ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРОХОДНОЙ ИЗОЛЯТОР
ELECTRIC BUSHING INSULATOR

Область техники
Настоящее изобретение относится к области технологии высокого напряжения и, в частности, к проходным изоляторам высокого напряжения для обеспечения электрической изоляции проводника.
Предшествующий уровень техники
Проходные изоляторы высокого напряжения используют для переноса тока при высоком потенциале через плоскость, часто именуемую плоскостью заземления, где плоскость находится при другом потенциале, нежели потенциал пути тока. Проходные изоляторы высокого напряжения спроектированы для электрической изоляции проводника высокого напряжения, расположенного внутри проходного изолятора, от плоскости заземления. Плоскостью заземления может являться, например, поверхность бака трансформатора или стенка.
Для достижения сглаживания распределения электрического потенциала между проводником и плоскостью заземления проходной изолятор часто содержит несколько незакрепленных коаксиальных листов фольги, изготовленных из проводящего материала и коаксиально окружающих проводник высокого напряжения, причем коаксиальные листы фольги образуют так называемую сердцевину конденсатора. Листы фольги могут быть изготовлены, например, из алюминия, и они обычно бывают отделены диэлектрическим изолирующим материалом, таким как, например, бумага, пропитанная маслом или смолой. Коаксиальные листы фольги служат для сглаживания распределения электрического поля между областью снаружи проходного изолятора и внутренним проводником высокого напряжения, со снижением, таким образом, усиления локального поля. Коаксиальные листы фольги служат для образования более однородного электрического поля и, таким образом, снижают риск электрического пробоя и последующего термического повреждения.
Такие коаксиальные листы фольги обычно обеспечивают эффективное емкостное выравнивание электрического поля внутри проходного изолятора. Однако усиление локального поля вблизи кромок листа фольги, как правило, остается. Поле с повышенной напряженностью на кромках листа фольги ограничивает рабочее напряжение, которое может быть приложено между проводником высокого напряжения и плоскостью заземления.
Усилия, направленные на выравнивание электрического поля на кромках листа фольги сердцевины конденсатора проходного изолятора, раскрыты в Патенте США № 4370514. Здесь двухслойные листы фольги, содержащие электропроводящий слой и изолирующий слой, расположены коаксиально вокруг проводника высокого напряжения, где изолирующий слой обладает высокой диэлектрической постоянной. На кромках двухслойные листы фольги складывают таким образом, чтобы изолирующий слой окружал электропроводящий слой, для повышения способности проходного изолятора выдерживать частичные коронные разряды и импульсные напряжения. В Патенте США № 4370514 также обсуждается возможность ограничения напряженности поля вокруг кромок листа фольги за счет ограничения листа фольги каплеобразным расширением, для получения радиуса кривизны на кромке, который должен быть насколько возможно большим.
Технологии для снижения напряженности поля на кромках листа фольги, обсуждавшиеся в Патенте США № 4370514, повышают радиус сердцевины конденсатора, а следовательно, и радиус проходного изолятора. Поскольку энерготехнология совершенствуется, повышенные напряжения могут быть использованы в различных применениях, и требуются проходные изоляторы, которые могут выдерживать повышенные потенциалы. В то же время физическое пространство, доступное для проходного изолятора, обычно бывает ограниченным. Поэтому является желательным создание проходных изоляторов, которые обладают повышенным соотношением между свойствами устойчивости к напряжению и диаметром проходного изолятора.
Краткое изложение существа изобретения
Задачей настоящего изобретения является обеспечение проходного изолятора, обладающего повышенным соотношением между свойствами устойчивости к напряжению и диаметром проходного изолятора.
Эта задача решается с помощью электрического проходного изолятора для обеспечения электрической изоляции проводника, проходящего сквозь проходной изолятор. Проходной изолятор содержит, по меньшей мере, один лист проводящей фольги, расположенный концентрически вокруг местоположения проводника, и, по меньшей мере, одной детали из материала для выравнивания поля (FGM), содержащей (и обычно изготовленной из) материал для выравнивания поля и, по меньшей мере, частично расположенной в удлинении, по меньшей мере, части кромки листа проводящей фольги. FGM-деталь и лист проводящей фольги, в удлинении которого установлена FGM-деталь, электрически контактируют друг с другом.
Электрическое поле на кромке листа фольги будет, таким образом, выравниваться FGM-деталью при локальных напряженностях электрического поля выше пороговой напряженности электрического поля материала для выравнивания поля. Поскольку повышенная напряженность электрического поля на кромках листа фольги часто ограничивается при попытке уменьшения размеров проходного изолятора, спроектированного под конкретное напряжение, или при попытке повышения номинального напряжения для доведения проходного изолятора до определенных размеров, выравнивание поля, достигаемое за счет FGM-детали на кромке листа фольги, предусматривает повышенное соотношение между свойствами устойчивости к напряжению и диаметром проходного изолятора.
Материал для выравнивания поля преимущественно может представлять собой материал для нелинейного выравнивания поля.
При использовании материала для нелинейного выравнивания поля FGM-деталь, как правило, будет обеспечивать эффективное выравнивание поля в широком диапазоне напряжений.
Материал для выравнивания поля может быть, например, выбран таким образом, чтобы пороговая величина электрического поля материала для выравнивания поля, выше которого способность к выравниванию поля материала для выравнивания поля повышается нелинейно с ростом напряженности электрического поля, находилась выше локальной напряженности электрического поля, ожидаемой на кромке листа фольги при номинальном напряжении проходного изолятора. Часто материал для выравнивания поля выбирают таким образом, чтобы пороговая величина электрического поля материала для выравнивания поля находилась выше локальной напряженности магнитного поля, ожидаемой на кромке листа фольги при удвоенном номинальном напряжении проходного изолятора. В некоторых вариантах осуществления используют материал для выравнивания поля, который имеет пороговую величину электрического поля, которая находится ниже локальной напряженности электрического поля, ожидаемой на кромке листа фольги при номинальном напряжении проходного изолятора. При использовании FGM-детали, которая обеспечивает выравнивание поля также и при номинальном напряжении, влияния изнашивания вокруг кромок листа фольги могут быть смягчены.
В одном варианте осуществления расстояние удлинения, на которое проходит FGM-деталь за пределы, по меньшей мере, части кромки листа проводящей фольги, по существу соответствует расстоянию, разделяющему листы фольги между собой. Таким образом, может быть достигнута ситуация, при которой исходно повышенная напряженность электрического поля на кромке листа фольги может быть снижена до уровня, аналогичного тому, который обнаружен в объеме сердцевины конденсатора.
Расстояние удлинения можно выбрать, например, таким образом, чтобы напряженность электрического поля на кромке FGM-детали была бы ниже пороговой величины частичного разряда диэлектрического изолирующего материала, даже для напряжений выше удвоенного номинального напряжения проходного изолятора.
Проходной изолятор может содержать множество концентрически расположенных листов проводящей фольги, причем каждый лист проводящей фольги имеет две внешние кромки листа фольги. В одном варианте осуществления FGM-деталь установлена в удлинении почти каждой внешней кромки листа фольги, например, в удлинении каждой внешней кромки листа фольги, на которой в противном случае локальное поле было бы значительно повышено. Для некоторых геометрических форм повышение локального поля на некоторых кромках листа фольги, например на кромках самого внутреннего листа фольги, возможно, не приводит к такому сильному повышению локального поля, как у большинства листов проводящей фольги. При снабжении практически каждой внешней кромки листа фольги проходного изолятора FGM-деталью риск выхода из строя проходного изолятора из-за локального возрастания электрического поля на внешних кромках листа фольги может быть минимизирован для ситуаций, когда напряженность поля равномерно распределена по кромкам листа фольги, как, например, при номинальном напряжении или при выдерживаемом напряжении.
