.

Сильні електричні поля в конденсаторних конструкціях та удосконалення високовольтних силових конденсаторів: Автореф. дис… д-ра техн. наук / В.В. Руд

Язык: украинский
Формат: реферат
Тип документа: Word Doc
0 4457
Скачать документ

ХАРКІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

РУДАКОВ ВАЛЕРІЙ ВАСИЛЬОВИЧ

УДК 621.319.4

СИЛЬНІ ЕЛЕКТРИЧНІ ПОЛЯ В КОНДЕНСАТОРНИХ КОНСТРУКЦІЯХ
ТА УДОСКОНАЛЕННЯ ВИСОКОВОЛЬТНИХ СИЛОВИХ
КОНДЕНСАТОРІВ

СПЕЦІАЛЬНІСТЬ 05.09.13 – ТЕХНІКА СИЛЬНИХ ЕЛЕКТРИЧНИХ ТА МАГНІТНИХ ПОЛІВ

АВТОРЕФЕРАТ ДИСЕРТАЦІЇ НА ЗДОБУТТЯ НАУКОВОГО СТУПЕНЯ
ДОКТОРА ТЕХНІЧНИХ НАУК

ХАРКІВ – 1999
ДИСЕРТАЦІЄЮ Є РУКОПИС.
РОБОТА ВИКОНАНА В НАУКОВО-ДОСЛІДНОМУ ТА ПРОЕТНО-КОНСТРУКТОРСЬКОМУ
ІНСТИТУТІ “МОЛНІЯ” І НА КАФЕДРІ ІНЖЕНЕРНОЇ ЕЛЕКТРОФІЗИКИ ХАРКІВСЬКОГО
ДЕРЖАВНОГО ПОЛІТЕХНІЧНОГО УНІВЕРСИТЕТУ МІНІСТЕРСТВА ОСВІТИ УКРАЇНИ.
НАУКОВИЙ КОНСУЛЬТАНТ – ДОКТОР ТЕХНІЧНИХ НАУК, ПРОФЕСОР
МИХАЙЛОВ ВАЛЕРІЙ МИХАЙЛОВИЧ,
ХАРКІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ,
ЗАВІДУВАЧ КАФЕДРИ ІНЖЕНЕРНОЇ ЕЛЕКТРОФІЗИКИ
ОФІЦІЙНІ ОПОНЕНТИ 1. ДОКТОР ТЕХНІЧНИХ НАУК, ДОЦЕНТ
БАТИГІН ЮРІЙ ВІКТОРОВИЧ,
ХАРКІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ,
ПРОФЕСОР КАФЕДРИ ВИЩОЇ МАТЕМАТИКИ.
2. ДОКТОР ТЕХНІЧНИХ НАУК, ПРОФЕСОР
БРЖЕЗИЦЬКИЙ ВОЛОДИМИР ОЛЕКСАНДРОВИЧ
НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ
“КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”, ЗАВІДУВАЧ
КАФЕДРИ ТЕХНІКИ ТА ЕЛЕКТРОФІЗИКИ ВИСОКИХ НАПРУГ.
3.ДОКТОР ФІЗИКО-МАТЕМАТИЧНИХ НАУК, ПРОФЕСОР
ХИЖНЯК МИКОЛА АНТОНОВИЧ,
ІНСТИТУТ ПЛАЗМОВОЇ ЕЛЕКТРОНІКИ ТА НОВИХ МЕТОДІВ
ПРИСКОРЕННЯ ННЦ “ХАРЬКІВСЬКИЙ ФІЗИКО-ТЕХНІЧНИЙ
ІНСТИТУТ”, ЗАСТУПНИК ДИРЕКТОРА.
ПРОВІДНА УСТАНОВА – ІНСТИТУТ ЕЛЕКТРОДИНАМІКИ НАН УКРАЇНИ, М. КИЇВ.

ЗАХИСТ ВІДБУДЕТЬСЯ “ 07” ЖОВТНЯ 1999 Р. О 14- 30 ГОДИНІ НА
ЗАСІДАННІ СПЕЦІАЛІЗОВАНОЇ ВЧЕНОЇ РАДИ Д 64.050.08 У ХАРКІВСЬКОМУ ДЕРЖАВНОМУ
ПОЛІТЕХНІЧНОМУ УНІВЕРСИТЕТІ ЗА АДРЕСОЮ: 310002, ХАРКІВ-2, ВУЛ. ФРУНЗЕ, 21.

З ДИСЕРТАЦІЄЮ МОЖНА ОЗНАЙОМИТИСЬ У БІБЛІОТЕЦІ ХАРКІВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ПОЛІТЕХНІЧНОГО УНІВЕРСИТЕТУ.
АВТОРЕФЕРАТ РОЗІСЛАНИЙ “18” СЕРПНЯ 1999 Р.

