Влияние диэлектрического барьера на распределение электрического поля в высоковольтной композитной изоляции электрических машин
Представлены результаты распределения электрического поля в высоковольтной композитной изоляции на основе предложенной математической модели накопления поверхностного заряда на границе раздела подложка – барьер. В установившемся режиме напряженность электрического поля в диэлектрическом барьере мо...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Електротехніка і електромеханіка |
|---|---|
| Datum: | 2018 |
| Hauptverfasser: | , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russisch |
| Veröffentlicht: |
Інститут технічних проблем магнетизму НАН України
2018
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/147971 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Влияние диэлектрического барьера на распределение электрического поля в высоковольтной композитной изоляции электрических машин / А.В. Беспрозванных, А.Н. Бойко, А.В. Рогинский // Електротехніка і електромеханіка. — 2018. — № 6. — С. 63-67. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859618342846857216 |
|---|---|
| author | Беспрозванных, А.В. Бойко, А.Н. Рогинский, А.В. |
| author_facet | Беспрозванных, А.В. Бойко, А.Н. Рогинский, А.В. |
| citation_txt | Влияние диэлектрического барьера на распределение электрического поля в высоковольтной композитной изоляции электрических машин / А.В. Беспрозванных, А.Н. Бойко, А.В. Рогинский // Електротехніка і електромеханіка. — 2018. — № 6. — С. 63-67. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Електротехніка і електромеханіка |
| description | Представлены результаты распределения электрического поля в высоковольтной композитной изоляции на основе
предложенной математической модели накопления поверхностного заряда на границе раздела подложка – барьер. В
установившемся режиме напряженность электрического поля в диэлектрическом барьере может превышать среднее значение на 50 % в зависимости от электрофизических характеристик и толщины компонентов. Показано, что в
области малых времен переходного процесса на характер распределения электрического поля влияют как относительная диэлектрическая проницаемость, так и толщина диэлектрического барьера. Экспериментальная проверка
выполнена для пяти типоразмеров стеклослюдобумажной ленты по 5-ть макетов в каждой. Установлено, что композитная изоляция с повышенным содержанием слюдинитового барьера и стеклотканью меньшей толщины имеет
на (8-16) % более высокие значения длительной электрической прочности.
Представлені результати розподілу електричного поля в високовольтній композитній ізоляції на основі запропонованої математичної моделі накопичення поверхневого заряду на межі розділу підложка – бар'єр. В сталому режимі напруженість електричного поля в діелектричному бар’єрі може перевищувати середнє значення на 50 % в залежності
від електрофізичних характеристик та товщини компонентів. Показано, що в області початку перехідного процесу
на характер розподілу електричного поля впливають відносна діелектрична проникність та товщина діелектричного
бар'єру. Експериментальна перевірка виконана для п'яти типорозмірів склослюдінітової стрічки по 5-ть макетів в
кожній. Встановлено, що композитна ізоляція з підвищеним вмістом слюдинітового бар'єру і склотканиною меншої
товщини має на (8-16) % вищі значення тривалої електричної міцності.
Introduction. Modern high-voltage systems for composite insulation of electrical machines consist of tape glass mica paper materials (dry or pre-impregnated). The electrical characteristics of a
multilayer composite insulation system are determined by both the
fractional content of the individual components and their electrophysical properties. Purpose. The analysis of the influence of electrophysical characteristics and thickness (fraction) of the dielectric
barrier on the distribution of the electric field in the composite highvoltage insulation of electrical machines. Methodology. Simulation
of surface charge accumulation at the interface between the substrate and the dielectric barrier is based on the Maxwell–Wagner
theory for interfacial polarization. Practical value. The influence of
the electrophysical characteristics and thickness of the dielectric
barrier on the distribution of the electric field has been established.
In the steady state, the electric field strength in the dielectric barrier
exceeds the average value by 50 %. In the region of small transition
times (up to 1 s), the relative dielectric constant of the barrier has a
significant effect on the distribution of the electric field. The use of a
dielectric barrier with a higher dielectric constant and fractional
content in comparison with the substrate leads to an increase in
electric field strength by 5 % relative to the average value in composite insulation. Experimental studies of the long-term electrical
strength of glass mica-belt ribbons in the cured (thermosetting) state
are consistent with the simulation results. Composite insulation
based on glass fiber mica tape with a high content of the mica barrier and fiberglass of smaller thickness has (8-16) % higher values
of long-term electric strength.