Лист проводящей фольги электрического проходного изолятора может иметь внутренние кромки, такие как, например, кромки отверстия в листе проводящей фольги, через которое могут быть установлены проводящие выводы, или кромки между двумя цилиндрическими и расположенными аксиально частями листа проводящей фольги, образующими лист проводящей фольги. В одном варианте осуществления FGM-деталь, по меньшей мере, частично расположена в удлинении, по меньшей мере, части внутренней кромки листа фольги. Эффективное выравнивание поля, таким образом, может быть получено также вокруг таких внутренних кромок листа фольги.
Для дальнейшего улучшения свойств выравнивания поля FGM-детали внешняя кромка FGM-детали может иметь геометрическую форму, выравнивающую поле.
FGM-деталь может быть изготовлена, например, из ленты материала для выравнивания поля, обладающего нелинейными электрическими свойствами.
В качестве альтернативы FGM-деталь может быть изготовлена, например, из материала для выравнивания поля, который был приложен, по меньшей мере, к части диэлектрического изолятора, установленного для обеспечения изоляции между соседними листами проводящей фольги.
Дополнительные особенности изобретения представлены в следующем подробном описании и в прилагаемой формуле изобретения.
Краткое описание чертежей
В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов осуществления изобретения со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых:
Фиг.1 изображает схематическую иллюстрацию примера проходного изолятора, имеющего сердцевину конденсатора.
Фиг.2 изображает результаты моделирования электрического поля вблизи кромок листа проводящей фольги, при наличии FGM-детали и без таковой.
Фиг.3a-c изображают различные примеры того, как FGM-деталь может быть установлена на внешних кромках цилиндрического листа проводящей фольги.
Фиг.4 изображает пример FGM-детали, установленной на внутренней кромке листа проводящей фольги.
Фиг.5a изображает результаты моделирования напряженности электрического поля в осевом направлении проходного изолятора вблизи кромки листа проводящей фольги для множества различных значений расстояния удлинения.
Фиг.5b изображает результаты моделирования напряженности электрического поля в осевом направлении проходного изолятора вблизи кромки листа проводящей фольги для многих различных значений расстояния удлинения для материала FGM, отличного от материала согласно фиг.5a.
Фиг.6 изображает поперечное сечение примера FGM-детали, имеющей кромку, которая геометрически расположена таким образом, чтобы дополнительно обеспечить геометрическое выравнивание поля.
Фиг.7 изображает график, показывающий результаты моделирования напряженности электрического поля вблизи кромки листа проводящей фольги, при наличии (непрерывная линия) и отсутствии (прерывистая линия) FGM-детали.
Описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения
Фиг.1 схематически изображает проходной изолятор 100, содержащий полый удлиненный изолятор 105, через который проходит проводник 110. На каждом конце проводника 110 обеспечена электрическая клемма 112 для подключения проводника 110 к электрическим системам или устройствам. Проходной изолятор 100 согласно фиг.1, кроме того, содержит сердцевину 115 конденсатора. На фиг.1 был показан проводник 110, образующий часть проходного изолятора 100. Однако некоторые проходные изоляторы 100 не включают в себя проводник 110, а включают в себя трубкообразное отверстие в местоположении для проводника, в которое проводник 110 может быть вставлен.
Сердцевина 115 конденсатора согласно фиг.1 содержит несколько листов 120 фольги, которые разделены диэлектрическим изолятором 123. Диэлектрический изолятор 123 обычно изготавливают из твердого изолирующего материала, такого как бумага, пропитанная маслом или смолой. Листы 120 фольги обычно устанавливают коаксиально, и они могут быть изготовлены, например, из алюминия или другого проводящего материала. Листы 120 фольги могут быть объединены с диэлектрическим материалом или отделены от диэлектрического материала. Объединение листа фольги с диэлектрическим материалом можно осуществлять, например, посредством способа вакуумной металлизации или путем нанесения на диэлектрический материал проводящей пасты. Сердцевина 115 конденсатора может иметь форму, например, цилиндра или цилиндра, имеющего коническую концевую часть, как показано на фиг.1. Листы фольги часто имеют цилиндрическую форму. Зачастую осевая длина внешнего листа 120 фольги бывает меньшей, чем осевая длина внутреннего листа 120 фольги, для поддержания одинаковой площади различных листов 120 фольги в сердцевине 115 конденсатора.
Проходной изолятор согласно фиг.1 дополнительно содержит фланец 125, к которому прикреплен изолятор 105. Фланец 125 можно использовать для соединения проходного изолятора 100 с плоскостью 130, через которую должен проходить проводник 110. Часто фланец 125 электрически подключают к самому внешнему листу 120 проводящей фольги, как показано на фиг.1, посредством соединения 135. Плоскость 130 можно подключить к заземлению, или она может иметь потенциал, который отличается от потенциала заземления. Однако для простоты описания при ссылке на плоскость 130 будет использован термин «заземленная плоскость».
При использовании проходного изолятора 100 сердцевина 115 конденсатора действует как делитель напряжения и распределяет поле по сердцевине конденсатора 115 почти равномерно.
Тогда как листы 120 проводящей фольги эффективно служат для емкостного выравнивания электрического поля в пределах проходного изолятора 100, электрическое поле вблизи кромок листа проводящей фольги локально усиливается из-за граничных эффектов. Как правило, усиление электрического поля на кромках листа фольги бывает тем сильнее, чем тоньше лист 120 фольги (в предельном случае при крайне тонких листах 120 фольги, напряженность электрического поля на кромках формально стремится к бесконечности). Поскольку высокие напряженности электрического поля на кромках листа фольги могут вызвать неисправность, с точки зрения, например, частичного разряда или искрения, выравнивание поля может быть выгодным.
Согласно настоящей технологии, выравнивание поля на кромке листа фольги может быть достигнуто за счет размещения детали из материала для выравнивания поля (FGM) (по меньшей мере, частично) в удлинении, по меньшей мере, части кромки листа 120 проводящей фольги таким образом, чтобы FGM-деталь находилась в электрическом контакте с листом проводящей фольги, причем FGM-деталь изготовлена из материала, выравнивающего поле.
FGM-деталь может быть сконструирована таким образом, чтобы можно было обеспечить эффективное выравнивание поля для определенного диапазона напряжений на проходном изоляторе 100 в радиальном направлении. Например, FGM-деталь может быть сконструирована для обеспечения эффективного выравнивания поля при напряжении и/или выше напряжения, при котором локальное повышение напряженности электрического поля на кромке листа проводящей фольги может быть доведено до нужных значений для проходного изолятора 100, если меры по выравниванию поля не были предприняты. Можно успешно выбрать состояние критического напряжения, соответствующее конкретному напряжению на проходном изоляторе 100, выше которого желательно наиболее эффективное выравнивание поля (такое напряжение здесь называется критическим напряжением). В зависимости от конструкции проходного изолятора 100 критическое напряжение может, например, представлять собой номинальное напряжение проходного изолятора; выдерживаемое напряжение проходного изолятора, т.е. напряжение более высокое, чем номинальное напряжение, которое проходной изолятор 100 способен выдерживать в течение длительного периода времени (как правило, удвоенное номинальное напряжение); напряжение, возникающее при импульсе освещения (например, напряжение базисного уровня изоляции (BIL), также именуемое выдерживаемое напряжение базисного импульса), или высокочастотное или переходное напряжение (при величине, например, в 3-5 раз превышающей номинальное напряжение).
