5.8. Конструкция высоковольтных изделий

5.8.1. Силовые кабели

Естественными изоляционным материалом для использования в качестве изоляции электрических силовых кабелей являются термопласты, по той причине что а) кабель изготавливается простым непрерывным методом экструзии, б) термопласты отвечают требованиям по сочетаниию прочности и гибкости в конечном изделии и в) они обладают превосходными изоляционными свойствами. Однако при использовании изолятора из термопластиков в высоковольтных установках возникают проблемы, связанные с наличием мелких пор и неоднородностей, зачастую появляющихся из-за различия коэффициентов термического расширения на границе между изолятором и металлическим проводом (обычно медным или алюминиевым) или оболочкой кабеля.

В порах происходят газовые разряды, особенно если они расположены вблизи центрального провода, где напряженность поля выше, в результате кабель имеет низкие значения НВР. Полностью исключить образование пор очень трудно, но можно снизить вероятность электрического пробоя, помещая между металлическими частями кабеля и его изоляцией слой электропроводящего пластика. Проводящий пластик обычно представляет собой наполненный сажей полимер, из которого изготовлена изоляция, и поэтому прочно с ней связан. Этот слой находится практически под тем же напряжением, что и граничащий с ним металл, так что в порах напряженность поля практически отсутствует и их влияние сводится к нулю. В кабельной промышленности такой способ применяется при изготовлении кабелей среднего и высокого напряжения с пластиковой или каучуковой изоляцией.

В течение срока службы кабель может испытывать перенапряжения, сопровождающиеся кратковременными повышениями температуры из-за джоулева нагрева. Для снижения опасности теплового или электромеханического пробоя в этих условиях используют сшитый полимер, обладающий повышенной прочностью при высоких температурах.

5.8.1. Тонкослойные конденсаторы

Одно из основных требований к конденсаторам — они должны быть малых размеров, т.е. иметь большое отношение емкости к объему (C/v). Легко показать, что для плоскопараллельного конденсатора, большая величина данного отношения требует использования тонких пленок. (Реально доступный диапазон изменения диэлектрической проницаемости невелик и поэтому играет второстепенную роль.) При этом напряженность поля в диэлектрике обратно пропорциональна его толщине, поэтому пробивные характеристики материала при использовании тонких пленок играют особенно важную роль [4].

Пленочные конденсаторы с полимерным диэлектриком для средних напряжений в большинстве случаев представляют из себя плоскопараллельную, конструкцию из двух свернутых в рулон лент, каждая из которых имеет металлический слой. Электроды наносятся на пленку напылением тонкого слоя (~ 0,1 мкм) металла. Толщина полимерной пленки (полипропилен, поликарбонат, полистирол) составляет 10 мкм и менее, что для напряжения сети 240 В дает напряженность электрического поля 24 MB•м⁻¹. Для того чтобы выдержать столь сильное поле, пленка должна быть очень высокого качества, т. е. свободной от пор и примесей. К счастью, такие конденсаторы способны самовосстанавливаться. Пробой в области неоднородности приводит всего лишь к испарению металла из расположенной вблизи нее части электрода, после чего процесс пробоя останавливается. Каждое такое событие немного уменьшает площадь электрода и при частом повторении может вскоре привести к значительному снижению емкости конденсатора. Разряды чаще всего возникают в пузырьках воздуха между слоями, что становится серьезной проблемой при высоких напряжениях. Для исключения подобных явлений конденсатор пропитывается жидкостью, обладающей высоким пробивным напряжением. Если используемая жидкость имеет большую диэлектрическую проницаемость, в полости, которую она заполняет, снижается напряженность поля и, соответственно, вероятность пробоя [4]. Необходимо учитывать, что диэлектрик не должен обладать высокими диэлектрическими потерями, иначе в переменном поле будет происходить перегрев конденсатора, что может способствовать его пробою.