|
| first_indexed | 2025-11-28T22:07:34Z |
| format | Article |
| fulltext |
ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2018. №6 63
© А.В. Беспрозванных, А.Н. Бойко, А.В. Рогинский
УДК 621.319 doi: 10.20998/2074-272X.2018.6.09
А.В. Беспрозванных, А.Н. Бойко, А.В. Рогинский
ВЛИЯНИЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОГО БАРЬЕРА НА РАСПРЕДЕЛЕНИЕ
ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ В ВЫСОКОВОЛЬТНОЙ КОМПОЗИТНОЙ ИЗОЛЯЦИИ
ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН
Представлені результати розподілу електричного поля в високовольтній композитній ізоляції на основі запропонова-
ної математичної моделі накопичення поверхневого заряду на межі розділу підложка – бар'єр. В сталому режимі на-
пруженість електричного поля в діелектричному бар’єрі може перевищувати середнє значення на 50 % в залежності
від електрофізичних характеристик та товщини компонентів. Показано, що в області початку перехідного процесу
на характер розподілу електричного поля впливають відносна діелектрична проникність та товщина діелектричного
бар'єру. Експериментальна перевірка виконана для п'яти типорозмірів склослюдінітової стрічки по 5-ть макетів в
кожній. Встановлено, що композитна ізоляція з підвищеним вмістом слюдинітового бар'єру і склотканиною меншої
товщини має на (8-16) % вищі значення тривалої електричної міцності. Бібл. 9, рис. 5.
Ключові слова: високовольтна композитна ізоляція, діелектричний бар'єр, скловолокниста підложка, міжфазна поля-
ризація, розподіл електричного поля, тривала електрична міцність.
Представлены результаты распределения электрического поля в высоковольтной композитной изоляции на основе
предложенной математической модели накопления поверхностного заряда на границе раздела подложка – барьер. В
установившемся режиме напряженность электрического поля в диэлектрическом барьере может превышать сред-
нее значение на 50 % в зависимости от электрофизических характеристик и толщины компонентов. Показано, что в
области малых времен переходного процесса на характер распределения электрического поля влияют как относи-
тельная диэлектрическая проницаемость, так и толщина диэлектрического барьера. Экспериментальная проверка
выполнена для пяти типоразмеров стеклослюдобумажной ленты по 5-ть макетов в каждой. Установлено, что ком-
позитная изоляция с повышенным содержанием слюдинитового барьера и стеклотканью меньшей толщины имеет
на (8-16) % более высокие значения длительной электрической прочности. Библ. 9, рис. 5.
Ключевые слова: высоковольтная композитная изоляция, диэлектрический барьер, стекловолокнистая подложка,
межфазная поляризация, распределение электрического поля, длительная электрическая прочность.
Введение. Современные высоковольтные системы
композитной изоляции электрических машин состоят из
ленточных стеклослюдобумажных материалов (сухих
или предварительно пропитанных) [1, 2]. Основной
функцией такой изоляции является сохранение длитель-
ной электрической прочности в условиях продолжи-
тельно действующих тепловых, механических и термо-
механических воздействий. Высоковольтная изоляция
должна также обладать необходимым уровнем техноло-
гичности и достаточно низкой стоимостью при сохране-
нии высоких технико-эксплуатационных характеристик.
Применение в качестве диэлектрического барьера
слюдобумаги является экономически выгодным, так
как она изготавливается из отходов дефицитной и дос-
таточно дорогой щепаной слюды [1]. По сравнению с
материалами на основе щепаной слюды слюдинитовые
и слюдопластовые бумаги обладают большей равно-
мерностью по толщине, повышенной и более равно-
мерной электрической прочностью. Сочетание хоро-
шей эластичности и механической прочности позволя-
ют обеспечить получение плотной, монолитной термо-
реактивной изоляции [2]. Плоские слюдяные частицы
образуют диэлектрический барьер и, в зависимости от
условий, связываются различными пропитывающими
составами и подложками. Связующее может быть вве-
дено в состав ленты либо заранее, тогда лента называ-
ется предварительно пропитанной (Resin Rich), либо
вводится в сухие ленты после их обработки в процессе
вакуум-нагнетательной пропитки [1].
В качестве связующего используются эпоксид-
ные смолы (диановые, циклоалифатические и эпокси-
новолачные), которые имеют высокие механические
свойства, хорошую адгезию к различным материалам,
достаточную нагревостойкость (класс В и F) и коро-
ностойкость, обладают незначительным коэффициен-
том усадки (3-5) % [2].
Механическую прочность обеспечивает стекло-
тканевая подложка, которая является армирующим
материалом в такой системе. Также в ней находится
большая часть связующего состава в случае пропи-
танной ленты. Композиционная изоляция, выполнен-
ная с применением стекловолокнистых материалов,
имеет повышенный предел прочности при растяже-
нии и изгибе. Стекловолокнистые материалы отлича-
ются высокой термической устойчивостью [1, 2].
Электрические характеристики многослойной
композитной изоляционной системы определяются
как долевым содержанием отдельных компонентов,
так и их электрофизическими свойствами.