Материал для выравнивания поля может успешно представлять собой материал для нелинейного выравнивания поля, конструкция которого, таким образом, обеспечивает эффективное выравнивание поля в широком диапазоне напряжений. Подходящий материал для нелинейного выравнивания поля обладает электрическими свойствами, которые зависят от локальной напряженности E электрического поля, которой подвергается материал, таким образом, чтобы при высоких электрических полях была достигнута высокая степень выравнивания поля, в то время как воздействие на распределение поля при более низких электрических полях невелико или ничтожно мало. Свойство нелинейного выравнивания поля материала для выравнивания поля является следствием наличия материала, обладающего электропроводностью или диэлектрической проницаемостью, которая нелинейно зависит от электрического поля.
b
b
b
b
b
Материалы для нелинейного выравнивания поля обычно связаны (в зависимости от материала) c пороговой величиной E электрического поля, выше которой свойства выравнивания поля материала быстро изменяются с ростом электрического поля, тогда как для электрических полей, обладающих величиной ниже пороговой величины E, эффект выравнивания поля, достигаемый материалом для выравнивания поля, является значительно более низким или пренебрежимо малым. Из-за изменений электрических свойств материала при видоизменениях электрического поля неравномерное распределение электрического поля, при котором электрическое поле локально (по меньшей мере) превышает пороговую величину E электрического поля, будет в присутствии FGM-материала становиться более равномерным, чем в отсутствие FGM-материала, поскольку электростатическое напряжение в области/на участках, где напряженность электрического поля исходно превышала E, будет снижено. В зависимости от состава материала для выравнивания поля пороговая величина E электрического поля может быть более или менее резкой.
Материалы для выравнивания поля могут представлять собой, например, полимерные композиционные материалы, где изолирующий полимер заполнен частицами, повышающими нелинейные электрические свойства. Нелинейные электрические свойства могут быть достигнуты, например, за счет природной нелинейности свойств материала частиц наполнителя, эффекта межзеренной границы или сочетания этих двух эффектов. Размер частиц наполнителя может находиться, например, в пределах диапазона 10-150 мкм, или 10-100 нм, или можно использовать любой другой подходящий размер частиц. Все частицы наполнителя могут представлять собой один и тот же материал, или можно использовать смесь частиц различного состава. Материал для нелинейного выравнивания поля может обладать нелинейными резистивными свойствами (свойствами нелинейного варистора), вследствие чего проводимость возрастает нелинейно с ростом напряженности электрического поля, или нелинейными емкостными свойствами, вследствие чего диэлектрическая постоянная возрастает нелинейно с ростом напряженности электрического поля.
0
b
b
b
b
2
2
3
r
b
b
3
α+1
Типичные нелинейные резистивные материалы для выравнивания поля обладают низкой и почти постоянной проводимостью σ ниже пороговой величины E электрического поля, тогда как для электрических полей выше E проводимость резко возрастает с ростом электрического поля. Ниже E нелинейные резистивные материалы для выравнивания поля обычно обладают электрическими свойствами, близкими к электрическим свойствам изоляторов, в зависимости от количества наполнителя в материале для выравнивания поля. Выше E соотношение ток - напряжение, как правило, можно описать как I∝V, где α>0. Примерами материалов, которые можно использовать в качестве частиц наполнителя для достижения нелинейных резистивных свойств материала для выравнивания поля, являются SiC, ZnO, TiO, SnO, BaTiO, сажа или наполнители в виде полупроводниковых полимеров. Нелинейные емкостные материалы для выравнивания поля обладают низкой и почти постоянной диэлектрической проницаемостью ε ниже пороговой величины E электрического поля, тогда как при электрических полях с более высокой величиной, чем E, диэлектрическая постоянная резко возрастает. Примером материала, который можно использовать в качестве частиц наполнителя для достижения нелинейных емкостных свойств материала для выравнивания поля, является BaTiO.
Изолирующий полимер для материала для выравнивания поля может представлять собой, например, эластомер, такой как этилен-пропилен монодиен (EPDM) или кремнийорганические каучуки; термопластичный полимер, такой как полиэтилен, полипропилен, полибутилентерефталат (ПБТ), полиэтилентерефталат (ПЭТ), поликарбонат (ПК), акрилонитрилбутадиенстирол (АБС), полистирол (ПС) или нейлон; термореактивный полимер, такой как эпоксидная или полиуретановая смола; адгезив, такой как адгезивы, созданные на основе этиленвинилацетата; термоэластопласт; тиксотропная краска или гель; или сочетание таких материалов, включая сополимеры, например, сочетание полиизобутилена и аморфного полипропилена. Для достижения других желаемых свойств материала для выравнивания поля, например, с точки зрения механических свойств, могут быть задействованы и дополнительные компоненты, как описано, например, в EP 1975949 и US 4252692.
b
При установке FGM-детали в удлинении, по меньшей мере, части кромки листа проводящей фольги локальное выравнивание поля на кромках листа фольги проводника достигается, когда величина локального электрического поля при размещении FGM-деталей достигает вышеуказанной пороговой величины E электрического поля материала для выравнивания поля. FGM-деталь, таким образом, работает на выравнивание локального электрического поля на кромке листа проводящей фольги, когда напряжение в радиальном направлении проходного изолятора принимает значение выше порогового напряжения. FGM-деталь может быть сконструирована, например, таким образом, чтобы такое пороговое напряжение соответствовало критическому напряжению.
Фиг.2 изображает результаты, полученные при моделировании электрического поля E вблизи кромки 205 листа проводящей фольги, у которой была установлена FGM-деталь 200 в виде FGM-ленты. Показана кромка 205 листа проводящей фольги, в удлинении которой была установлена FGM-деталь 200, а также две соседние кромки 205A листа проводящей фольги, которые не имеют FGM-детали 200 (здесь они называются стандартными кромками 205A листа фольги). Электрическое поле E при конкретном напряжении было проиллюстрировано эквипотенциальными кривыми 210 стандартным образом. В целях иллюстрации (воображаемая) плоскость 215, перпендикулярная листам 120 фольги, была нарисована на кромке 205 листа фольги для обозначения того, где заканчивается лист 120 проводящей фольги, имеющий FGM-деталь 200. Кроме того, кромка FGM-детали 200 была обозначена условным обозначением 220. Как видно на фигуре, электрическое поле между листами 120 проводящей фольги на расстоянии от кромок листа фольги является высокооднородным. Однако локально на стандартных кромках 205A листа фольги электрическое поле усилено. С другой стороны, на кромке 205 листа фольги, имеющей FGM-деталь 200, эквипотенциальные кривые распределены вдоль длины FGM-детали 200, и в частности вдоль части FGM-детали 200, которая проходит за пределы кромки 205 листа фольги.