ВЧЕНИЙ СЕКРЕТАР
СПЕЦІАЛІЗОВАНОЇ ВЧЕНОЇ РАДИ БОЛЮХ В.Ф.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність проблеми. Сучасний етап науково-технічного розвитку характеризується становленням ефективних і маловитратних технологій, що дають можливість створювати конкурентноздатну продукцію. Серед них технології, що використовують енергію імпульсних електричних розрядів, енергетичну основу яких складають високовольтні силові електричні конденсатори. До таких технологій належать: утилізація відходів залізобетону потужними високовольтними розрядами; обробка харчових продуктів для збільшення терміну придатності із збереженням і в деяких випадках з поліпшенням їх споживчих властивостей; створення систем для примусової зупинки автомобілів – порушників; ефективне відшукування місць пошкодження силових кабелів за допомогою імпульсного пропалювання місця пробою; магнітно-імпульсна обробка матеріалів; технології на основі електрогідравлічного ефекту щодо очищення відливок, відновлення нафтових свердловин, безвідхідної обробки металів тиском та ін. Нагромаджувачі з високовольтних силових конденсаторів є найважливішими блоками сучасних джерел імпульсів напруги і струму, що застосовуються для фізичних досліджень плазми, пучків заряджених частинок, а також генераторів сильних імпульсних електричних і магнітних полів. В умовах гострого дефіциту енергетичних запасів чималого значення набуває також проблема зменшення витрат електроенергії при її передачі і поліпшення якості напруги. Одним із шляхів розв’язання даної проблеми є застосування в магістральних електричних мережах, а також у споживачів електроенергії – конденсаторних батарей для компенсації реактивної потужності. Відомі й інші традиційні і нетрадиційні форми застосування високовольтних силових конденсаторів. На жаль, до цього часу в Україні не розвинуто в достатній мірі виробництво високовольтних силових конденсаторів. Це робить проблему дослідження, розробки й організації виробництва конденсаторів надто актуальною.
Конструкції силових електричних конденсаторів характеризуються наявністю зон із вираженою неусувною неоднорідністю електричного поля (крайовий ефект) і використанням діелектричних матеріалів із різними електрофізичними характеристиками. На підставі відомих теоретичних і експериментальних досліджень тривалої електричної міцності силових конденсаторів установлено, що основним чинником, який визначає термін їх служби, є напруженість електричного поля. Меншою мірою термін служби залежить від чинників, що впливають на розподіл електричного поля, таких як товщина обкладки і діелектрика, форма діючої напруги, форма краю обкладки, структура діелектрика. У більшості випадків експериментальні дані мають схожий характер із збіжними діапазонами значень коефіцієнтів, проте їхніх узагальнюючих теоретичних залежностей поки немає. В найкращому разі опис грунтується на найпростіших розрахунках (наприклад, при доведенні оберненої залежності напруженості початкових часткових розрядів (ЧР) від товщини ізоляції в степені ½). У ряді випадків експериментальні дані мають суперечливий характер.
Схожість експериментальних залежностей терміну служби від напруженості електричного поля і здебільшого від чинників, що впливають на розподіл поля для різних типів конденсаторів, свідчить про спільність процесів, які відбуваються в ізоляції конденсаторів.
Створення основ теорії, що описує вплив характеру розподілу поля на термін служби конденсаторних конструкцій, виявлення основних закономірностей цього впливу, експериментальні дослідження тривалої електричної міцності силових електричних конденсаторів, які підтверджують ці закономірності, і розвиток на основі здобутих результатів вітчизняного конденсаторобудування в Україні є актуальною проблемою техніки сильних електричних і магнітних полів.
Мета і завдання дослідження. Метою дисертації є розробка теоретичних положень і практичних рекомендацій, що дають змогу визначити кількісні співвідношення між розподілом сильного електричного поля, чинниками, які впливають на цей розподіл, і терміном служби ізоляції конденсаторних конструкцій, вдосконалення на їх основі силових електричних конденсаторів та інших елементів електрофізичних установок.
Для досягнення поставленої мети необхідно розв’язати такі завдання.
Дослідити форму краю обкладок силових конденсаторів, виділити характерні моделі краю обкладок із найбільшою неоднорідністю електричного поля.
Виконати аналіз розподілу електричного поля типових моделей краю обкладки і визначити чинники і ступінь їх впливу на характер розподілу поля.
Провести аналіз, узагальнити і дослідити залежності терміну служби конденсаторної та кабельної ізоляції від чинників, що впливають на розподіл поля, і виробити концепцію та критерії, що визначають якісні і кількісні зв`язки.
Обгрунтувати і дослідити механізм руйнування конденсаторної ізоляції в широкому діапазоні зміни робочих напруженостей поля.
Розробити методики прогнозування терміну служби високовольтних конденсаторів, що грунтуються на виробленій концепції, з урахуванням конструктивних і технологічних чинників, кількості шарів діелектрика, тиску при запресовуванні секцій, способу намотування, виду просочувальної рідини.
Розробити методики розрахунку конденсаторних конструкцій з екрануючими обкладками.
Визначити оптимальні геометричні співвідношення конденсаторних конструкцій, режими роботи імпульсних конденсаторів. Розробити практичні рекомендації і способи удосконалення та оптимізації конструкцій силових електричних конденсаторів і формувальних ліній.
Розробити конструкції конденсаторів із поліпшеними характеристиками для електрофізичних установок різного призначення.
Постановка вищезазначених цілей і завдань викликала необхідність використання світового досвіду силового конденсаторобудування і досягнень у даній сфері результатів робіт провідних вчених і фахівців: Н.П.Александрової, Б.П.Бєлєнького, В.Д.Беспалова, Д.С.Варшавського, Л.Н.Галахової, Є.С.Ко-лечицького, В.В.Конотопа, Г.С.Кучинського, Л.А.Молодової, Б.Г.Набоки, М.І.Назарова, Ю.С.Пінталя, В.Т.Ренне, В.І.Рудя, К.Ф.Степанчука, М.Н.Титова, В.Я.Ушакова, В.С.Федорової, О.В.Шиліна, Г.А.Шнеєрсона та ін.
Методи дослідження. Для розв’язання завдань дисертації використовувалися положення теорії електромагнітного поля, методи теорії електричних кіл, математичний апарат інтегральних рівнянь, конформних перетворень, математичне моделювання в поєднанні з чисельними розрахунками на ЕОМ. Експериментальні дослідження проводилися на реальних зразках секцій конденсаторів із використанням дослідних високовольтних стендів, засобів вимірювань, методів планування і статистичної обробки результатів.
У дисертації викладено науково обгрунтовані технічні і технологічні рішення у сфері техніки сильних електричних та магнітних полів, що забезпечують розв`язання значної прикладної проблеми створення й удосконалення високовольтних силових електричних конденсаторів із різним терміном служби.
Основні положення, що виносяться на захист.
Феноменологічна теорія руйнування ізоляції силових електричних конденсаторів у сильних електричних полях, в основі якої лежить обернена залежність терміну служби конденсаторної ізоляції від її “напруженого об`єму”.
Модель механізму руйнування конденсаторної ізоляції при різних рівнях робочої напруги.
Методики визначення “напруженого об`єму” для типових конденсаторних конструкцій, розрахунку залежностей терміну служби від чинників, що впливають на розподіл поля, які грунтуються на порівняльному аналізі “напружених об`ємів”, оптимізації конденсаторних конструкцій за мінімальною величиною “напруженого об`єму”.
Методи прогнозування терміну служби силових електричних конденсаторів, що грунтуються на кількісній оцінці за теоретично здобутими і експериментально підтвердженими залежностями з урахуванням конструктивно-технологічних особливостей і експлуатаційних чинників (кількості шарів діелектрика, тиску при запресовуванні секцій, виду просочувальної рідини, способу намотки, частоти проходження імпульсів).
Практичні засоби створення й удосконалення силових електричних конденсаторів та інших елементів електричних установок з оптимальними розмірами, вагомогабаритними характеристиками, мінімальною власною індуктивністю та підвищеним терміном служби.
Наукова новизна. Уперше здобуто такі результати.
Розроблено і розвинуто концепцію оберненої залежності терміну служби конденсаторної ізоляції від її “напруженого об’єму”.
Теоретично узагальнено і комплексно досліджено залежності терміну служби від напруженості електричного поля, форми краю обкладки, товщини обкладки і діелектрика.
Розроблено і обгрунтовано модель механізму руйнування ізоляції силових конденсаторів в умовах дії початкових і критичних ЧР.
Теоретично обгрунтовано і експериментально підтверджено: ефекти змен-шення терміну служби при збільшенні товщини обкладки і зменшені частоти проходження імпульсів; стрибкоподібної зміни показника степеня у формулі “життя” конденсаторів при зміні робочих градієнтів; послаблення впливу товщини діелектрика на термін служби при підвищених робочих напруженостях електричного поля.
Розроблено методики прогнозування термінів служби конденсаторів на основі концепції “напруженого об`єму” з урахуванням конструктивних та техноогічних особливостей виготовлення секцій.
Розроблено методи розрахунку та оптимізації конденсаторних конструкцій з екранами, що грунтуються на аналізі розподілу електричного поля біля країв обкладок.
Практична цінність.
Виявлено найсуттєвіші чинники, що визначають термін служби конденсаторів, і розроблено методи комплексної оцінки та прогнозування терміну служби конденсаторів, які дають змогу обгрунтовано здійснювати вибір конструкцій за мінімальної кількості експериментів.