Постановка проблемы. Реальная межфазная гра-
ница раздела подложка – диэлектрический барьер имеет
поверхностный слой конечной толщины, в пределах
которого термодинамические параметры (концентрация
компонентов, давление и температура) испытывают рез-
кие изменении. Поверхностные слои каждой фазы тол-
щиной около 0,5 нм имеют особые свойства, так как
находятся в поле действия молекулярных сил соседней
фазы (так называемый эффект Ребиндера) [3].
Стремление гетерогенной системы к уменьше-
нию поверхностной энергии вызывает соответствую-
щую ориентацию полярных молекул, ионов и элек-
тронов в граничном слое, в результате чего соприка-
сающиеся фазы приобретают заряды противополож-
ного знака, но равной величины. На границе раздела
подложка – диэлектрический барьер, как на межфаз-
ных поверхностях, возникает двойной электрический
слой в результате взаимодействия соприкасающихся
64 ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2018. №6
фаз из-за избыточной поверхностной энергии [4] с
соответствующим электрическим потенциалом, по-
верхностной плотностью заряда, емкостью [5-7].
Целью статьи является анализ влияния элек-
трофизических характеристик и толщины (долевого
содержания) диэлектрического барьера на распреде-
ление электрического поля в композитной высоко-
вольтной изоляции электрических машин.
Математическая модель накопления поверх-
ностного заряда на плоской границе раздела двух
диэлектриков. Высоковольтная термореактивная
композитная изоляция электрических машина может
быть представлена в виде двух слоев диэлектрика:
стекловолокнистой подложки (1) с пропиточным со-
ставом (3) и слюдобумажной ленты (2) в качестве ди-
электрического барьера (рис. 1). Анизотропия свойств
слюды в данном случае слабо выражена.
Рис. 1. Схематичное представление трехкомпонентной
изоляции двухслойной лентой
Наиболее распространенный подход при модели-
ровании накопления поверхностного заряда на границе
раздела двух диэлектрических сред основан на теории
Максвелла – Вагнера для межфазной поляризации [8].
Гипотетическая конфигурация границы раздела
двух плоских изотропных диэлектриков с электродами
представляется конденсатором Максвелла (рис. 2). В та-
кой системе свойства изоляции изменяются в зависимо-
сти от ступенчатой функции на границе раздела сред [8].
+ +
2
1
t
h1
h2 U
+ + + +
Рис. 2. Представление накопления поверхностных зарядов
на границе раздела двух изотропных диэлектриков при
включении под постоянное напряжение U
На поверхности раздела диэлектриков диэлек-
трическая проницаемость ε (или вектор поляризации)
изменяется скачкообразно [8, 9]. Скачок нормальной
составляющей вектора электрического смещения D
равен поверхностной плотности электрических за-
рядов. Тангенциальная составляющая вектора напря-
женности электрического поля непрерывна на любой
поверхности раздела сред.
,, 2112 ttnn EEDD (1)
где D2n, D1n – нормальные составляющие вектора
электрического смещения: nn ED 2202 ,
nn ED 1101 , ε0 = 8,8510–12 Ф/м – электрическая по-
стоянная; ε1, ε2 – диэлектрические проницаемости ди-
электриков, σ – поверхностная плотность электриче-
ских зарядов; E1п, E2п – нормальные, E1t, E2t – танген-
циальные составляющие вектора напряженности
электрического поля первого и второго диэлектриков
соответственно.
В момент включения конденсатора к источнику
напряжения U поверхностная плотность σ электриче-
ских зарядов равна нулю, в результате в соответствии
с (1) напряженность электрического поля в слоях
пропорциональна диэлектрической проницаемости [8]
2211 пп EE . (2)
В следующий момент времени на распределение
электрического поля в слоях начинает влиять ток
проводимости с соответствующей плотностью J
222111 , EJEJ , (3)
где γ1 и γ2 – удельные проводимости каждого из ди-
электриков, См/м.
Так как плотности токов не равны (электрофизи-
ческие свойства диэлектриков разные), то на границе
раздела диэлектриков накапливается пространствен-
ный заряд. Переходный процесс заканчивается при
уравновешивании токов J1 и J2, а также стабилизации
поверхностного заряда на границе раздела диэлектри-
ков. Для установившегося режима напряженность
электрического поля в слоях пропорциональна удель-
ной проводимости
2211 EE . (4)
С начального момента и достижения установив-
шегося состояния общий ток в первом и втором ди-
электриках одинаков и имеет две составляющие: ак-
тивную, которая обусловлена током проводимости
(током утечки), и реактивную, обусловленная током
смещения (током абсорбции). Таким образом, плот-
ность общего тока определятся
dt
dE
E
dt
dE
EJ 2
2022
1
1011 . (5)
Сумма падения напряжения на каждом из слоев
равна приложенному напряжению на постоянном токе
UhEhE 2211 , (6)
где h1, h2 – толщина диэлектриков.