Различные примеры FGM-детали 200, установленной в удлинении кромки листа проводящей фольги на конце сердцевины 115 конденсатора, показаны на фиг.3a-c. Кромка 205 листа проводящей фольги на конце сердцевины 115 конденсатора будет называться внешней кромкой 205 листа проводящей фольги. Высокое электростатическое напряжение обычно возникает локально, в области вокруг внешних кромок 205 листа проводящей фольги, как при переходном, так и при рабочем напряжении переменного или постоянного тока.
E
E
E
На фиг.3a-c контуры FGM-детали 200 обозначены сплошными линиями, тогда как контуры листа 120 проводящей фольги обозначены пунктирными линиями. FGM-детали 200 согласно фиг.3a-c проходят на расстояние d вдоль (воображаемого) удлинения листа фольги (не изображено), где воображаемое удлинение листа фольги проходит от кромки 205 листа фольги по нескольким (непрерывным) направлениям удлинения, перпендикулярным кромке 205 листа фольги и параллельным плоскости, касательной к листу 120 проводящей фольги. Пример направления удлинения показан на фиг.3a-c стрелкой 310. Расстояние d, на которое FGM 200 проходит от кромки 205 листа фольги в пространство на внешней стороне воображаемой плоскости 215, в направлении 310 удлинения будет называться расстоянием d удлинения в данном направлении.
В примере, показанном на фиг.3a, FGM-деталь 200 сформирована в виде цилиндра, который установлен в удлинении внешней кромки 205 листа проводящей фольги таким образом, что FGM-деталь 200 частично покрывает лист 120 проводящей фольги.
В примере согласно фиг.3b FGM-деталь 200 сформирована в виде цилиндра, который установлен в удлинении внешней кромки 205 листа проводящей фольги таким образом, чтобы часть FGM-детали 200 была окружена листом 120 проводящей фольги. В примере согласно фиг.3b лист 120 проводящей фольги покрывает часть FGM-детали 200.
0
В примерах, показанных на фиг.3a и 3b, FGM-деталь 200 и лист 120 проводящей фольги перекрываются на длину d перекрытия.
o
В примере согласно фиг.3c FGM-деталь 200 сформирована в виде цилиндра, который растягивается вдоль всей длины цилиндрического листа 120 проводящей фольги и который проходит за пределы внешних кромок 205 листа проводящей фольги. Таким образом, в данном примере длина d перекрытия соответствует всей длине листа 120 проводящей фольги. FGM-деталь 200 согласно фиг.3c показана установленной таким образом, что она покрывает лист 120 проводящей фольги. FGM-деталь 200, которая растягивается вдоль всей длины цилиндрического листа 120 проводящей фольги, может быть в качестве альтернативы установлена на внутренней стороне листа 120 проводящей фольги.
FGM-детали 200, показанные на фиг.3a-c, являются лишь примерами, и можно использовать альтернативные варианты осуществления FGM-детали 200, установленной в удлинении, по меньшей мере, части кромки листа проводящей фольги. Например, FGM-деталь 200 можно перегибать через кромку 205 листа проводящей фольги, для покрытия кромки 205 листа проводящей фольги, как с внутренней, так и с внешней стороны. Кроме того, в иллюстративных целях FGM-детали согласно фиг.3a-c были показаны в виде цилиндров с гладкими боковыми поверхностями и прямыми, перпендикулярными кромками основания. Однако можно использовать другие формы FGM-деталей 200. Например, FGM-деталь 200, установленная в удлинении, по меньшей мере, части листа проводящей фольги, не должна быть ограничена воображаемым удлинением листа фольги, а также может занимать пространство за пределами кромки 205 листа фольги в других направлениях. FGM-деталь 200, которая установлена в удлинении, по меньшей мере, части кромки 205 листа проводящей фольги проходит, по меньшей мере частично, за пределы воображаемой плоскости 215, касательной, по меньшей мере, к части кромки 205 листа фольги и перпендикулярной к листу 120 фольги, в пространство, расположенное с внешней стороны от воображаемой плоскости 215 (т.е. стороны, которая не занята листом 120 фольги). В одном варианте осуществления часть FGM-детали 200, которая установлена в удлинении, по меньшей мере, части кромки 205 листа проводящей фольги, расположена по существу вдоль воображаемого удлинения листа фольги.
На фиг.3a-c показаны различные примеры FGM-деталей 200, установленных в удлинении внешней кромки 205 листа проводящей фольги на одном конце сердцевины 115 конденсатора. Как правило, FGM-деталь 200 может быть таким же образом установлена на внешней кромке 205 листа проводящей фольги, на другом конце сердцевины 115 конденсатора. В одном варианте осуществления почти каждый лист 120 проводящей фольги сердцевины 115 конденсатора снабжен FGM-деталью 200 на каждой внешней кромке 205, обеспечивая эффективное сглаживание электрического поля на внешних кромках 205 листа фольги. В этом варианте осуществления каждая внешняя кромка 205 может быть снабжена FGM-деталью 200, или все за исключением одного (например, самого внутреннего) листа 120 проводящей фольги, или все за исключением нескольких, например, двух или трех листов проводящей фольги могут быть снабжены FGM-деталью 200 на внешних кромках 205 листа фольги.
Вариант осуществления, в котором почти каждый лист 120 проводящей фольги обеспечен FGM-деталью 200, подходит там, где напряженность электрического поля является приблизительно одинаковой на кромках 205 различных листов 120 проводящей фольги. Зачастую электрическое поле изменяется на протяжении всего проходного изолятора 100. Равномерная напряженность электрического поля затем может быть достигнута, например, за счет изменения величины зазора между листами фольги, вследствие чего в местоположениях с высоким электрическим полем расстояние между соседними листами 120 фольги становится меньше, чем в местоположениях с низким электрическим полем.
Также можно рассмотреть другие варианты осуществления, в которых проводящие листы 120 фольги, которые были снабжены FGM-деталью 200, были выбраны по-другому. Например, могут иметь место ситуации, при которых электростатическое напряжение неравномерно распределено между кромками листа фольги. Это может быть, например, случай, когда проходной изолятор подвергается высокочастотным переходам. Когда FGM-деталь (детали) 200 проходного изолятора 100 сконструирована с возможностью снижения напряженности в таких ситуациях, применение FGM-деталей (детали) 200 может быть ограничено, например, теми кромками листа фольги, где в таких ситуациях может ожидаться высокая напряженность. Одним примером такой ситуации является ситуация, когда материал для выравнивания поля служит для снижения напряженности поля в случае быстродействующего, переходного импульса, который больше всего воздействует на самый внешний лист фольги. В этой ситуации может быть достаточным обеспечение FGM-детали 200 на кромках самого внешнего листа фольги.
В некоторых проходных изоляторах 100 один или более листов 120 проводящей фольги могут иметь большее число кромок, чем количество внешних кромок 205 на концах сердцевины конденсатора. Это, например, может быть в случае, если электрическое ответвление подключено к листу 120 проводящей фольги в целях выявления тока и/или напряжения. Для подключения к внутреннему листу 120 проводящей фольги (т.е. листу 120 проводящей фольги, который окружен самым внешним листом 120 проводящей фольги) вывод ответвления должен проходить сквозь отверстие в самых внешних листах 120 проводящей фольги (и возможно, в других листах 120 проводящей фольги в зависимости от того, какой внутренний лист 120 проводящей фольги должен быть подключен к ответвлению). Следовательно, у такого проходного изолятора 100 кромки листа проводящей фольги будут находиться внутри сердцевины 115 конденсатора, и в настоящей работе они будут называться внутренними кромками листа проводящей фольги. Из-за резонансов, вызванных взаимодействием между проходным изолятором 100 и системой/устройством, к которым подключены электрические клеммы 112 проводника 110, вдоль таких внутренних кромок листа фольги может быть индуцировано электрическое перенапряжение, что, таким образом, делает такие внутренние кромки листа фольги потенциально уязвимой частью проходного изолятора 100.