Визначено оптимальні геометричні співвідношення розмірів товщини обкладки і діелектрика секцій силових конденсаторів, радіусів високовольтного коаксіального кабелю, котрі забезпечують найбільші енергоємність і термін служби. Обгрунтовано вибір співвідношення довжини проміжків керованого комутатора.
Запропоновано конструкції конденсаторів та інших елементів електрофізичного устаткування з поліпшеним розподілом поля завдяки оптимізації кількості і розташування екрануючих обкладок, що забезпечують найбільшу електричну міцність.
Визначено граничні питомі характеристики секцій імпульсних конденсаторів із паперовою та паперово-лавсановою ізоляцією, просочених касторовим маслом, у залежності від терміну служби і обгрунтовано робочі градієнти паперово-поліпропіленових конденсаторів змінної напруги, просочених мінеральним маслом.
Досліджено й рекомендовано до використання у високовольтних силових конденсаторах низку сумішей і просочувальних речовин і способів їхнього заливання.
Удосконалено методику і розроблено програму розрахунку напруженості поля й дано практичні рекомендації щодо форми зарядної напруги імпульсних конденсаторів, які працюють в усталеному періодичному режимі проходження імпульсів.
Визначено оптимальний тиск запресовування секцій із паперово-касторовою ізоляцією. Встановлено, що спосіб намотування секцій (плоскомотані або плоскопластинчасті) не впливає на термін служби.
Розроблено методики та дано рекомендації щодо вибору одинарних високовольтних ліній на основі високовольтних конденсаторів, які формують імпульси напруги прямокутної форми із квазіпостійною вершиною.
На підставі результатів досліджень розроблено й виготовлено понад 50 типів силових імпульсних високовольтних електричних конденсаторів із поліпшеними характеристиками і граничними параметрами, а також конденсаторів змінної напруги для різних електрофізичних, електротехнологічних та електропромислових установок.
Реалізація роботи. Технічна розробка, виготовлення та випробування силових високовольтних конденсаторів були здійснені у НДПКІ “Молнія”, який згідно з постановою Кабінету Міністрів №257 від 01.04.1999 належить до об`єктів, що становлять національне надбання України. Розробки автора запроваджено в таких організаціях: ХДУ, ХАІ, УФТІ, науково-дослідному інституті радіофізики (Москва), КБ “Горизонт”, ЦКБ УП (Москва), підприємствах електричних мереж Рівнеобленерго, Хмельницькобленерго, Львівобленерго, Крименерго, “Київські кабельні мережі”, ІІПТ НАН України (Миколаїв), НВФ “Енергосервіс” (Донецьк) та ін. Результати роботи використано при створені технологічного обладнання на базі НДПКІ “Молнія” ХДПУ для виробництва конденсаторів з метою забезпечення потреб України.
Матеріали дисертації використовуються в навчальному процесі ХДПУ для спеціальності “Техніка і електрофізика високих напруг” у дисциплінах “Розрахунок і конструювання електричної ізоляції”, “Розрахунок і проектування ємнісних нагромаджувачів енергії”.
Особистий внесок автора – наукове керівництво і безпосередня участь у дослідженнях, розробці, контролі технології виготовлення, проведенні випробувань усіх типів високовольтних конденсаторів, випущених у НДПКІ “Молнія” з 1980 по 1999 рік.
Апробація роботи. Основні положення роботи доповідалися на:
 Всесоюзних науково-технічних нарадах “Повышение качества и улучшение технико-экономических показателей силовых конденсаторов и комплектных конденсаторных установок”, Серпухов, 1979, 1983, 1986, 1991;
 Всесоюзних науково-технічних конференціях з електрогідравлічного ефекту, Миколаїв, 1980, 1984;
 Всесоюзній нараді секції IV Науково-технічної Ради АН СРСР “Емкостные накопители энергии в электрофизических установках предельных параметров”, Харків, 1981;
 Всесоюзному науковому семінарі “Численные методы расчета электростатических полей и высоковольтных конструкций”, Новосибірськ, 1982;
 Всесоюзному науково-технічному семінарі “Вопросы старения изоляции высоковольтного оборудования”, Тбілісі, листопад 1983;
 Всесоюзному науковому семінарі “Методы расчета электромагнитных переходных процессов и электрических полей в сетях высокого напряжения”, Каунас, травень 1985;
 Всесоюзній науково-технічній нараді “Состояние и перспективы развития электрической изоляции” Свердловськ, 1987;
 3-й Всесоюзній конференції “Импульсные источники энергии”, Ленінград, червень 1989;
 Всесоюзній нараді “Вопросы обеспечения стойкости радиоэлектронных средств к воздействию ЭМИ”, Харків, 1991;
 Науковій школі “Физика импульсных воздействий на конденсированные среды”, Миколаїв, 1993-1997;
 Intern. Symposium on High Voltage Engineering. 1995. GRAZ. Austria; 1997, Quebec, Montreal, Canada;
 VI конференції АСІНКОМ, Київ, червень 1996;
 Міжнародній науково-технічній конференції з фізики твердих діелектриків “Диэлектрики – 97”, Санкт-Петербург, 1997;
 II Міжнародній науково-технічній конференції “Математичне моделювання в електротехніці та енергетиці”, Львів, 1997.
Публікації.
Основні положення дисертації опубліковано у 60 працях. Серед них 18 статей, 16 винаходів, 2 патенти України, 24 матеріалів і тез доповідей на міжнародних та на науково-технічних конференціях.
Структура і об’єм роботи.
Дисертаційна робота складається зі вступу, п’яти розділів, висновків, заключення, списку літератури із 209 найменувань, додатка. Зміст роботи викладено на 305 сторінках, зі 128 ілюстраціями і 37 таблицями.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовано актуальність проблеми створення і удосконалення силових високовольтних електричних конденсаторів із різним терміном служби, сформульовано мету і завдання роботи, викладено нові наукові результати і основні положення, що виносяться на захист, відзначається практична цінність. Указується реалізація та апробація роботи.
У першому розділі проведено огляд і аналіз методів розрахунку поля конденсаторних конструкцій, прийнятих моделей розрахунку, експериментальних залежностей термінів служби ізоляції силових конденсаторів від різних чинників. Викладаються основні положення феноменологічної теорії руйнування діелектрика конденсаторних конструкцій, розробленої автором. Наведено методики розрахунку “напружених об`ємів”, здобуто теоретичні залежності терміну служби від геометричних параметрів і напруженості електричного поля за допомогою порівняльного аналізу “напружених об`ємів” характерних моделей конденсаторних конструкцій. Зроблено аналіз відомої залежності терміну служби від напруженості електричного поля
, (1)
де А – постійна,
n – показник степеня, що залежить від виду діелектрика і рівня робочої напруженості електричного поля.
Для широкого класу електричних конденсаторів при робочих напруженостях поля Ер, близьких до напруженості Е* початкових ЧР, показник степеня n набирає значення 46. Для Ер, що змінюються від Е* до напруженості Е** критичних ЧР, значення n змінюється від 4 до 10. При Ер>E** показник степеня n=1036. При низьких робочих градієнтах ЕрЕ* пробої ізоляції відбуваються біля краю обкладок. При ЕрЕ** пробої ізоляції розподіляються по площі обкладок (у тому числі і біля країв обкладок).
Суттєва залежність терміну служби від невеликих змін робочих градієнтів електричного поля згідно із формулою (1) протягом десятиріч привертає дослідників до аналізу електричних полів у конденсаторних конструкціях. Прийняті в літературі моделі розрахунку електричного поля з нескінченно тонкою півплощиною і півплощиною кінцевої товщини з прямокутним зрізом краю дають можливість зробити загальні оцінки впливу геометричних чинників на розподіл електричного поля в окремих випадках. Розрахунки обмежувалися рекомендаціями щодо поліпшення розподілу поля, інколи не зовсім вірними (наприклад, щодо вибору товщини обкладки). Окрім того, незважаючи на певні досягнення в дослідженнях електричного поля в конденсаторних конструкціях, не вироблено фізичного критерію, за допомогою якого є можливим визначення залежностей терміну служби за розрахунковими значеннями напруженості поля. На підставі відомих результатів і власних досліджень автором , запропоновано ввести “напружений об`єм”, як фізичну характеристику внутрішньої ізоляції конденсаторних конструкцій, що визначає її термін служби.
“Напружений об`єм” – область ізоляції з підвищеним градієнтом електрич-ного поля, всередині якого напруженість поля перевищує деяку критичну величину Екр і в якому при великому терміні служби ізоляції відбуваються необоротні процеси, що спричиняють нагромадження структурних змін і руйнування даної області, які в кінцевому підсумку визначають термін служби ізоляції.
Обгрунтовано й розвинуто положення про обернену залежність терміну служби від величини “напруженого об’єму”, тобто
М1/V. (2)
Для розглядуваних двовимірних розрахункових моделей конденсаторних конструкцій “напружений об’єм” визначається на одиницю довжини контуру обкладок і дорівнює площі його поперечного перерізу.
Методику визначення “напружених об`ємів” розглянуто на прикладах аналізу розподілу електричного поля типових моделей краю обкладок силових конденсаторів. Типову модель краю обкладки у вигляді симетричного трикутного виступу і області ізоляції з підвищеною напруженістю електричного поля наведено на рис.1. Область k-того “напруженого об`єму” на одиницю довжини уявляємо у вигляді кругового сектора радіусу rk із центром у вершині Ак розглядуваної моделі і обмеженого контуром поперечного перерізу обкладки. Наприклад, “напружений об`єм” біля вершини А3 (рис.1,а) становить V=r32(1+/2), де кут  – виражається у частках . Для розрахунку електричного поля в наведеній на рис.1 моделі застосовано метод конформних перетворень.