При объединении (5) и (6) дифференциальное
уравнение относительно Е1 имеет вид
UhhEhh
dt
dE
21221112210
1 )()( , (7)
решение которого ищется в виде
1221
2)(
1
12210
1221
)(
hh
UAetE
t
hh
hh
, (8)
где А – постоянная интегрирования, которая с учетом
начальных условий в момент времени t = 0 и (2), (6)
определяется как
1221
2
1221
2
hhhh
UA
. (9)
ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2018. №6 65
После подстановки (9) в (8) напряженность элек-
трического поля в первом слое двухслойного диэлек-
трика со временем изменяется в соответствии с (10)
/
12211221
21121
1221
2
1 )()(
)( t
t e
hhhh
h
U
hh
UE
,(10)
во втором – в соответствии с (11)
/
12211221
12212
1221
1
2 )()(
)( t
t e
dddd
d
U
dd
UE
,(11)
где τ – постоянная времени, c
1221
1221
0 hh
hh
. (12)
Плотность общего тока, которая состоит из тока
абсорбции и утечки, обусловленного наличием сво-
бодных зарядов, определяется по формуле (13)
.)/exp(
)()(
)(
)(
1221
21
1221
2
1221
122121
condabs JJ
hh
Ut
hhhh
hh
UtJ
(13)
Изменение во времени плотности поверхностных
зарядов t на границе раздела двух диэлектриков
может быть записано в виде
)1()( /
1221
1221
t
o eU
hh
t
. (14)
Влияние электрофизических характеристик и
толщины диэлектрического барьера на распреде-
ление электрического поля в высоковольтной
композитной изоляции. На рис. 3 представлены ре-
зультаты моделирования для двух случаев: кривые 1 –
идентичности электрофизических характеристик
барьера и подложки: = 4,5; 210–13 См/м;
кривые 2, 2' – разных: 4,5; 3,8; 210–13
См/м, 210–12См/м. Индексы 1 относятся к барье-
ру, 2 – к подложке. Толщина диэлектрического барье-
ра равна h1 = 0,1 мм, стекловолокнистой подложки –
h2 = 0,05 мм. Кривая 2 соответствует распределению
электрического поля в барьере, кривая 2' – в подложке
(рис. 3,б). Расчеты выполнены для средней напряжен-
ности электрического поля Emid = 15 кВ/мм в компо-
зитной изоляции.
При идентичности электрофизических характери-
стик поверхностные заряды не накапливаются на грани-
це раздела диэлектрических сред (кривая 1 рис. 3,а) и
напряженность электрического поля равна среднему
значению: E = Emid = 15 кВ/мм (кривая 1 рис. 3,б).
Переходный процесс – отсутствует.
В случае разных характеристик наблюдается пе-
реходный процесс длительностью порядка 10 с. В
установившемся режиме поверхностная плотность
зарядов составляет 0,85 мКл/м2 (кривая 2 на рис. 3,а),
напряженность электрического поля в диэлектриче-
ском барьере превышает среднее значение на 50 %
(кривая 2 на рис. 3,б), в подложке – ничтожно мала
(кривая 2’ на рис. 3,б).
На рис. 4 показана динамика изменения во вре-
мени распределения электрического поля при варьи-
ровании удельной проводимости, относительной ди-
электрической проницаемости и толщины диэлектри-
ческого барьера.
10
0
10
1
10
2
10
30
0.2
0.4
0.6
0.8
1x 10
-3
t, c
Kl/ m2
abs
1
2
t )
а
10
0
10
1
10
2
10
30
0.5
1
1.5
t, c
E/Emid
1
2 '
2
б
Рис. 3. Распределение плотности поверхностных зарядов (а)
и напряженности электрического поля (б) на границе
раздела подложка – диэлектрический барьер
На рис. 4,а,б кривые 1 и 2 соответствуют: 1=4,5,
2=3,8, 1 = 210–13 См/м, 2 = 210–12 См/м; кривые 1’ и
2’ – 1 = 4,5, 2=3,8, 1 = 210–13 См/м, 2 = 210–11 См/м
соответственно. Толщина диэлектрического барьера
принята равной h1 = 0,1 мм, подложки – h2 = 0,05 мм.
Долевое содержание слюды в данном случае состав-
ляет 67 % от общего объема композитной изоляции.
Влияние на распределение электрического поля
относительной диэлектрической проницаемости и
толщины барьера показано на рис. 4,в. Кривые 1 и 2
соответствуют характеристикам: 1=4,5, 2=3,8, 1 =
= 210–13 См/м, 2 = 210–12 См/м, h1 = 0,1 мм, h2 = 0,05 мм.
Кривые 1’ и 2’: 1=3,8, 2=4,5, 1 = 210–13 См/м,2 =
= 210–12 См/м; h1 = 0,1 мм, h2 = 0,05 мм. Кривые 1’’ и
2’’: 1=4,5, 2=3,8, 1 = 210–13 См/м, 2 = 210–12 См/м,
h1 = 0,05 мм, h2 = 0,1 мм.