FGM-деталь 200 можно применять к таким внутренним кромкам листа фольги для снижения электрической напряженность поля, а следовательно, для ослабления риска частичного разряда или выхода из строя. Примеры двух концентрически расположенных листов 120a и 120b проводящей фольги показаны на фиг.4, где внешний лист 120а проводящей фольги окружает внутренний лист 120b проводящей фольги. Измерительные отводы 400a и 400b расположены, соответственно, на листах 120a и 120b проводящей фольги. Внешний лист 120a проводящей фольги согласно фиг.4 был открыт для достижения внутреннего листа 120b проводящей фольги с помощью выводов, подключающихся к измерительному отводу 400b, с образованием, таким образом, внутренней кромки 405.
FGM-деталь 200 была установлена в удлинении двух различных частей внутренней кромки 405 (в качестве альтернативы FGM-деталь 200 согласно фиг.4 можно рассматривать как две FGM-детали 200, каждая из которых установлена на части удлинения внутренней кромки 405). FGM-деталь 200 согласно фиг.4 проходит от листа 120 проводящей фольги вдоль направления, перпендикулярного внутренней кромке 405 листа фольги и касательного к листу 120 проводящей фольги, т.е. вдоль направления удлинения. На фиг.4 внешний лист 120a проводящей фольги был разделен на две части, соединенные между собой мостиком 410, который обеспечивает, чтобы две части имели одинаковый электрический потенциал. Можно использовать и другие способы размыкания внешнего листа 120a проводящей фольги.
Внутренние кромки 405 листа проводящей фольги могут появиться в сердцевине 115 конденсатора по другим причинам, нежели подключение измерительных отводов 400. Например, в некоторых проходных изоляторах 100 некоторые или все листы 120 проводящей фольги (например, все за исключением самого внешнего листа 120 фольги) разделены на две части, которые имеют одинаковый диаметр, и смещены друг относительно друга в осевом направлении проходного изолятора 100. Таким образом, такие листы 120 проводящей фольги будут иметь две внешние кромки 205 и две внутренние кромки 405. Пример проходного изолятора, имеющего листы проводящей фольги, расположенные указанным способом, раскрыт в US 3659033.
0
FGM-деталь 200 и лист 120 проводящей фольги должны находиться в электрическом контакте для достижения эффективного выравнивания поля на кромке 205/405 листа фольги. Электрический контакт может быть получен, например, путем нанесения проводящего клея между FGM-деталью 200 и листом 120 проводящей фольги или путем плотного скрепления FGM-детали 200 и листа 120 проводящей фольги, и т.д. В вариантах осуществления, где лист 120 проводящей фольги используется с возможностью обеспечения механической опоры для FGM-детали 200, является предпочтительным, чтобы длина d перекрытия была выбрана таким образом, чтобы можно было обеспечить достаточную механическую опору. В других случаях может быть достаточным обеспечение соприкосновения FGM-детали 200 и листа 120 проводящей фольги для обеспечения электрического контакта между ними.
E
b
b
Для данного применения проходного изолятора проектирование FGM-детали 200 включает в себя выбор подходящего материала для выравнивания поля и проектирование размеров FGM-детали 200, включая определение подходящего расстояния d удлинения. Кроме того, можно успешно выбрать критическое напряжение, соответствующее конкретному напряжению на проходном изоляторе 100, выше которого желательно наиболее эффективное выравнивание поля. Материал для выравнивания поля можно выбрать, например, таким образом, чтобы пороговая величина E электрического поля находилась на уровне локальной напряженности электрического поля, ожидаемой на кромке 205/405 листа фольги при критическом напряжении, или ниже этого уровня. Пороговую величину E можно выбрать, например, таким образом, чтобы она приблизительно соответствовала локальной напряженности электрического поля, ожидаемой в объеме сердцевины 115 конденсатора при критическом напряжении.
Критическое напряжение может быть задано, например, таким образом, чтобы FGM-деталь 200 могла бы быть защищена от переходных напряжений, которые могут возникнуть на проходном изоляторе 100 в случае неисправности, и FGM-деталь 200, таким образом, ослабляет влияние любых таких переходных напряжений. Подходящее критическое напряжение тогда может быть задано, например, в диапазоне значений, в 2-4 раза превышающих номинальное напряжение проходного изолятора 100 (номинальное напряжение является максимальным рабочим напряжением, для которого спроектирован проходной изолятор). Критическое напряжение в качестве альтернативы может быть задано, например, на уровне номинального напряжения проходного изолятора 100, что, таким образом, снижает риск возникновения частичного разряда в ходе нормальной работы проходного изолятора. В качестве альтернативы критическое напряжение может быть задано на уровне выдерживаемого напряжения, например, приблизительно в два раза больше номинального напряжения проходного изолятора, или напряжения BIL. При подходящем проектировании размеров FGM-детали 200 можно в качестве альтернативы использовать другие способы определения состояния критического напряжения.
E
E
Для данного материала для выравнивания поля расстояние d удлинения можно выбирать таким образом, чтобы оно было достаточно большим, чтобы при воздействии на проходной изолятор 100 критического напряжения падение напряжения от кромки 205 листа фольги до кромки 220 FGM-детали 200 было распределено на достаточное расстояние. Расстояние d удлинения может быть выбрано, например, таким образом, чтобы напряженность поля вблизи FGM-детали 200 поддерживалась при значениях ниже пороговой величины частичного разряда диэлектрического изолирующего материала в диапазоне напряжений, для которого является желательным выравнивание поля посредством FMG-детали 200.
E
I
В одном варианте осуществления расстояние d удлинения приблизительно соответствует расстоянию по радиусу между двумя соседними листами 120 проводящей фольги, также называемому зазором между листами фольги, d. Подходящий материал для выравнивания поля, обладающий соответствующими нелинейными электрическими свойствами, в данном варианте осуществления можно выбрать, например, таким образом, чтобы при критическом напряжении разность электрических потенциалов между кромкой 205/405 листа фольги и кромкой 220 FGM-детали 200 имела бы тот же порядок величины, что и напряжение между листом 120 проводящей фольги и соседними листами 120 проводящей фольги.