Рис.1 Типова модель краю обкладки

Формула Кристофеля-Шварца для відтворення верхньої півплощини t ((рис.1,б) на область шестикутника у площині Z (рис.1) має вигляд
, (3)
де постійні а3 і а5 визначаються з рівнянь
а3а5=1, а3+а5=2-4(1+0,5)2/ ,
=h/d.
Вирази для визначення напруженості поля поблизу характерних кутових точок знайдено з точністю першого порядку мализни відносно товщини діелектрика і обкладки у припущені rk0 і мають вигляд
поблизу точки А3 на відстані r3 від неї –
; (4)
поблизу точки А4 на відстані r4 від неї –
, (5)
де r3 і r4 є радіусами “напружених об’ємів”, якщо Е3 і Е4 дорівнюють Екр; Е0=U0/d. Вирази для “напруженого об’єму” V мають вигляд відповідно
для точки А3
, (6)
для точки А4
. (7)
Рівність “напружених об’ємів” з центром у точках А3 і А4 при r/d0 досягається при =0=2/3. При r/d0,05 величини “напружених об`ємів” поблизу А3 і А4 залежать від , . При цьому граничне значення кута 0, при якому досягається рівність ”напружених об’ємів”, становить 0,680,8, де більше значення 0 відповідає більшим значенням r/d.
З урахуванням формул (6), (7) та концепції зворотної залежності терміну служби від “напруженого об`єму”, розрахункове значення показника степеня у формулі “життя” (1) становить
(8)
та змінюється від 4 до 8 при змінені  від 0 до 2/3. При 0 процеси руйнування ізоляції найбільш інтенсивні в околі т.А3, де “напружений об`єм” більший, а при Е** поява критичних ЧР біля гострих кромок електродів спричиняє перенесення заряду з обкладки на поверхню розділу твердого діелектрика і масляного прошарку, що прилягає до краю обкладки. Відбувається вирівнювання електричного поля біля краю гострої кромки, і в першому наближенні розрахункову модель краю обкладки можна представити у вигляді, зображеному на рис.3, де потенціал розділу границі діелектриків DХ біля гострої кромки прийнято рівним потенціалові обкладки ВСD.
Напруженість електричного поля поблизу вершини C (рис.3) визначається формулою
, (13)

а “напружений об’єм”
. (14)
Для характерних реальних значень кута =(1/26/7) значення показника степеня при Е0/Екр у формулі (14) змінюється від 6 до 16 (при >6/7 показник степеня швидко зростає). Механізм руйнування ізоляції такий. При Е0Е* визначальними є процеси руйнування ізоляції біля гострого кута краю обкладки і застосовні формули (9) і (10). При Е0Е** процеси руйнування ізоляції ЧР біля гострого кута краю обкладки не встигають внаслідок короткого терміну служби повністю розвинутися, а визначальними будуть процеси руйнування ізоляції біля тупого кута краю обкладки за моделлю (рис.3).
У цьому випадку застосовні формули (13) і (14). Для області робочих градієнтів Е*>d пробій біля краю екрана і екранованої обкладки розвивається одночасно, якщо виконується умова =0,5.
Експериментальна перевірка короткочасної електричної міцності зразків паперо-касторових секцій з товщинами діелектрика d(1-)=100 мкм і d=10100 мкм при товщині одного аркуша паперу КОН-2, що дорівнює 10 мкм, показала, що умова рівнозначності перебігу пробивних процесів (число місць пробоїв біля краю екрана і екранованої обкладки однакове) настає при =0,41. При цьому електрична міцність секцій з екранами на 28% більша, ніж секцій без екрана.
Цій умові відповідає результат за концепцією “напруженого об`єму”, якщо врахувати товщину екранованої обкладки і скошену форму краю обкладки. Для практичних розрахунків (без врахування товщини обкладки) можна застосовувати формальний критерій рівнозначності пробою, що полягає в досягненні однакових значень напруженостей поля на пропорційних відрізках і застосування якого до даного випадку дає значення =0,38.

Рис.6. Значення коефіцієнтів А і В в залежності від відносної довжини виступу екрана

