Расчет узла крепления покрышки и фланца к корпусу

 

Крепление фарфоровой покрышки к фланцу может осуществляться с помощью цементной заделки или съемного кольца. Во всех случаях между фарфоровой покрышкой и фланцем для уплотнения ставится прокладка (из резины, электрокартона, паронита и др.) чтобы устранить возможность просачивания масла.

 

 

Все элементы конструкции соединяются друг с другом тем или иным способом для обеспечения герметичности ввода. Наиболее распространенным и простым способом является болтовое крепление. В наиболее нагруженном состоянии находится болтовое крепление верхней фарфоровой покрышки к фланцу. Произведем расчет болтового крепления.

В качестве материала для изготовления болтов можно выбрать различную конструкционную сталь (Ст3, Ст30, Ст40). Из справочной литературы нужно найти значение их допустимой прочности на разрыв (растяжение) и сравнить с расчетным значением sбол. Если условие прочности не выполняется необходимо выбрать другую сталь, увеличить количество болтов или их размер.

 

Тепловой расчет

Одной из причин отказа ЭИК является тепловое разрушение при нарушении тепловой устойчивости (теплового равновесия). Это может наблюдаться, когда выделяемое в ЭИК тепло (потери энергии) при приложении электрической нагрузки превышает теплоотдачу в окружающую среду. Основными причинами выделения тепла в ЭИК являются:

=> потери энергии в токопроводящих элементах (ТПС, ТПЖ, обмотки трансформаторов, обкладки конденсаторов и др.);

=> диэлектрические потери в изоляции (за счет электропроводности и поляризации);

:=> потери в металлических частях ЭИК (конденсаторные обкладки в/в вводов, экраны в кабелях и др.).

 

Теплоотвод, в свою очередь, определяется:

=> теплопроводностью материалов, входящих в электроизоляционную конструкцию (материала диэлектрика, обкладок, корпуса и др.);

=> рассеивающей поверхностью ЭИК;

=> температурой окружающей среды;

=> условиями внешнего теплоотвода (естественное воздушное, искусственное).

В основе теплового расчета лежит подобие тепловых и электрических полей, которые описываются математически аналогичными уравнениями. Например, электрическому току условно соответствует тепловой поток, разности потенциалов – разность температур, электрическому сопротивлению – тепловое сопротивление, электропроводности – теплопроводность и т.д.

Благодаря этой аналогии можно пользоваться основными соотношениями теории электрических цепей и рассматривать эквивалентные схемы из тепловых сопротивлений для заданной конструкции.

3.1. Для проведения теплового расчета сделаем следующие допущения:

Þ тепловые потоки в аксиальном направлении малы и ими можно пренебречь;

Þ все тепло отводится через верхнюю (воздушную) фарфоровую покрышку;

Þ теплоотвод через нижнюю (масляную) покрышку практически невозможен из-за большого теплового сопротивления.

3.2. При проведении расчета диэлектрических потерь в изоляции необходимо знать зависимость от температуры. Однако в справочной литературе такая информация для многих материалов либо отсутствует, либо приводятся значения для отдельных компонентов изоляции при одной или двух температурах. Для приближенных расчетов можно принять экспоненциальный характер изменения от температуры. В этом случае достаточно знать только два значения при разных температурах для каждой компоненты комбинированной изоляции.

3.2.1. Произведем расчет диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь для комбинированной изоляции при двух температурах.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Расчет срока службы

 

При расчете срока службы многих электротехнических конструкций, в том числе конденсаторов, высоковольтных вводов и др. часто используются эмпирические или полуэмпирические уравнения [1 – 4]:

- 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.

 

Как видно из приведенных уравнений (4.1 – 4.3), 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, 2], 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 друг с другом и приводит к уменьшению потенциального барьера, необходимого для разрыва химической связи.

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

, (4.4)

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

, где (4.5)

. (4.6)

Здесь:

А,g – структурно чувствительные коэффициенты;

в – коэффициент, учитывающий изменение модуля упругости

материала с температурой;

Е – напряженность электрического поля, [В/м];

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.

. (4.7)

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

. (4.8)

Здесь – вероятность перехода через потенциальный барьер при одном колебании.

Заменяя D W через энергию связи D, найдем:

. (4.9)

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

. (4.10)

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

. (4.11)

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 (разрыва 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», которая позволяет провести анализ влияния различных на значение t.

 

 

 

 

 

 

 

Конструктивные расчеты

Для обеспечения нормальной эксплуатации высоковольтных вводов необходимо принимать меры по устранению развития короны в местах расположения токоподводящей шины, болтового крепления у среднего и нижнего фланцев, имеющих острые кромки. С целью компенсации теплового расширения масла применяется маслорасширитель или бак давления, а для компенсации теплового расширения токопроводящего стержня или трубы пружины, располагаемые в маслорасширители. Для контроля качества масла в процессе эксплуатации используют специальные приспособления (ПИН) и др. Рассмотрим расчет основных конструктивных элементов (экрана, пружин и маслорасширителя).

 

Расчет экрана

 

Роль экрана выполняют защитные колпаки или кожухи, изготавливаемые, как правило, из алюминия. Они закрепляются в местах расположения острых кромок болтов и др. элементов и имеют определенный радиус закругления, чтобы устранить развитие короны при рабочем напряжении.

 

Расчет маслорасширителя

Маслорасширитель предназначен для компенсации теплового расширения масла, которым заполняется высоковольтный ввод для устранения развития ионизации в полости между изоляционным остовом и фарфоровой покрышки, а также для пропитки бумаги самого остова. Объем маслорасширителя определяется изменением объема этого масла за счет теплового расширения при колебаниях температуры окружающей среды и его нагрева в процессе эксплуатации за счет потерь энергии. Наиболее простой конструкцией маслорасширителя является бак, имеющий три цилиндрические камеры (рис. 4.1). Во внутренней камере располагаются пружины для компенсации теплового расширения токопроводящего стержня. Средняя и внешняя камеры служат масляным затвором для устранения окисления масла при соприкосновении с воздухом окружающей среды.

Согласно рис. 4.1, изоляционный остов и внутренняя полость, ограниченная фланцем и фарфоровыми покрышками могут быть условно разбиты на цилиндрическую и две конусные части. В этом случае объем изоляционного остова будет складываться из суммы Vц1 + Vк1+Vк2, а объем внутренней полости из суммы Vц2+Vк3+Vк4. Если ввод имеет токопроводящую трубу, то в объеме внутренней полости необходимо также учитывать и объем масла Vс, находящегося в ней.

 

При расчете объема внутренней полости также необходимо учитывать и масло, которое находится в самом изоляционном остове за счет пропитки бумаги, если используется бумажно-масляная изоляция.