E
Фиг.5a изображает график, показывающий результаты, полученные из моделирования величины электрического поля E в направлении 310 удлинения проходного изолятора 100. Смоделированные значения этой величины на обратной стороне листа 120 проводящей фольги и на ее продолжении - на обратной стороне соответствующей FGM-детали 200 - отображены в виде функции расстояния x в направлении 310 удлинения, для пяти различных значений расстояния d удлинения. Применительно к проводимости σ FGM-материала было принято следующее соотношение:
<mrow><mi>σ</mi><mo>=</mo><msub><mi>σ</mi><mn>0</mn></msub><mo>⋅</mo><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo>+</mo><msup><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mfrac><mi>E</mi><mrow><msub><mi>E</mi><mi>b</mi></msub></mrow></mfrac><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mi>α</mi></msup><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><mtable><mtr><mtd><mrow><mtable><mtr><mtd><mrow><mtable><mtr><mtd><mrow><mtable><mtr><mtd><mrow /></mtd><mtd><mrow /></mtd><mtd><mrow /></mtd><mtd><mrow /></mtd></mtr></mtable></mrow></mtd><mtd><mrow /></mtd><mtd><mrow /></mtd><mtd><mrow /></mtd></mtr></mtable></mrow></mtd><mtd><mrow /></mtd><mtd><mrow /></mtd><mtd><mrow /></mtd></mtr></mtable></mrow></mtd><mtd><mrow /></mtd><mtd><mrow /></mtd><mtd><mrow /></mtd></mtr></mtable></mrow>
(1),
I
0
b
0
-8
где при моделировании были использованы следующие параметры: толщина FGM-детали: 0,25 мм; толщина листов проводящей фольги: 0,03 мм; зазор между листами фольги d: 1,57 мм; проводимость слабого поля σ: 10 См/м; пороговая величина электрического поля E: 1 кВ/мм; показатель степени α: 4. Кромка 205 листа фольги была при моделированиях расположена на уровне x=0 мм. Параметры материала, используемые при этих моделированиях, соответствуют параметрам типичного FGM-материала на основе SiC, к которому были добавлены проводящие частицы для увеличения значения σ. При модулированиях, в результате которых была получена фиг.2, были использованы те же свойства материала.
E
I
I
I
I
I
E
Пять различных значений расстояния d удлинения, для которого результаты моделирования показаны на фиг.5a, составляют: 0,32d, 0,96d, 1,59d, 2,23d и 2,87d. В дополнение показаны результаты, полученные при отсутствии какой-либо FGM-детали 200. Как видно на фиг.5a, пик 500 возникает на кромке 205/405 листа фольги при отсутствии применения FGM-детали 200. Использование FGM-детали 200 резко снижает пик на кромке 205/405 листа фольги, а оставшийся пик на кромке 205/405 листа фольги обозначен условным обозначением 505. При применении FGM-детали 200 на кромке 205/405 листа фольги высота оставшегося пика 505 в основном не зависит от того, насколько далеко проходит FGM-деталь 200, поскольку сходная величина оставшегося пика 505 достигается независимо от расстояния d удлинения FGM-детали 200.
E
I
E
E
I
E
Как и ожидалось, дополнительный пик 510 появляется при введении FGM-детали, и этот дополнительный пик появляется на кромке 220 FGM-детали 200. Этот дополнительный пик 510 существенно ниже, чем пик 500, появляющийся на кромке 205/405 листа фольги, при отсутствии использования какой-либо FGM-детали. Величина этого дополнительного пика 510 частично зависит от свойств выравнивания поля FGM-материала, а частично от улучшенных геометрических свойств выравнивания поля, из-за того, что толщина FGM-детали 200 больше, чем толщина листа 120 проводящей фольги. Как видно из фиг.5a, для FGM-материала и имеющейся геометрии d≈1,6d обеспечивает наиболее эффективное выравнивание поля. Для более высоких значений расстояния d удлинения величина дополнительного пика 510 на кромке 220 FGM-детали 200 будет ниже, чем величина оставшегося пика 505 на кромке 205/405 листа фольги. Это дополнительное снижение электрического поля на кромке 220 FGM-детали 200 не будет улучшать ситуацию с напряженностью электрического поля для проходного изолятора 100, и любое дополнительное удлинение FGM-детали 200 за пределы значения d≈1,6d, таким образом, можно считать необязательным. С другой стороны, для более низких значений расстояния d удлинения потенциал материала для выравнивания поля не используется полностью в отношении того, что дополнительный пик 510 на кромке 220 FGM-детали больше, чем оставшийся пик 505 на кромке 205/405 листа фольги.
E
I
0
E
I
-7
Оптимальное отношение расстояния d удлинения к зазору между листами фольги d будет иногда изменяться в зависимости от свойств FGM-материала, а также в зависимости от отношения толщины листа 120 фольги к толщине FGM-детали 200. На фиг.5b показаны результаты моделирования дополнительного проходного изолятора 100, при наличии FGM-детали 200 с более высоким значением проводимости слабого поля, чем у FGM-детали 200, представленной на фиг.5a. Другие параметры проходного изолятора являются теми же, что и в результатах моделирования, показанных на фиг.5a. Проводимость слабого поля FGM-материала была повышена до значения σ=1,4×10 См/м, т.е. повышена почти в 15 раз. Из фиг.5b можно сделать вывод о том, что для FGM-материала и для геометрии этого материала при моделированиях, показанных на фиг.5b, расстояние удлинения d≈4,1d обеспечивает наиболее эффективное выравнивание поля. FGM-материал для моделирования, показанного на фиг.5b, может считаться нестандартным, поскольку он сочетает в себе высокую проводимость со значительной нелинейностью.
0
E
I
E
I
I
I
I
0
E
I
I
Как видно из сопоставления фиг.5a и 5b, уменьшение величины оставшегося пика 510, вызванное повышением проводимости FGM-материала, сравнительно мало. Любое дополнительное повышение проводимости σ слабого поля будет лишь вносить вклад в снижение величины оставшегося пика в минимальной степени, и, таким образом, для геометрии, при которой отношение между толщинами листа фольги и FGM-детали таково, как используется в показанных моделированиях, как правило, нет необходимости в дальнейшем повышении расстояния удлинения за пределы значения, приблизительно равного учетверенной величине зазора между листами фольги. Поэтому мы можем сделать вывод, что отношение d к d в диапазоне 0,3-4 будет в большинстве случаев обеспечивать эффективное выравнивание поля на кромке 205/405 листа фольги. Для типичного материала на основе SiC, аналогичного материалу, используемому при моделированиях, проиллюстрированных на фиг.5a, расстояние d удлинения в диапазоне [0,7d; 3d] или [0,9d, 2d] часто будет обеспечивать эффективное выравнивание поля. Поскольку проводимость σ слабого поля повышается, оптимальное отношение d к d будет, как правило, несколько повышаться. Однако даже для материалов с более экстремальными характеристиками, таких как материал, смоделированный на фиг.5b, как правило, может быть достаточно расстояния удлинения, в четыре раза большего, чем d, или менее.
E
E
I
I
Уменьшение отношения толщины FGM-детали 200 к толщине листа 120 проводящей фольги может повысить оптимальное расстояние d удлинения и, наоборот, поскольку уменьшение толщины FGM-детали может повысить величину дополнительного пика 510, а уменьшение толщины листа фольги может снизить величину оставшегося пика 505. Однако в большинстве случаев будет достаточным расстояние d удлинения, составляющее учетверенное значение d или менее. Если при применении является желательным соотношение толщин, которое приводит к оптимальному расстоянию удлинения, значительно превышающему значение учетверенного d, на кромке 220 FGM-детали 200 может быть применено геометрическое выравнивание поля. Это может иметь место, например, в случае, когда желательна повышенная экономия FGM-материала, или если требуется большая толщина листа 120 фольги. Пример такого геометрического выравнивания поля показан на фиг.6 ниже.