Поставлено і розв`язано задачу оптимізації конденсаторних конструкцій з кількома екранами з врахуванням зсуву між краями екранів. При випробуванні секцій з різною кількістю екранів електрична міцність секцій із будь-яким числом екранів перевищує електричну міцність без екрана в кращому разі на 50%, а місця розташування пробоїв секцій з екранами концентруються в основному по площі екранованої обкладки. Таким чином, експеримент показав, що недоцільно використовувати більше, ніж 2 екрани, а розрахунок системи з 2 екранами можна звести до послідовного розрахунку двох систем з одним екраном. Наводиться опис конструкції імпульсних конденсаторів КІМ46 і КІМ46А, на номінальну напругу 100 кВ, секції яких виконано зі збільшеною ємністю за рахунок введення в середній частині секцій додаткових обкладок, електрично з`єднаних з однією з основних. При цьому термін служби, що визначається процесами руйнування на краях основних обкладок, не змінюється, а ємність збільшується на 20% у порівнянні з типовими секціями, В унікальному надвисоковольтному імпульсному конденсаторі КІМ32 на 2,5 МВ, виконаному за типом конденсаторного вводу, введення додаткових обкладок у центральній частині між зрівняльними в перших і останніх витках намотки та з`єднаних із зрівняльними дозволило отримати поліпшений розподіл електричного поля на краях зрівняльних обкладок, що забезпечило підвищення надійності. Зменшенню довжини виводу і індуктивності конденсатора КІМ32 сприяли оригінальна конструкція бар`єрної ізоляції поблизу країв обкладок у вигляді продовження робочої ізоляції, загнутої на кут, близький до 90, і поліпшення розподілу поля уздовж зовнішньої поверхні ізолятора виводу за допомогою зовнішніх екранів. Конденсатор КІМ32 використовується як загострювальна ємність генератора імпульсних напруг (ГІН), створеного в НДПКІ “Молнія” для одержання імпульсів напруги з крутим фронтом.
Запропоновано методику і обгрунтовано вибір оптимального положення ініціюючого електрода у високовольтному ємнісному розряднику, що працює за принципом викривлення поля у складі загострювального пристрою ГІН, в якому ініціюючий електрод із гострими кромками розташований паралельно площині основних електродів. Задача щодо визначення напруженості поля розв`язана у припущенні, що потенціал ініціюючого електрода відрізняється від потенціалу еквіпотенціальної поверхні, у площині якої він розташований. Для розглядуваної системи електродів із двома розрядними проміжками вплив характеру розподілу поля врахований за допомогою умови рівності короткочасної електричної міцності проміжків із використанням експериментальних залежностей електричної міцності у різко неоднорідних проміжках від коефіцієнта посилення електричного поля. Коефіцієнт посилення поля визначається як відношення напруженості електричного поля біля гострої кромки ініціюючого електрода у рівновіддалених точках до середньої напруженості поля в кожному з проміжків.
На рис.7 показано залежність оптимального співвідношення довжин проміжків від коефіцієнта переполюсування p=(UnU0)(1+)/U0, де Uп – потенціал ініціюючого електрода, U0 –
різниця потенціалів між основними електродами,  – відношення проміжків.
При р=1 (повне переполюсування керуючого електрода) здобуто =5,15. За неповного переполюсування (р0,005 має максимум, що залежить від r/d і . Значення напруженості поля біля гострого кута у 2,03,5 рази більше, ніж біля тупого краю обкладки на однакових відстанях від краю обкладки. Це означає, що процеси руйнування ізоляції поблизу тупого кута обкладки розпочнуться не раніше, ніж при збільшенні робочої напруженості електричного поля у 2 і більше разів після початку процесів руй-нування ізоляції біля гострих кромок обкладок. Для характерних відстаней r/d=0,010,05 максимум Еr відповідає кутам збігу граней краю обкладки, які дорівнюють =0,7-0,85, де в в першу чергу розпочнуться процеси руйнування при підвищеній робочій напрузі. Це означає, що показник степеня n при зміні механізму руйнування змінюється стрибкоподібно від 46 до 1116. При цьому з урахуванням шунтування одного шару паперу в однорідному полі стрибкоподібними вмиканнями значення напруженості поля під обкладками і біля краю обкладки стають близькими за величиною, що призводить до появи процесів руйнування ізоляції під обкладками, які розвиваються паралельно, що й спостерігається на практиці.
Одним із слабких компонентів конструкцій силових електричних конденсаторів є просочувальні речовини. Просочувальні рідини знаходяться у прямому контакті з кромкою краю електродів, а їх електрична міцність, як правило, менша за електричну міцність твердих матеріалів. Згідно з розглянутим у попередніх розділах з точки зору розподілу поля кращим варіантом є використання полярних рідин із високим значенням діелектричної проникності. Проте вони мають підвищений тангенс кута діелектричних втрат (або провідність), і застосування їх у кожному конкретному випадку необхідно пов`язувати з формою робочої напруги.
