектрика под действием i-го комплекса постоянной нагрузки (Е_i,Т_i,s_i.);

q_ij - вероятность разрушения изоляции под действием случайной нагрузки в результате перенапряжения.

Расчет времени до пробоя проведем с использованием программы в среде «Mathcad».

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список литературы

К главе 1

1. Дмитревский В.С. Расчет и конструирование электрической изоляции. – М.: Энергоиздат, 1981. – 392 с.

2. Кучинский Г.С., Кизеветтер В.Е., Пинталь Ю.С. Изоляция установок высокого напряжения. – М.: Энергоатомиздат, 1987. – 368 с.

3. Синявский В.Н. Расчет и конструирование электрокерамических конструкций. – М.: Энергия, 1977. – 192 с.

4. Электрооборудование переменного тока на напряжение от 3 до 500 кВ. Требования к электрической изоляции. ГОСТ 1516.1-76. – 62 с.

5. Чунихин А.А. Электрические аппараты. – М.: Энергоатомиздат, 1988. – 719 с.

6. Методы электрических испытаний. Условия окружающей среды при нормализации, кондиционировании и испытании. ГОСТ 6433.1-71. – 51 с.

7. Внутренние перенапряжения и работа загрязненной изоляции. Международная конференция по большим электрическим системам (СИГРЭ-72). / под ред. В.В.Бургсдорфа и А.К.Лоханина. – М.: Энергия, 1975. – 224 с.

8. Александров Г.Н., Иванов В.Л., Кизеветтер В.Е. Электрическая прочность наружной высоковольтной изоляции. – Л.: Энергия, 1969. – 240 с.

9. Кучинский Г.С. Частичные разряды в высоковольтных конструкциях. – Л.: Энергия, Ленингр. отд., 1979. – 224 с.

10. Абрамов В.Д., Хомяков М.В. Эксплуатация изоляторов высокого напряжения. – М.: Энергия, 1976. – 264 с.

11. Костюков Н.С., Минаков Н.В., Князев В.А. и др. Электрические изоляторы. / под ред. Н.С.Костюкова. – М.: Энергоатомиздат, 1984. – 296 с.

12. Дмитревский В.С. Термофлуктуационная теория разрушения твердых диэлектриков: монография / В.С. Дмитревский; Национальный исследовательский Томский политехнический университет. – Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2010. – 170 с.

13. Техника высоких напряжений: теоретические и практические основы применения: Пер. с нем. / М.Бейер, В.Бек, К.Меллер, В.Цаенгль. / под ред. В.П.Ларионова. – М.: Энергоатомиздат, 1989. – 555 с.

14. Александров Г.Н., Борисов В.В., Каплан Г.С. и др. Проектирование электрических аппаратов. Учебник для вузов / под ред. Г.Н Александрова. – Л.: Энергоатомиздат, Ленингр.отд., 1985. – 448 с

15. Справочник по электротехническим материалам / под ред. Ю.В. Корицкого, В.В. Пасынкова, Б.М.Тареева. – Т. 1. – 3-е изд., перераб. – Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд., 1988. – 728 с.

16. Орлов П.И. Основы конструирования: Справочно-методическое пособие. В 2-х кн. Кн. 2. / под ред. П.Н.Учаева. – 3-е изд., исправл. – М.: Машиностроение, 1988. – 544 с.

Список литературы

К главе 2

1. Ренне В.Т. Электрические конденсаторы. – Л.: Энергия, 1969. – 602 с.

2. Ренне В.Т., Багалей Ю.В., Фридберг И.Д. Расчет и конструирование конденсаторов. – Киев.: Техника, 1966. – 326 с.

3. Ренне В.Т. Пленочные конденсаторы с органическим диэлектриком. – Л.: Энергия, 1971. – 269 с.

4. Кучинский Г.С. и др. Силовые электрические конденсаторы. – М:. – Л.: Энергия, 1975. – 541 с.

5. Кучинский Г.С. Высоковольтные импульсные конденсаторы. – М.: Энергия, 1973. – 256 с.

6. Гулевич А.И., Киреев А.П. Производство силовых конденсаторов. – М.: Высшая школа, 1983. – 155 с.

7. Мантров М.И. Расчет бумажно-масляных конденсаторов для силовых установок. – Москва.: Энергия, 1960. – 155 с.

8. Ренне В.Т. и др. Расчет и конструирование конденсаторов. – М.: Техника, 1966. – 364 с.

9. Ануфриев Ю.А., Гусев В.Н., Смирнов В.Ф. Эксплуатационные характеристики и надежность электрических конденсаторов. – М.: Энергия, 1976. – 224 с.

10. Варшавский Д.С., Забашта И.Г., Форсилова И.Д. О длительной электрической прочности силовых конденсаторов с комбинированным диэлектриком "Электромеханическая промышленность", сер. Аппараты высокого напряжения, трансформаторы, силовые конденсаторы", 1971 г., вып. 7.

11. Гинсбург Е.Л. Пленочные силовые конденсаторы. В сб. "Развитие силового конденсаторостроения"

12. Варшавский Д.С. Состояние силового конденсаторостроения за рубежом, вып. 1, «Производство силовых конденсаторов», НИИ ЭМ, 1964 г.

13. Варшавский Д.С. Состояние силового конденсаторостроения за рубежом, вып.2. «Технические характеристики силовых конденсаторов», ВНИИ ЭМ, 1965 г.

Приложение 1

 

 

 

 

 

Рис. П1.6. Эскиз изоляции ввода

 

Рис. П1.7. Расположение обкладок в изоляционном остове.