В области малых времен переходного процесса
(10 мс – 1 с) на характер распределения электрическо-
го поля существенное влияние оказывает соотноше-
ние между диэлектрическими проницаемостями барь-
ера и подложки при их неизменной толщине. В слу-
чае, когда 1 < 2, напряженность электрического по-
ля в барьере превышает среднее значение в 1,05, в то
время как в подложке – в 1,1 раза соответственно
(сравни кривые 1’ и 2 рис. 4,в). Данный факт особенно
важен при работе под переменным напряжением: ди-
электрический барьер обеспечивает длительную элек-
трическую прочность композитной изоляции.
Уменьшение толщины диэлектрического барьера
(долевого содержания) при условии, что 1 > 2, при-
водит к повышению напряженности электрического
поля, хотя и «разгружает» в электрическом отноше-
нии подложку (сравни кривые 1’’ и 1’ рис. 4,в).
66 ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2018. №6
10
0
10
1
10
2
10
30
0.5
1
1.5
E/Emid
t, c
1
2
1'
2'
а – полулогарифмический масштаб
10
0
10
1
10
2
10
310
-2
10
-1
10
0
E/Emid
t, c
1
2
1'
2'
б – двойной логарифмический масштаб
10
-2
10
-1
10
0
10
1
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
t, c
E/Emid
1
2
1'
2'
2''
1''
в – полулогарифмический масштаб
Рис. 4. Влияние на распределение электрического поля
электрофизических характеристик и толщины компонентов
на границе раздела подложка – диэлектрический барьер
Экспериментальная проверка влияния долево-
го содержания слюдобумажной ленты на длитель-
ную электрическую прочность образцов композит-
ной высоковольтной изоляции. Для опробования лент
в отвержденном состоянии изготовлено по 5 макетов с
каждой стеклослюдобумажной лентой разной толщины
разных производителей: 1 – h = 0,15 мм, 2 – h = 0,14 мм,
3 – h = 0,14 мм, 4 – h = 0,18 мм, 5 – h= 0,18 мм.
Макеты представляют медные шины размером
6×30×800 мм, которые изолированы на лентоизолиро-
вочном станке ЛИСП-4 с подогревом ленты до темпе-
ратуры 50-60 С и натяжением 40-60Н. Макеты, за-
крытые планками по широким граням, опрессованы
гидростатическим способом. Длительная электриче-
ская прочность готовых макетов определена при не-
прерывной выдержке под напряжением из расчета
15 кВ/мм промышленной частоты.
Корректность адекватности результатов модели-
рования на постоянном токе экспериментальными
исследованиями на переменном допустима, т.к. в об-
ласти малых времен переходного процесса проявляет-
ся влияние, как электрофизических характеристик,
так и долевого содержания диэлектрического барьера
на распределение электрического поля в композитной
изоляции (см. рис. 4,а-в) [длительная электрическая
прочность на переменном токе частоты 50 Гц меньше
в сравнении с постоянным за счет больших потерь,
обусловленных процессом поляризации].
На рис. 5 приведены результаты испытаний дли-
тельной электрической прочности макетов в зависи-
мости от толщины композитной изоляции. Инте-
гральные функции распределения длительной элек-
трической прочности приведены на рис. 5,а, средние
значения – на рис. 5,б.
20 25 30 35
0.05
0.10
0.25
0.50
0.75
0.90
0.95
Ebr, kV/mm
P
ro
b
ab
ili
ty
Normal Probability Plot
1
2 3
4
5
а
0.14 0.15 0.16 0.17 0.18
24.5
25
25.5
26
26.5
27
27.5
28
28.5
29
h,mm
Emidbr,
kV/mm
б
Рис. 5. Влияние слюдинитового барьера на длительную
электрическую прочность композитной высоковольтной
изоляции электрических машин
Наименьший разброс значений пробивной элек-
трической прочности имеют системы изоляции толщи-
ной h = 0,14 мм (кривая 3 рис. 5,а), что может быть
связано с более равномерной толщиной стеклослюдо-
бумажной ленты за счет применения другого типа свя-
зующего. Наклон интегральной функции распределе-
ния электрической прочности макетов с данной систе-
мой изоляции существенно отличается от остальных
(сравни кривую 3 с кривыми 1, 2, 4, 5 на рис. 5,а).
Для образца толщиной композитной изоляции
h = 0,15 мм (кривая 1 рис. 5,а) наблюдается наиболь-
шее значение длительной электрической прочности:
на уровне 50 % вероятности среднее значение равно
28,75 кВ/мм (рис. 5,б). В данном макете применена
лента с повышенным содержанием слюдинитового
барьера и стеклоткань меньшей толщины (в соответ-
ствии с техническим описанием на ленту).