Експериментально досліджено вплив сумішей відомих рідин на ресурс імпульсних конденсаторів з метою використання кращих властивостей кожної з них. Досліджено вплив суміші касторового і трансформаторного масел у трьох варіантах: заливання заздалегідь виготовленої суміші у співвідношенні 1:1, заливання пакета касторовим і зовні трансформаторним маслами, заливання пакета трансформаторним маслом і зовні касторовим. Застосування суміші масел у співвідношенні 1:1 дає кращі показники з ресурсу. Проте секції, просочуванні цією сумішшю мають меншу запасену енергію, ніж у конденсаторів із просоченням касторовим маслом. Менші значення терміну служби здобуто при просоченні секцій лише трансформаторним маслом або додатково зовні касторовим маслом. Позитивного ефекту досягнуто при заливанні пакета секцій касторовим маслом, а зовні трансформаторним. Застосування такого способу просочування дає виграш з ресурсу в 1,3 разу. Структура випробуваних секцій : 6 листів конденсаторного паперу КОН2-15, товщина обкладки 40 мкм. Випробувальна напруженість електричного поля складає 125 кВ/мм, частота проходження імпульсів 2,7 Гц, декремент коливань 1,38, частота розрядного струму 100 кГц.
Досліджено ряд полярних речовин на основі діоктилфталату (виготовлення якого
налагоджено в Україні на відміну від касторового масла) і здобуто позитивні результати їх застосування в імпульсних конденсаторах.
Проведено аналіз електричного поля і прискорені ресурсні випробування секцій конденсаторів змінної напруги з паперо-поліпропіленовою ізоляцією, просоченою мінеральним (трансформаторним) маслом. З урахуванням результатів теорії “напруженого об’єму” обгрунтовано робочий градієнт (2225) кВ/мм для створення конденсаторів, що компенсують втрати в електромережах промчастоти.
Теоретично обгрунтовано залежність напруженостей початкових і критичних ЧР від товщини діелектрика. Експериментальна залежність Е*d-0,5 обумовлена характером розподілу поля біля гострого краю обкладки з кутом збігу граней 30-60. Експериментальну залежність Е**d-0,58 обумовлено характером розподілу поля біля краю обкладки з урахуванням появи біля гострої кромки ділянки поверхні границі розділу діелектриків унаслідок потужних ЧР із тим самим потенціалом, що й обкладка.
У п’ятому роздiлi розглядаються практичнi результати проведених дослiджень i використання конструктивних рiшень, що сприяють зменшенню впливу сильного електричного поля.
Розроблено i виготовлено дослiдними партiями iмпульснi високовольтні конденсатори, в яких застосовано здобуті результати. У більшості конструкцій конденсаторів витримано оптимальне відношення товщини фольги до товщини діелектрика, в деяких конструкціях збiльшене число шарiв дiелектрика при невеликiй загальнiй товщинi (КIМ-77, КIМ-89), посилене запресовування центральної частини секцiй (КІМ-22, КIМ-70, КІМ-102-104), комбiнований паперо-плiвковий дiелектрик з (45-55)% вмістом поліетелентерафталатної плівки, (КІМ-58, КІМ-60, КІМ-100, КІМ-101), серiя конденсаторiв для компенсацiї реактивної потужностi з паперо-поліпропіленовою ізоляцією, просоченою трансформаторним маслом (КМР5, КМРІ1, КМРІ2, КМР1-10,5). Конденсатори КМРІ є ємнісними подільниками напруги і забезпечують високу стабільність вимірювань у широкому інтервалі зміни температур.
Спосiб комбiнованого просочування рiдин застосовано на практицi для ремонту дослідної партії конденсаторiв 19781980 рр. випуску з полярним просочуванням хлордифенiлами дав позитивний результат, причому досягнуто подвiйного ефекту – зменшення екологiчної небезпеки і збільшення термiну служби за суттєвої економiї коштiв на купiвлю нових конденсаторiв. Конструктивні оригінальні рішення, пов’язані з поліпшенням розподілу поля в головній ізоляції, зменшення індуктивності як самого конденсатора, так і у складі пристрою реалізовані в конструкціях конденсаторів КІМ-22, КІМ-32, КІМ-34, КІМ-35, КІМ-46, КІМ-53. Описано конструкцію і розрахунок робочого градієнта для імпульсних конденсаторів КІМС2 і КІМС3 з великим терміном служби (1011 імпульсів) з частотою проходження імпульсів наносекундної тривалості до 400 Гц.
Технічні характеристики деяких типів розроблених конденсаторів наведено в таблиці.
Проведено аналіз щодо питомої запасеної енергії кращих конструкцій зарубіжних та вітчизняних аналогів конденсаторів у металевих корпусах. Пік питомої потужності відповідає напругам (1015) кВ і при зменшенні чи збільшенні номінальної напруги питома енергія зменшується. Виявлена закономірність обумовлена характером розподілу поля в зонах найбільшої неоднорідності поля і нелінійним ростом об`єму головної ізоляції при збільшені номінальної напруги. Проведено оптимізацію ємнісного блоку штучної формувальної лінії з урахуванням виявленої закономірності і доведено, що кращі питомі характеристики формуючих ліній на напругу (15100) кВ досягаються при роботі на неузгоджене навантаження.
Розроблено методику оптимізації вагомогабаритних характеристик лінії, що формує прямокутний імпульс напруги з малою нерівномірністю вершини шляхом зміни значень величин індуктивностей у ланках лінії за лінійним законом, яка грунтується на чисельних методах Рунге-Кутта визначення форми імпульсу на навантаженні, при виконанні умов заданих нерівномірності вершини і тривалості імпульсу.
Характеристики імпульсних конденсаторів
№ Тип конденса-тора U, кВ С, мкф L, нГ Ресурс Питома енергія
Дж/дм3 Маса, кг Габарити,
мм х мм х мм
1 2 3 4 5 7 9 10 11
Конденсатори із ресурсом 107-1011 імпульсів
1 КІМ-27 55 0,1 50 2108 2,4 120 290х530х410(550)
2 КІМ-36 50 0,1 40 5107 3,17 80 250х450х350
3 КІМС1 80 0,0094 70 1011 0,78 35 170х390х590
Конденсатори із підвищеною номінальною напругою
1 КІМ-32 2500 0,0009 700 8104 4,8 900 415х4300
2 КІМ-35 125 0,64 570 8104 61,7 120 300х300х900(1315)
3 КІМ-46А 100 0,05 10 105 20,3 14 70х400х440
4 КІМ-53 100 0,1 40 3104 15,0 36 85х400х980
5 КІМ-100 100 0,02 50 104 95 2,9 30х270х130(190)
Конденсатори із ресурсом 104-105 імпульсів
1 КІМ-70 10 27 60 105 135,2 23 120х260х320(400)
2 КІМ-77 5 120 30 5104 105 33 138х405х255(315)
3 КІМ-102 10 100 60 5104 125 81 260х480х320(390)
4 КІМ-104 15 10 60 8104 112,7 23 260х120х320(420)