В смоделированных сценариях, показанных на фиг.5a и 5b, электрическое поле между двумя соседними листами 120 фольги составляет примерно 5 кВ/мм. Таким образом, величина пика электрического поля, получаемого с использованием FGM-детали 200, имеет тот же порядок, что и величина, соответствующая электрическому полю между двумя соседними листами 120 фольги.
E
Нам стало понятно, что обычно нет необходимости в том, чтобы расстояние d удлинения FGM-детали 200 было бы больше, чем величина, равная примерно учетверенному зазору между листами фольги. Если расстояние удлинения велико, то электростатическое напряжение на кромке 205 листа фольги будет ниже, чем электростатическое напряжение в объеме сердцевины 115 конденсатора. Таким образом, во избежание необязательного применения материала для выравнивания поля эффективное расстояние удлинения обычно лежит в пределах диапазона 0,3-4 зазора между листами фольги. Повышенное расстояние удлинения повлечет за собой излишние затраты, поскольку дополнительный материал для выравнивания поля не будет вносить существенного вклада в желаемое выравнивание поля.
Выбирая расстояние удлинения FGM-детали, равное приблизительно учетверенному зазору между листами фольги или менее, стоимость проходного изолятора можно снизить благодаря тому, что можно использовать меньшее количество FGM-материала, чем при использовании FGM-деталей с большим расстоянием удлинения.
E
E
По желанию расстояние d удлинения может изменяться вдоль кромки 250/405 листа проводящей фольги, например, как показано на фиг.4, FGM-деталь 200 может быть установлена в удлинении лишь части кромки 205/405 листа проводящей фольги. Также можно использовать меньшие и/или более локальные изменения расстояния d удлинения вдоль кромки 205/405 листа фольги.
E
В осуществлении изобретения, в котором зазор между листами фольги изменяется по всей длине проходного изолятора 100, как обсуждалось выше, и в котором более чем один лист 120 проводящей фольги снабжен FGM-деталью 200, расстояние d удлинения может быть постоянным для всех FGM-деталей 200 или может быть короче для листов 120 фольги в местоположении, где зазор между листами фольги меньше, причем зазор между листами фольги составляет расстояние по радиусу между листом проводящей фольги, в удлинении которой установлена FGM-деталь, и соседним листом проводящей фольги. Когда расстояние удлинения имеет одинаковое значение для всех FGM-деталей 200, такое значение может быть выбрано, например, в зависимости от максимального расстояния удлинения проходного изолятора, таким образом, чтобы FGM-деталь 200 находилась в диапазоне четырехкратного максимального расстояния удлинения или менее.
E
Размер FGM-детали 200 в радиальном направлении проходного изолятора, называемый здесь толщиной FGM-детали 200, часто выбирают таким образом, чтобы он был меньше, чем расстояние d удлинения. Меньшая толщина означает более низкие затраты на материал. Кроме того, в некоторых применениях может возникнуть необходимость в учете термических свойств материала для выравнивания поля и/или диэлектрического изолирующего материала, при выборе подходящей толщины FGM-детали 200. Более тонкая FGM-деталь 200 будет рассеивать меньше тепла, чем более толстая FGM-деталь 200, изготовленная из одного и того же материала для выравнивания поля, и поэтому более тонкая FGM-деталь 200 является более желательной по термическим причинам.
r
E
fgm
Если предположить, что часть FGM-детали 200, которая проходит за пределы кромки 205/405 листа фольги, имеет форму цилиндра при расстоянии D по радиусу от продольной оси проходного изолятора 100, и предположить, что он имеет длину d и толщину t, то потери P, возникающие в FGM-детали 200, можно описать как:
<mrow><msub><mi>P</mi><mrow><mi>f</mi><mi>g</mi><mi>m</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msubsup><mi>I</mi><mrow><mi>f</mi><mi>g</mi><mi>m</mi></mrow><mn>2</mn></msubsup><msub><mi>R</mi><mrow><mi>f</mi><mi>g</mi><mi>m</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msup><mrow><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>V</mi><mrow><mi>f</mi><mi>g</mi><mi>m</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mn>2</mn></msup></mrow><mrow><msub><mi>R</mi><mrow><mi>f</mi><mi>g</mi><mi>m</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>≈</mo><mfrac><mrow><mn>2</mn><mo>⋅</mo><mi>π</mi><mo>⋅</mo><msup><mrow><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>V</mi><mrow><mi>f</mi><mi>g</mi><mi>m</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mn>2</mn></msup><msub><mi>σ</mi><mrow><mi>f</mi><mi>g</mi><mi>m</mi></mrow></msub><msub><mi>D</mi><mi>T</mi></msub><mi>t</mi></mrow><mrow><msub><mi>d</mi><mi>E</mi></msub></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><mtable><mtr><mtd><mrow><mtable><mtr><mtd><mrow /></mtd><mtd><mrow /></mtd><mtd><mrow /></mtd></mtr></mtable></mrow></mtd><mtd><mrow /></mtd><mtd><mrow /></mtd></mtr></mtable></mrow>
(2),
fgm
fgm
fgm
fgm
fgm
r
r
fgm
где V - это разность потенциалов между кромкой 205/405 листа фольги и кромкой 220 FGM-детали 200, R - сопротивление FGM-детали 200 и σ - проводимость FGM-детали 200. В FGM-детали 200, обладающей нелинейными резистивными свойствами, проводимость σ обычно будет изменяться вдоль удлинения FGM-детали 200, для электрических полей выше пороговой величины электрического поля. Однако при использовании максимального ожидаемого значения σ, при оценке термических потерь, можно получить верхний предел для потерь. Кроме того, когда FGM-деталь 200 установлена на нескольких концентрических листах 120 проводящей фольги, расстояние D по радиусу от продольной оси проходного изолятора обычно будет больше для FGM-деталей 200, установленных на внешних листах 120 проводящей фольги. При использовании наибольшего значения расстояния D по радиусу можно оценить максимальное значение потерь. Оцененное максимальное значение потерь P можно сопоставить с наибольшими потерями, которые являются термически приемлемыми, и соответствующим образом можно выбрать размеры FGM-детали. При установлении размеров FGM-детали 200 также является выгодным принимать во внимание, что часто (в зависимости от материала) минимальная толщина относится к конечному размеру частиц наполнителя, за пределами которого материал для выравнивания поля более не проявляет нелинейные электрические свойства для объемного материала. Следовательно, является предпочтительным, чтобы толщина FGM-детали 200 превышала эту минимальную толщину. Для более мелких размеров частиц минимальная толщина обычно бывает ниже. Однако очень мелкие размеры частиц обычно приводят к повышенным расходам на изготовление.
FGM-деталь 200 может быть изготовлена, например, из ленты подходящего материала для выравнивания поля, например, из ленты ZnO, как было раскрыто в EP 1736998. FGM-лента, используемая для создания FGM-детали 200, может быть неадгезивной или же может быть адгезивной, для приклеивания к листу 120 проводящей фольги. Можно использовать проводящий адгезив, такой как, например, тиксотропная краска. FGM-деталь 200, изготовленная из ленты, может, например, покрывать только область вблизи кромки 205/405 листа фольги, например, как показано на фиг.3a-c и на фиг.4.