Выводы. Впервые получено распределение
электрического поля в высоковольтной композитной
изоляции электрических машин на основе предло-
женной математической модели накопления поверх-
ностного заряда на плоской границе раздела подлож-
ка – диэлектрический барьер.
ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2018. №6 67
Установлено, что в установившемся режиме на-
пряженность электрического поля в барьере превышает
среднее значение на 50 % в зависимости от электрофи-
зических характеристик и толщины компонентов.
В области малых времен переходного процесса
(до 1 с) существенное влияние на характер распреде-
ления электрического поля в композитной изоляции
оказывает относительная диэлектрическая проницае-
мость барьера. Применение диэлектрического барьера
с большей диэлектрической проницаемостью и доле-
вым содержанием в сравнении с подложкой приводит
к увеличению на 5 % напряженности электрического
поля относительно среднего значения.
Экспериментальные исследования длительной
электрической прочности макетов стеклослюдобуж-
ных лент в отвержденном (термореактивном) состоя-
нии согласуются с результатами моделирования.
Композитная изоляция на основе стеклослюди-
нитовой ленты с повышенным содержанием слюди-
нитового барьера и стеклотканью меньшей толщины
имеет на (8 – 16) % более высокие значения длитель-
ной электрической прочности.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Электроизоляционные материалы и системы изоляции
для электрических машин. В двух книгах. Кн. 2 / В.Г.
Огоньков и др.; под. ред. В.Г. Огонькова, С.В. Серебрянни-
кова. – М.: Издательский дом МЭИ, 2012. – 304 с.
2. Пак В.М., Трубачев С.Г. Новые материалы и системы
изоляции высоковольтных электрических машин. – М.:
Энергоатомиздат, 2007. – 416 с.
3. Ребиндер П.А. О влиянии изменений поверхностной энер-
гии на спайность, твердость и другие свойства кристаллов //
Съезд русских физиков. Перечень докладов, представленных на
съезд, с кратким их содержанием. – М. – Л.: ГИЗ, 1928. – С. 29.
4. Гиббс Дж.В. Термодинамика. Статистическая механика.
– М.: Наука, 1982. – 584 с.
5. Михайлов В.М. Исходные соотношения и приближен-
ные граничные условия для расчета поля в системах с тон-
кими слоями // Электричество. – 2007. – №3. – С. 49-55.
6. Ким Ен Дар, Калмыков В.Л. Исследование электрического
поля изоляционной конструкции с тонкими протяженными
областями // Вестник НТУ «ХПИ». – 2005. – №42. – С. 65-70.
7. Беспрозванных А.В., Бойко А.Н. Распределение плотно-
сти поверхностных зарядов на границе раздела контакти-
рующих изолированных проводников // Технічна електро-
динаміка. – 2014. – №6. – С. 18-23.
8. Хиппель А.Р. Диэлектрики и волны. – М.: Издательство
иностранной литературы, 1960. – 439 с.
9. Демирчян К.С., Нейман Л.Р., Коровкин Н.В., Чечурин
В.Л. Теоретические основы электротехники: В 3-х т. Учеб-
ник для вузов. – СПб.: Питер, 2003. – 463 с.
REFERENCES
1. Ogonkov V.G., Serebryannikov S.V. Elektroizoliatsionnye
materialy i sistemy izoliatsii dlia elektricheskikh mashin. V
dvukh knigakh. Kn. 2 [Electrical insulation materials and insula-
tion systems for electrical machines. In 2 books. Book 2]. Mos-
cow, Publishing house MEI, 2012. 304 p. (Rus).
2. Pak V.M., Trubachev S.G. Novye materialy i sistemy izoliat-
sii vysokovol'tnykh elektricheskikh mashin [New materials and
systems for isolation of high-voltage electrical machines]. Mos-
cow, Energoatomizdat Publ., 2007. 416 p. (Rus).
3. Rebinder P.A. O vliianii izmenenii poverkhnostnoi energii
na spainost', tverdost' i drugie svoistva kristallov [On the effect
of changes in surface energy on the cleavage, hardness and other
properties of crystals]. Congress of Russian physicists. The list
of reports submitted to the congress, with a brief summary.
Moscow - Leningrad, 1928. 29p. (Rus).
4. Gibbs J.V. Termodinamika. Statisticheskaia mekhanika
[Thermodynamics. Statistical mechanics]. Moscow, Nauka
Publ., 1982. 584 p. (Rus).
5. Mikhailov V.M. Initial relations and approximate boundary
conditions for calculating the field in systems with thin layers.
Electricity, 2007, no.3, pp. 49-55. (Rus).
6. Kim Yong Dar, Kalmykov V.L. Study of the electric field of
an insulating structure with thin extended areas. Bulletin of NTU
«KhPI», 2005, no.42, pp. 65-70. (Rus).
7. Bezprozvannych G.V., Boyko A.N. Distribution of surface
density of charges on the interface between contacting isolated
conductors of the cables. Technical Electrodynamics, 2014,
no.6. pp. 18-23. (Rus).