Розроблені і виготовлені в період 1980-1998 рр. імпульсні високовольтні конденсатори застосовуються в НДПКІ “Молнія” в генераторах імпульсів великих напруг та струмів, дослідних технологічних установках для електромагнітної обробки харчових продуктів, утилізації відходів залізобетону; для випробування і визначення місця пошкодження високовольтних силових кабелів у складі випробувальних пересувних лабораторій підприємств Міненерго (“Харківенергоналадка”, Хмельницькенерго, НВФ “Енергосервіс”- Донецьк, Крименерго); для електрогідравлічного пресу (ХАІ, Харків, НДТІ-НДІ, м.Казанлик, Болгарія); у складі джерел живлення для дроблення каменів внутрішніх органів людини, у схемах імпульсного живлення дослідно-промислових електрофільтрів, призначених для очищення відходів газів промислових підприємств і електростанцій від оксидів сірки, азоту і газоподібних органічних сполук (КБ “Горизонт”, Москва); імпульсних установках для проведення наукових і прикладних досліджень, джерел живлення: СО2-лазерів (ЦКБ ОУП, м.Москва), клістрону (УФТІ), модуляторів високовольтних імпульсів (НДІРФ, Москва), генераторів імпульсних напруг (ХДУ, Харків, НДІ “Градієнт”, Ростов-на-Дону, НДІ земного магнетизму, Красноярськ).
Розроблені силові конденсатори змінної напруги експлуатуються на підприємствах Крименерго, Львівенерго, Київські кабельні мережі, Рівнеенерго у складі високовольтного силового електрообладнання

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ РОБОТИ

Викладено науково обгрунтовані технічні і технологічні рішення в галузі техніки сильних електричних і магнітних полів, які забезпечують розв`язання значної прикладної проблеми електроенергетики створення і удосконалення силових електричних конденсаторів із різним терміном служби та інших елементів електрофізичних установок, що полягають у такому:

Запропоновано й обгрунтовано феноменологічну теорію руйнування ізоляції конденсаторних конструкцій, засновану на концепції зворотної залежності терміну служби від величини “напруженого об’єму”, яка включає виявлення типових моделей електродів, визначення аналітичних залежностей “напружених об`ємів” від різних чинників за результатами розрахунку електричного поля і прогнозуванням терміну служби з урахуванням моделі механізмів руйнування ізоляції при різних рівнях робочої напруженості електричного поля.
Здобуто розрахунковим способом і експериментально підтверджено узагальнюючі залежності терміну служби силових конденсаторів від напруженості електричного поля і чинників, що визначають його розподіл у зонах неоднорідності (товщини обкладок і діелектрика, форми краю обкладки, значень діелектричних проникностей, електричної міцності застосовуваних діелектриків), що дає можливість прогнозувати тривалу електричну міцність конденсаторних конструкцій у сукупності дії зазначених чинників.
Запропоновано і обгрунтовано модель механізму руйнування конденсаторної ізоляції, за якою при робочих напруженостях електричного поля, менших за напруженість Е** критичних ЧР термін служби визначається процесами руйнування ізоляції переважно біля гострих кромок електродів, а при напруженостях поля, більших за Е**, домінуючий вплив на процеси руйнування справляють кромки обкладок з великими кутами збігу граней. Величина показника степеня n визначається аналітично і знаходиться в межах 412 при робочих напруженостях поля, менших за Е**, і дорівнює 616 і більше при робочих напруженостях поля, більших за Е**. Розрахункова залежність терміну служби від товщини діелектрика і обкладок має вигляд Мd-mh-, де m і  у першому випадку дорівнюють відповідно (23) і (-0,2-0,8), у другому випадку – відповідно (0,41,5) і (0,41,6). Теоретично доведено зменшення терміну служби від товщини обкладки і послаблення впливу товщини діелектрика при підвищених робочих напруженостях поля. Виявлено стрибкоподібну зміну показника степеня n у формулі “життя” при зміні робочих градієнтів.
Показано роль “напруженого об`єму” і теоретично обгрунтовано термін служби кабельної ізоляції в залежності від робочої напруженості поля в степені (-4,5-13), причому, на відміну від конденсаторних конструкцій, більші за абсолютною величиною показники степеня відповідають меншим робочим градієнтам. Установлено характерні величини напруженостей електричного поля, що визначають розміри “напруженого об`єму”.
Удосконалено методики розрахунку розподілу електричного поля для імпульсних конденсаторів з підвищеною частотою проходження імпульсів (0,1 Гц і більше), що грунтується на визначенні напруженості для поля біля краю обкладки шляхом розрахунку еквівалентної схеми заміщення діелектрика методом частотних характеристик для серії усталених відносно повільних зарядних імпульсів напруги і уточненням розподілу поля в момент порівняно швидких розрядних імпульсів напруги чисельними методами розрахунку поля. Дано рекомендації щодо форми зарядної напруги і показано доцільність зарядження конденсатора напругою косокутної форми і для деяких випадків підвищення частоти проходження імпульсів.
На основі концепції “напруженого об`єму” розроблено методики оптимізації різних пристроїв техніки сильних електричних та магнітних полів і дано практичні рекомендації щодо вибору оптимальних співвідношень товщини обкладки до товщини діелектрика для конденсатора, співвідношення радіусів коаксіального кабелю. Обгрунтовано вибір співвідношення довжин проміжків у високовольтному трьохелектродному комутаторі.
Розроблено методики розрахунку й оптимізації конденсаторних конструкцій з екрануючими обкладками, що полягають у виборі їх числа і розташування шляхом аналізу розподілу електричного поля в характерних зонах неоднорідності і застосування критерію оцінок за концепцією “напруженого об`єму”. Запропоновано конструкції конденсаторів та інших елементів електрофізичного обладнання з поліпшенням розподілу поля на краях обкладок за рахунок екранів.
Розроблено методики розрахунку і оптимізації високовольтних одинарних формувальних ліній, що дають можливість визначити мінімальну вагу ємнісного блоку при роботі на неузгоджене навантаження і параметри ланок, які забезпечують отримання прямокутної форми імпульсу з малою нерівномірністю вершини.
Виконано серії дослідів і експериментально визначено граничні робочі градієнти паперо-плівкової і паперової ізоляції імпульсних конденсаторів, просочених касторовим маслом, у широкому діапазоні товщини діелектрика (32104) мкм і показано, що при терміні служби меншому за 104 імпульсів заряд-розряд, доцільно застосовувати паперо-лавсановий діелектрик, а при терміні служби понад 2104 імпульсів заряд-розряд – паперовий. Здобуто математичну модель визначення терміну служби секцій імпульсних конденсаторів у залежності від декремента коливань, напруженості поля, відсоткового вмісту плівки для товщини діелектрика (100 мкм).
Досліджено термін служби паперо-касторових імпульсних конденсаторів у залежності від тиску запресовування секцій і визначено, що він може змінюватися на два порядки при збільшенні тиску запресовування від 1 до 200 атм. При збільшенні сталості питомої енергії найбільший термін служби матимуть конденсатори, виготовлені при тиску запресовування 510 атм. При цьому термін служби практично не залежить від способу виготовлення секцій (плоскомотані або плоско-пластинчасті). Термін служби паперо-масляних імпульсних конденсаторів, навпаки, дещо підвищується із збільшенням тиску запресовування.
Експериментально визначено, що кількість шарів діелектрика є суттєвим чинником, який впливає на термін служби. Із збільшенням кількості шарів від 4 до 12 при постійній загальній товщині діелектрика термін службі збільшується у 5-6 разів. До чинників, що сприяють збільшенню терміну служби імпульсних конденсаторів, слід віднести збільшення цупкості паперу, в тому числі також розташування паперу з більшою цупкістю біля обкладки, яка заряджається при зарядженні від`ємно.
Досліджено й рекомендовано до використання суміші і просочувальні речовини на основі касторового масла та діоктилфталатів. Запропоновано спосіб заміни в`язкої просочувальної рідини у вільному об`ємі конденсатора на неполярну малов`язку діелектричну рідину (наприклад, трансформаторне масло), що дає змогу подовжити термін експлуатації конденсаторів, які перебувають в експлуатації.
На підставі проведених досліджень обгрунтовано вибір конструктивних і запропоновано низку оригінальних рішень унікальних високовольтних імпульсних конденсаторів, розроблених і виготовлених у НДПКІ “Молнія” ХДПУ. Діапазон робочих напруг розроблених імпульсних конденсаторів складає від 5 до 2500 кВ, ємність  від 10 нФ до 159 мкФ, мінімальна власна індуктивність конденсаторів досягає 10 нГн. Максимальна питома запасена енергія становить 130 Дж/дм3 при терміні служби 105 імпульсів заряд-розряд. Обгрунтовано вибір робочих градієнтів і розроблено високовольтні конденсатори змінної напруги з паперо-плівковим діелектриком, просоченим трансформаторним маслом.
Розроблені конденсатори використовуються: у випробувальних лабораторіях підприємств Міненерго для випробувань ізоляції високовольтного устаткування; для науково-дослідних цілей як джерела живлення СО2-лазерів, клістрону; моделювання електромагнітних імпульсів природного і штучного походження; у складі дослідно-промислового обладнання для обробки рідких харчових продуктів; літотриптеру для дроблення каменів у нирках, електрогідравлічного преса; для зміщування потенціалу нейтралі при однофазних замиканнях у мережі ліній електропередач; у конструкціях високовольтних нерезонуючих трансформаторів напруги промчастоти; в установках для компенсації реактивної потужності.
Матеріали дисертації використовуються у навчальному процесі ХДПУ для спеціальності “Техніка і електрофізика високих напруг” у дисциплінах “Розрахунок і конструювання електричної ізоляції”, “Розрахунок і проектування ємнісних нагромаджувачів енергії”.