0
FGM-деталь 200 может быть в качестве альтернативы сформирована путем нанесения материала для выравнивания поля на диэлектрический изолирующий материал между разными проводящими листами 120 фольги сердцевины 115 конденсатора (такой диэлектрический материал представляет собой, например, бумагу). При нанесении слоя материала для выравнивания поля на диэлектрический изолирующий материал FGM-деталь 200 может быть установлена с возможностью покрытия только зоны вблизи кромок 205/405 листа фольги, например, как показано на фиг.3a-b и на фиг.4, или FGM-деталь 200 может быть установлена с возможностью прохождения вдоль всего листа проводящей фольги, как показано на фиг.3c, или расстояние d перекрытия может принимать любое подходящее значение. Материал для выравнивания поля может быть нанесен, например, в виде покрытия посредством распыления или окрашивания.
В способе формирования листов 120 проводящей фольги сердцевины 115 конденсатора, в котором листы 120 проводящей фольги наносят на диэлектрический изолятор 123 в виде, например, проводящей пасты (наносимой, например, посредством распыления), FGM-деталь 200 можно наносить на диэлектрический изолятор 123 в ходе того же процесса, что и листы проводящей фольги, или наносить по отдельности.
Диэлектрический изолирующий материал проходного изолятора 100 часто пропитывают маслом или смолой для улучшения диэлектрических свойств изолирующего материала. В одной реализации настоящей технологии материал для выравнивания поля, например, в виде порошка, перемешивают с маслом или смолой перед пропиткой диэлектрического изолирующего материала. Следовательно, пропитанный диэлектрический изолирующий материал в этом способе будет образовывать FGM-детали 200. При использовании этого способа формирования FGM-деталей 200 диэлектрические потери в проходном изоляторе 100 при его использовании часто будут выше, чем при локальном нанесении FGM-детали 200 на кромки 205/405 листа фольги, и, кроме того, требуемое количество материала для выравнивания поля будет больше. Однако этот способ формирования FGM-деталей 200 будет эффективен в том, что этапы изготовления будут простыми. Следовательно, в реализации, при которой простое изготовление является более важным, чем величина диэлектрических потерь, такой способ может быть подходящим.
Использование, по меньшей мере, одной FGM-детали 200 в проходном изоляторе 100 так, как описано выше, для выравнивания локально усиленного электрического поля, можно по желанию сочетать с другими способами достижения локального выравнивания поля. Например, также можно использовать геометрическое выравнивание поля. По желанию можно применять дополнительную компоновку для геометрического выравнивания поля, или же кромка 220 FGM-детали 200 может иметь подходящую форму, для дополнительного улучшения свойств выравнивания поля. Например, поперечное сечение кромки FGM-детали 200, например, может иметь форму круга с диаметром большим, чем толщина t FGM-детали 200, или кромка FGM-детали 200 может иметь другую кривизну, приводящую к выравниванию поля, например, иметь эллиптическую форму или прямоугольную форму со скругленными углами. Комбинирование выравнивания поля, зависящего от материала, достигаемого FGM-деталью 200, с другими средствами выравнивания поля может быть полезным, например, в ситуациях, когда ограничения, налагаемые на установления размеров FGM-детали 200, не предусмотрены конструкцией, которая обеспечивает достаточное выравнивание поля при приемлемых тепловых потерях (ср. Выражение (2)), или для сохранения FGM-материала за счет изготовления основной части FGM-детали 200 более тонкой. FGM-деталь 200 затем можно сконструировать таким образом, чтобы было обеспечено частичное выравнивание поля, при приемлемых тепловых потерях, тогда как дополнительное выравнивание поля может быть обеспечено другими средствами. Поскольку FGM-деталь 200 будет обеспечивать значительный вклад в локальное выравнивание поля, диаметр геометрической формы на кромке FGM-детали 200 может быть меньше, чем при отсутствии использования FGM-детали 200, и, таким образом, геометрическая форма на кромке привносит меньший вклад в диаметр проходного изолятора. Пример поперечного сечения FGM-детали 200, имеющей кромку 220 с круглым поперечным сечением, показан на фиг.6.
Фиг.7 изображает результаты моделирования согласно фиг.2 в виде графика, где величина электрического поля E в направлении 310 удлинения показана как функция местоположения L, также именуемая как длина дуги, вдоль линии в радиальном направлении проходного изолятора на кромке 205 листа фольги. Пунктирные и сплошные кривые означают, соответственно, электрическое поле на кромках листа фольги при наличии (ср. с кромкой 205 листа фольги согласно фиг.2) и в отсутствие (ср. с кромкой 205A листа фольги согласно фиг.2) FGM-детали 200. Как видно из графика, электрическое поле демонстрирует пик на кромке листа фольги как при наличии, так и при отсутствии FGM-детали 200. Однако пик в случае, когда кромка 205 листа фольги имеет FGM-деталь 200, будет значительно ниже, чем пик в стандартном случае (примерно в 4 раза).
Хотя моделирования были здесь упрощены, например, в том, что никак не были учтены эффекты объемного заряда в изолирующем материале, выполненные моделирования ясно показали, что значительное снижение напряженности электрического поля вокруг кромок 205 листа проводящей фольги может быть достигнуто при применении FGM-детали 200.
Пониженное усиление напряженности на кромках 205/405 листа проводящей фольги, которое может быть достигнуто при использовании FGM-деталей 200, обладающих подходящей пороговой величиной электрического поля, предусматривает повышение среднего поля между листами 120 проводящей фольги, по сравнению со случаем отсутствия использования FGM-деталей 200. Следовательно, при поддержании размеров проходного изолятора проходной изолятор, в котором используются такие FGM-детали 200, может быть рассчитан на повышенные напряжения. В качестве альтернативы при поддержании максимально допустимого напряжения размеры проходного изолятора 100 могут быть снижены, что приводит к более низкой себестоимости продукции и меньшему физическому пространству, требуемому для установки проходного изолятора.
Кроме того, при использовании FGM-деталей 200 на кромках 205/405 листа проводящей фольги в проходном изоляторе 100 можно снизить частоту повреждений проходного изолятора. Риск искрения, возможно вызывающего пробой изоляции, и частичных разрядов, приводящих к изнашиванию и разрушению окружающей изоляции, высок на участках, где электрическое поле локально усилено. При использовании FGM-деталей 200 на кромках 205/405 листа проводящей фольги усиление локального поля на кромках 205/405 листа проводящей фольги может быть снижено, и, следовательно, частота повреждений на кромках 205/405 листа фольги может быть снижена.
Настоящая технология является пригодной для использования в проходных изоляторах высокого напряжения, а также для проходных изоляторов низкого и среднего напряжения. Технологию можно успешно использовать в проходных изоляторах с напряжением переменного тока, а также в проходных изоляторах с напряжением постоянного тока.
Хотя в прилагаемых независимых пунктах формулы изобретения представлены различные особенности изобретения, другие особенности изобретения включают в себя сочетания любых признаков, представленных в вышеприведенном описании и/или в прилагаемых пунктах формулы изобретения, и они не являются единственными точными сочетаниями, изложенными в прилагаемых пунктах формулы изобретения. Специалистам в данной области техники должно быть понятно, что технология, представленная в настоящей работе, не ограничена вариантами осуществления, раскрытыми в прилагаемых чертежах и в вышеприведенном подробном описании, которые представлены лишь в целях иллюстрации, но она может быть реализована множеством различных способов, и она определена в следующей формуле изобретения.