8. Hippel A.R. Dielektriki i volny [Dielectrics and waves].
Moscow, Publ. House of Foreign Literature, 1960. 439 p. (Rus).
9. Demirchian K.S., Neiman L.R., Korovkin N.V., Chechurin
V.L. Teoreticheskie osnovy elektrotekhniki: V 3-kh t. Uchebnik
dlia vuzov [Theoretical bases of electrical engineering. In 3
vols.]. St. Petersburg, Piter Publ, 2003. 463 p. (Rus).
Поступила (received) 14.07.2018
Беспрозванных Анна Викторовна1, д.т.н., проф.,
Бойко Антон Николаевич2, к.т.н.,
Рогинский Александр Владимирович3, аспирант,
1 Национальный технический университет
«Харьковский политехнический институт»,
61002, Харьков, ул. Кирпичева, 2,
e-mail: bezprozvannych@kpi.kharkov.ua
2 Компания «WebMeridian в Украине»,
61002, Харьков, ул. Чернышевского, 13,
3 Государственное предприятие «Завод «Электротяжмаш»,
61089, Харьков, Московский проспект, 299,
e-mail: roginskiy.av@gmail.com
G.V. Bezprozvannych1, A.N. Boyko2, A.V. Roginskiy3
1 National Technical University «Kharkiv Polytechnic Institute»,
2, Kyrpychova Str., Kharkiv, 61002, Ukraine.
2 Company «WebMeridian in Ukraine»,
13, Chernyshevskogo Str., Kharkiv, 61002, Ukraine.
3 SE Рlant Electrotyazhmash,
299, Moskovsky Ave., Kharkiv, 61089, Ukraine.
Effect of a dielectric barrier on the electric field distribution in
high-voltage composite insulation of electric machines.
Introduction. Modern high-voltage systems for composite insula-
tion of electrical machines consist of tape glass mica paper materi-
als (dry or pre-impregnated). The electrical characteristics of a
multilayer composite insulation system are determined by both the
fractional content of the individual components and their electro-
physical properties. Purpose. The analysis of the influence of elec-
trophysical characteristics and thickness (fraction) of the dielectric
barrier on the distribution of the electric field in the composite high-
voltage insulation of electrical machines. Methodology. Simulation
of surface charge accumulation at the interface between the sub-
strate and the dielectric barrier is based on the Maxwell–Wagner
theory for interfacial polarization. Practical value. The influence of
the electrophysical characteristics and thickness of the dielectric
barrier on the distribution of the electric field has been established.
In the steady state, the electric field strength in the dielectric barrier
exceeds the average value by 50 %. In the region of small transition
times (up to 1 s), the relative dielectric constant of the barrier has a
significant effect on the distribution of the electric field. The use of a
dielectric barrier with a higher dielectric constant and fractional
content in comparison with the substrate leads to an increase in
electric field strength by 5 % relative to the average value in com-
posite insulation. Experimental studies of the long-term electrical
strength of glass mica-belt ribbons in the cured (thermosetting) state
are consistent with the simulation results. Composite insulation
based on glass fiber mica tape with a high content of the mica bar-
rier and fiberglass of smaller thickness has (8-16) % higher values
of long-term electric strength. References 9, figures 5.
Key words: high-voltage composite insulation, dielectric bar-
rier, fiberglass substrate, interfacial polarization, electric
field distribution, long-term electrical strength.
