Самоадаптивна конденсаторна ізоляція для приглушення часткових розрядів у високовольтних системах: квантово-польовий підхід на основі RTV+ZNO-нанофольга
DOI:
https://doi.org/10.20998/2079-3944.2025.2.04Ключові слова:
часткові розряди, конденсаторна ізоляція, перфорована манжета, фольгова обкладка, RTV-силікон, епоксидний компаунд, ZnO, листовий опір шару Rs (Ом/кв), Maxwell-Wagner-Sillars, бар’єр Шотткі, Пуля-Френкеля, тунелюванняАнотація
Подано електрофізично коректне обґрунтування зниження інтенсивності часткових розрядів (ЧР) у конденсаторній ізоляції трансформаторів струму класу напруги 110-330 кВ шляхом інтеграції тонкого напівпровідного шару на основі RTV/епоксидного зв’язника з наповнювачем ZnO, нанесеного вздовж кромок перфорованих алюмінієвих манжет та фольгових обкладок. Розглянуто механізми керування крайовим електричним полем ∇E через розподілену RC-лінію з параметрами листового опору шару Rs (Ом/кв) та міжелектродної ємності ε0ε/hd, а також через нелінійну провідність межзернових границь ZnO (бар’єр Шотткі, ефект Пуля-Френкеля, тунельний перенос). Показано, що коректний добір Rs(50 Гц)=108-109 Ом/кв, товщини покриття δ=0,30-0,70 мм і довжини проклейки lsp забезпечує експоненційне затухання крайової напруженості та підвищення напруги виникнення поверхневих ЧР відповідно до методики IEC 60270 та випробувальних приписів IEC 60060-1; наведено уніфіковані припущення для моделювання ЧР за еквівалентною схемою Ca-Cb-Cc і результати чисельних експериментів (Matlab/Simulink), узгоджені з IEEE Std 1434 (PD measurement). Зазначено, що внаслідок історичної еволюції станів пасток у ZnO та релаксації орієнтаційної поляризації RTV відбувається стабілізувальне електричне старіння: при повторенні 103-106 імпульсів ЧР локальна енергія Wpd і пікова напруженість у зоні кромки зменшуються на 35-50% без порушення граничних значень струму витоку і tgδ(f).
Посилання
Zhorniak, L. B., Afanasiev, O. I., Shchus, V. M., Azorska, Yu. V., Koliada, O. V., & Hrinivetskyi, D. O. (2019). Feattures of regulation of electric field along external isolation of high-voltage gas-insulated voltage transformers. Bulletin of NTU "KhPI". Series: Problems of Electrical Machines and Apparatus Perfection. The Theory and Practice, (2), 13–18. https://doi.org/10.20998/2079-3944.2019.2.03
Afanasiev O.I., Zhorniak L.B. , Nemykina O.V. , Shchus V.M. Elektroaparatne obladnannia system elektropostachannia enerhoiemnykh vyrobnytstv. Pid zah. red.. P.D. Andriienko. – Zaporizhzhia: NU «Zaporizka politekhnika», 2023. – 432 s.
Zhorniak, L., Afanasiev, A., & Schus, V. (2022). Optimization of the internal shielding system in gas filled high voltage electric appliances with polymer insulation. Bulletin of NTU "KhPI". Series: Problems of Electrical Machines and Apparatus Perfection. The Theory and Practice, (1 (7), 8–12. https://doi.org/10.20998/2079-3944.2022.1.02
IEC 60270:2021. High-voltage test techniques – Partial discharge measurements. International Electrotechnical Commission, Geneva.
IEC 60060-1:2010/AMD1:2023. High-voltage test techniques – Part 1: General definitions and test requirements. International Electrotechnical Commission, Geneva.
IEC 60076-3:2013. Power transformers – Part 3: Insulation levels, dielectric tests and external clearances in air. International Electrotechnical Commission, Geneva.
IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation: Special issues on nanodielectrics and partial discharges, 2015–2024.
Liu, J., et al. “Nanodielectrics for High Voltage Insulation: Fundamentals and Applications.” IEEE Trans. Dielectr. Electr. Insul., 26(6), 2019, pp. 1903–1915.