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-147971 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 2074-272X |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-11-28T22:07:34Z |
| publishDate | 2018 |
| publisher | Інститут технічних проблем магнетизму НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Беспрозванных, А.В. Бойко, А.Н. Рогинский, А.В. 2019-02-16T12:37:03Z 2019-02-16T12:37:03Z 2018 Влияние диэлектрического барьера на распределение электрического поля в высоковольтной композитной изоляции электрических машин / А.В. Беспрозванных, А.Н. Бойко, А.В. Рогинский // Електротехніка і електромеханіка. — 2018. — № 6. — С. 63-67. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. 2074-272X DOI: https://doi.org/10.20998/2074-272X.2018.6.09 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/147971 621.319 Представлены результаты распределения электрического поля в высоковольтной композитной изоляции на основе предложенной математической модели накопления поверхностного заряда на границе раздела подложка – барьер. В установившемся режиме напряженность электрического поля в диэлектрическом барьере может превышать среднее значение на 50 % в зависимости от электрофизических характеристик и толщины компонентов. Показано, что в области малых времен переходного процесса на характер распределения электрического поля влияют как относительная диэлектрическая проницаемость, так и толщина диэлектрического барьера. Экспериментальная проверка выполнена для пяти типоразмеров стеклослюдобумажной ленты по 5-ть макетов в каждой. Установлено, что композитная изоляция с повышенным содержанием слюдинитового барьера и стеклотканью меньшей толщины имеет на (8-16) % более высокие значения длительной электрической прочности. Представлені результати розподілу електричного поля в високовольтній композитній ізоляції на основі запропонованої математичної моделі накопичення поверхневого заряду на межі розділу підложка – бар'єр. В сталому режимі напруженість електричного поля в діелектричному бар’єрі може перевищувати середнє значення на 50 % в залежності від електрофізичних характеристик та товщини компонентів. Показано, що в області початку перехідного процесу на характер розподілу електричного поля впливають відносна діелектрична проникність та товщина діелектричного бар'єру. Експериментальна перевірка виконана для п'яти типорозмірів склослюдінітової стрічки по 5-ть макетів в кожній. Встановлено, що композитна ізоляція з підвищеним вмістом слюдинітового бар'єру і склотканиною меншої товщини має на (8-16) % вищі значення тривалої електричної міцності. Introduction. Modern high-voltage systems for composite insulation of electrical machines consist of tape glass mica paper materials (dry or pre-impregnated). The electrical characteristics of a multilayer composite insulation system are determined by both the fractional content of the individual components and their electrophysical properties. Purpose. The analysis of the influence of electrophysical characteristics and thickness (fraction) of the dielectric barrier on the distribution of the electric field in the composite highvoltage insulation of electrical machines. Methodology. Simulation of surface charge accumulation at the interface between the substrate and the dielectric barrier is based on the Maxwell–Wagner theory for interfacial polarization. Practical value. The influence of the electrophysical characteristics and thickness of the dielectric barrier on the distribution of the electric field has been established. In the steady state, the electric field strength in the dielectric barrier exceeds the average value by 50 %. In the region of small transition times (up to 1 s), the relative dielectric constant of the barrier has a significant effect on the distribution of the electric field. The use of a dielectric barrier with a higher dielectric constant and fractional content in comparison with the substrate leads to an increase in electric field strength by 5 % relative to the average value in composite insulation. Experimental studies of the long-term electrical strength of glass mica-belt ribbons in the cured (thermosetting) state are consistent with the simulation results. Composite insulation based on glass fiber mica tape with a high content of the mica barrier and fiberglass of smaller thickness has (8-16) % higher values of long-term electric strength. ru Інститут технічних проблем магнетизму НАН України Електротехніка і електромеханіка Техніка сильних електричних та магнітних полів. Кабельна техніка Влияние диэлектрического барьера на распределение электрического поля в высоковольтной композитной изоляции электрических машин Effect of a dielectric barrier on the electric field distribution in high-voltage composite insulation of electric machines Article published earlier |
| spellingShingle | Влияние диэлектрического барьера на распределение электрического поля в высоковольтной композитной изоляции электрических машин Беспрозванных, А.В. Бойко, А.Н. Рогинский, А.В. Техніка сильних електричних та магнітних полів. Кабельна техніка |
| title | Влияние диэлектрического барьера на распределение электрического поля в высоковольтной композитной изоляции электрических машин |
| title_alt | Effect of a dielectric barrier on the electric field distribution in high-voltage composite insulation of electric machines |
| title_full | Влияние диэлектрического барьера на распределение электрического поля в высоковольтной композитной изоляции электрических машин |
| title_fullStr | Влияние диэлектрического барьера на распределение электрического поля в высоковольтной композитной изоляции электрических машин |
| title_full_unstemmed | Влияние диэлектрического барьера на распределение электрического поля в высоковольтной композитной изоляции электрических машин |
| title_short | Влияние диэлектрического барьера на распределение электрического поля в высоковольтной композитной изоляции электрических машин |
| title_sort | влияние диэлектрического барьера на распределение электрического поля в высоковольтной композитной изоляции электрических машин |
| topic | Техніка сильних електричних та магнітних полів. Кабельна техніка |
| topic_facet | Техніка сильних електричних та магнітних полів. Кабельна техніка |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/147971 |
| work_keys_str_mv | AT besprozvannyhav vliâniediélektričeskogobarʹeranaraspredelenieélektričeskogopolâvvysokovolʹtnoikompozitnoiizolâciiélektričeskihmašin AT boikoan vliâniediélektričeskogobarʹeranaraspredelenieélektričeskogopolâvvysokovolʹtnoikompozitnoiizolâciiélektričeskihmašin AT roginskiiav vliâniediélektričeskogobarʹeranaraspredelenieélektričeskogopolâvvysokovolʹtnoikompozitnoiizolâciiélektričeskihmašin AT besprozvannyhav effectofadielectricbarrierontheelectricfielddistributioninhighvoltagecompositeinsulationofelectricmachines AT boikoan effectofadielectricbarrierontheelectricfielddistributioninhighvoltagecompositeinsulationofelectricmachines AT roginskiiav effectofadielectricbarrierontheelectricfielddistributioninhighvoltagecompositeinsulationofelectricmachines |