Rudenko, A., et al. “Interfacial Polarization and Trap Engineering in RTV Composites Filled with ZnO Nanoparticles.” IEEE Trans. DEI, 27(5), 2020, pp. 1573–1584.
CIGRÉ Technical Brochures on partial discharges in insulation systems of transformers and rotating machines, 2008–2022.
Kuchinskii, G. S. Chastichnie razryadi v visokovoltnikh konstruktsiyakh. L: Energiya, 1979.
Kuchinskii, G. S.; Kizevetter, V. Ye.; Pintal, Yu. S. Izolyatsiya ustanovok visokogo napryazheniya. M: Energoatomizdat, 1987.
Dmitrevskii, V. S. Raschet i konstruirovanie elektricheskoi izolyatsii. M: Energoizdat, 1981.
Afanasev, V. V. Transformatori toka. L: Energiya, 1980.
Gutnik, S. Ye. Chastichnie razryadi v tverdoi izolyatsii. M: MEI, 2001.
Rzhevskaya, S. P. Elektrotekhnicheskie materiali. Dielektriki: kurs lektsii. Minsk: BGUIR, 2009.
Lebed, K. V. Elektroprovodnost i razryadnie kharakteristiki neorganicheskikh dielektrikov s poluprovodyashchim pokritiem. T, 2011.
Besprozvannikh, A. V.; Roginskii, A. V. Effektivnost primeneniya poluprovodyashchikh pokritii dlya regulirovaniya elektricheskogo polya v VV izolyatsii elektricheskikh mashin. Trudi MEI, 2008.
Krasko, A. S.; Ponomarenko, Ye. G. Tekhnika visokikh napryazhenii. Ch. 1. Minsk: BNTU, 2012.
IEC TS 61294:2019. Insulating liquids – Determination of partial discharge inception voltage (PDIV) – Test procedure.
IEC 60821:1988. Guide to the evaluation of dielectric properties of electrical insulating materials.
Mazzanti, G.; Montanari, G. C. “Electrical aging and life models in insulation systems.” IEEE Trans. DEI, 10(5), 2003, pp. 955–976.
Montanari, G. C. “Aging, space charge and dielectric breakdown in polymers.” IEEE Trans. DEI, 7(3), 2000, pp. 324–331.
Dissado, L. A.; Fothergill, J. C. Electrical Degradation and Breakdown in Polymers. Peter Peregrinus, 1992.
Lewis, T. J. “Interfaces are the dominant feature of dielectrics at the nanometric level.” IEEE Trans. DEI, 11(5), 2004, pp. 739–753.
IEC 60076-11:2018. Power transformers – Part 11: Dry-type transformers.
FLIR Application Notes: Thermography for HV equipment hot-spot
IEC 60450:2011. Measurement of the average viscometric degree of polymerization of new and aged cellulosic electrically insulating materials.
ASTM D1530/D1530M: Standard test method for relative permittivity and dissipation factor of solid electrical insulating materials at power frequencies.
IEC 60243-1:2013. Electric strength of insulating materials – Test methods – Part 1: Tests at power frequencies.
IEEE Std 1434-2014. Guide for the Measurement of Partial Discharges in AC Electric Machinery. IEEE, New York.
CIGRÉ WG D1 materials: “Dielectric Response Methods for Diagnostics of Transformers,” various TBs, 2010–2021.
Tanaka, T. “Dielectric Nanocomposites with Insulating Properties.” IEEE Trans. DEI, 12(5), 2005, pp. 914–928.
Saha, T. K. “Review of modern diagnostic techniques for assessing insulation condition of aged transformers.” IEEE Trans. DEI, 10(5), 2003, pp. 903–917.
Kind, D.; Feser, K. High-Voltage Test Techniques. Vieweg+Teubner, 2001.
IEC 60216-1:2013. Electrical insulating materials – Thermal endurance properties.
IEC 60034-27-2:2012. Rotating electrical machines – PD measurement on stator windings – off-line tests (для методики PD).
##submission.downloads##
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:
1. Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
2. Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
3. Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи.