СПИСОК ОСНОВНИХ ПУБЛІКАЦІЙ

1 Рудаков В.В. Выбор рабочей напряженности электрического поля масляных бумажно-полипропиленовых конденсаторов.//Вестник ХГПУ. Сер. Электроэнергетика и преобразовательная техника.-1999.-Вып.37.-С.76-80.
2 Рудаков В.В. Эффект скачкообразного изменения показателя степени в формуле “жизни” электрических конденсаторов. // Вестник ХГПУ. -1998. -вып.25. -С.17-21.
3 Рудаков В.В. Распределение электрического поля у края обкладки с комбинированным диэлектриком. // Вестник ХГПУ. -1998. -вып.25. -С.12-16.
4 Рудаков В.В. Определение положения инициирующего электрода высоковольтного коммутатора. // Вестник ХГПУ. -1998. -вып.14. -с.106-111.
5 Рудаков В.В., Бондина Н.Н., Альбова И.М., Козлов Ю.Г. Статистическая обработка результатов ресурсных испытаний электрической изоляции конденсаторов. // Техническая электродинамика. -1998. -Спецвыпуск. -С.106-112. Автор розробив методику статистичної обробки результатів ресурсних іспитів та алгоритм її реалізації на ЕОМ, поставив та брав участь у проведені експериментів, провів аналіз результатів.
6 Рудаков В.В. Механизм разрушения конденсаторной изоляции. // Техническая электродинамика. – 1998. -№6.-С.10-15.
7 Рудаков В.В. Срок службы кабельной изоляции как функция “напряженного объема”. // Техническая электродинамика. -1998. -№5.-С.8-10.
8 Рудаков В.В. Определение формы границы раздела диэлектриков у края обкладки конденсатора. // Вестник ХГПУ. Сер. Экология. Математика. Электроэнергетика. -1997. -вып.8. -С.144-148.
9 Рудаков В.В. Оптимизация конструкции конденсатора. // Техническая электродинамика. -1996. -№5.-С.6-9.
10 Рудаков В.В. Срок службы конденсаторной изоляции. // Техническая электродинамика. -1994. -№4. -С.3-6.
11 Рудаков В.В., Воскобойник Е.В. Оптимизация конструкции многозазорного коммутатора. // Вестник ХПИ. Сер. Электроэнергетика и автоматизация энергоустановок. -1992. -№286, вып.17. -С.54-56. Автор поставив задачу, розробив методику вирішення, провів аналіз результатів.
12 Рудаков В.В., Корнев С.Ю., Удовиков И.И. Расчет и оптимизация конструкции конденсаторного типа с экранирующими обкладками. // Изв. ВУЗов. Сер. Электромеханика. -1991. -№8. -С.89-91. Автор запропонував ідею та методику розрахунку з урахуванням критерію оптимізації.
13 Рудаков В.В., Круглов О.С. Ассимптотика распределения электрического поля у края конденсаторной обкладки со скошенным торцом. // Теоретическая электротехника. -Львов: Світ. -1991. -вып.50.-С.38-42. Автор поставив задачу, розробив методику рішення, провів аналіз результатів.
14 Рудаков В.В., Кузнецов С.А. Особенности расчета электростатических полей многопроводных линий у границы раздела диэлектрических сред//Теоретическая электротехника. -Львов: Світ.-1990.-вып.49.-С.126-131. Автор розробив методику розрахунку поля та оцінки похибки при обчисленнях.
15 Рудаков В.В., Беспалов В.Д., Удовиков И.И. Исследование бумажно-пленочного диэлектрика секций высоковольтных импульсных конденсаторов. // Изв. ВУЗов. Сер. Энергетика. -1990. -№11. -С.58-61. Автор запропонував ідею експерименту, методику планування та обробки результатів, розрахував математичну модель
16 Рудаков В.В. О выборе емкостного блока высоковольтной одинарной формирующей линии. // Изв. ВУЗов Сер. Энергетика. -1988. -№10. -С.53-56.
17 Рудаков В.В., Бондина Н.Н., Дунай В.А, Расчет высоковольтных одинарных линий, формирующих импульсы напряжения с квазипостоянной вершиной. // Вестник ХПИ. Сер. Электроэнергетика и автоматизация электроустановок. -1988. -№251, вып.15. -С.43-45. Автор розробив методику розрахунку та оптимізації, провів аналіз результатів.
18 Рудаков В.В. Эффективность экранирования конденсаторной обкладки. // Электричество. -1985. -№1. -С.71-73.
19 Рудаков В.В., Корнев С.Ю. Электрическое поле полосковой линии, расположенной вблизи диэлектрической стенки// Вестник ХПИ. Сер. Электроэнергетика и автоматизация электроустановок.-1987.-№243, вып.14.-С.63-65. Автор розробив методику розрахунку та провів аналіз результатів.
20 Патент №15310А Украина. Высоковольтный импульсный конденсатор. / В.В. Рудаков, И.М. Альбова (Украина). -4с. с ил. Опубл. 30.06.97. Бюл. №3. Автор запропонував спосіб температурної компенсації за рахунок часткового змінення конфігурації корпусу.
21 Патент №20010 А Украина. Высоковольтный конденсатор. / В.В. Рудаков, В.П. Кравченко (Украина). -4с. с ил. Опубл. 25.12.97. Бюл. №6. Автор виказав та обгрунтував ідею пресування центральної частини секцій.
22 А.с. №873391 СССР, МКИ Н 03 К 3/53. Генератор импульсов высокого напряжения. / В.В. Рудаков, В.В. Конотоп, В.И. Золотых(СССР). -№2843203/18-21. Заявлено 13.11.79. Опубл. 15.10.81. Бюл. №38.-3с.Автор виказав та обгрунтував рішення по найкращому розподілу електричного поля в ізоляції.
23 А.с. №1061181 СССР, МКИ Н 01 G 4/22. Способ изготовления бумажных конденсаторов. / В.В. Рудаков, И.М. Альбова, В.Д. Беспалов (СССР). -№3401957/18-21. Заявлено 24.02.82. Опубл: 15.12.83. Бюл. №46.-3с. Автор запропонував розділити просочування рідинами у певній послідовності, брав участь у проведені експерименту, провів обробку та аналіз результатів.
24 А.с. №1069013 СССР, МКИ Н 01 G 1/14. Высоковольтный ввод конденсаторного типа. / В.В. Рудаков, Е.Д. Ашихмина (СССР). -№3366779/18-21. Заявлено 11.12.81. Опубл. 23.01.84. Бюл. №3.-3с. Автор запропонував введення додаткових обкладок та методику їх розрахунку.
25 А.с. №1322383 СССР, МКИ Н 01 G 1/02. Высоковольтный малоиндуктивный конденсатор. / В.В. Рудаков, Л.М. Соболева (СССР). -№3957942/24-21. Заявлено 01.10.85. Опубл. 07.07.87. Бюл. №25.-3с. Автор запропонував спосіб виконання конденсатора з обмеженим розподілом високого потенціалу .
26 А.с. №1325580 СССР, МКИ Н 01 В 17/28. Высоковольтный конденсаторный ввод. / В.В. Рудаков, В.А. Дунай, В.В. Конотоп, Л.М. Соболева (СССР). -№3778116/31-07. Заявлено 31.07.84. Опубл. 23.07.87. Бюл.№27.-3с. Автор обгрунтував відкрити края обкладок шляхом створення бар’єрної ізоляції.
27 А.с. №1821832 СССР, МКИ Н 01 G 1/14. Высоковольтный малоиндуктивный конденсатор. / В.В. Рудаков, Л.М. Соболева (СССР). -№4888563/21. Заявлено 06.12.90. Опубл 15.06.93. Бюл. №22.-5с. Автор запропонував використання робочої ізоляції у якості межсекційної та спосіб з’єднання виводів.
28 Рудаков В.В., Альбова И.М., Беспалов В.Д., Дунай В.А., Конотоп В.В., Кравченко В.П., Пинтер Р.М., Соболева Л.М. Импульсные конденсаторы для установок предельных параметров. // Тезисы докладов 4-го Научно-технического Совета АН СССР “Емкостные накопители энергии в электрофизических установках предельных параметров”. –Харьков:ХПИ.-1981. -С.26-28. Автор наводить технічні дані та особливості розроблених з його участю конденсаторів.
29 Рудаков В.В., Бойко Н.И., Конотоп В.В., Кириенко А.И. Влияние конфигурации электрического поля в изоляции импульсных конденсаторов на срок службы и допустимые рабочие напряженности. // Тезисы докладов Всесоюзного научно-технического семинара “Вопросы старения изоляции высоковольтного оборудования”. –Тбилиси, Л.: ВНИИГ. – 1983.- С.56-57. Автор обгрунтував проблему та шлях її вирішення
30 Рудаков В.В., Альбова И.М. Ресурс секций конденсаторов с бумагой различной плотности. // Тезисы докладов 5-го Всесоюзного совещания “Повышение качества и улучшение технико-экономических показателей силовых конденсаторов и комплектных конденсаторных установок”. -Серпухов, М.:Информэлектро.-1983.-С.24-25. Автор запропонував ідею експерименту, обгрунтував методику досліджень і виконав аналіз результатів.
31 Рудаков В.В., Конотоп В.В. Распределение электрического поля у края обкладки конденсатора, работающего в режиме ЭГ установки. / Новое в теории и практике электрогидравлического эффекта. К.: Наукова думка. -1983. -С.68-72. Автор розробив методику розрахунку електричного поля, провів аналіз результатів
32 Рудаков В.В., Бондина Н.Н., Удовиков И.И. Расчет поля у края обкладки высоковольтного конденсатора с трехслойным диэлектриком. // Тезисы докладов Всесоюзного научно-технического семинара “Методы расчета электромагнитных переходных процессов и электрических полей в сетях высокого напряжения”. –Том 2.-Каунас:КПИ. –1985.-С.58-59. Автор поставив задачу, розробив методику розрахунків та виконав аналіз результатів.
33 Рудаков В.В., Альбова И.М., Конотоп В.В., Пинтер Р.М., Соболева Л.М., Удовиков И.И. Высоковольтные импульсные конденсаторы разработки ХПИ. // Тезисы докладов Всесоюзного научно-технического совещания “Состояние и перспективы развития электрической изоляции”. –Свердловск, Л.: ВНИИГ. -1987. -С.30-31. Автор наводить технічні дані та особливості розроблених з його участю конденсаторів.
34 Рудаков В.В., Альбова И.М., Овчинников В.Г., Авилов В.О., Батюк В.П. Новая диэлектрическая жидкость для высоковольтных конденсаторов ДОФ-В. // Тезисы докладов 6-го Всесоюзного научно-технического совещания “Повышение качества и улучшение технико-экономических показателей силовых конденсаторов и комплектных конденсаторных установок”. –Серпухов.-1991. -С.20-21. Автор запропонував вимоги та експериментально дослідив електрофізичні параметри.
35 Рудаков В.В., Альбова И.М., Корнев С.Ю., Кравченко В.П., Круглов О.С., Пинтер Р.М., Соболева Л.М., Удовиков И.И. Высоковольтные импульсные конденсаторы для малоиндуктивных генераторов импульсов напряжения. // Материалы всес. науч.-техн. конф. “Вопросы обеспечения стойкости радиоэлектронных средств к воздействию электромагнитных излучений естественного и искусственного происхождения”. –Часть 2.-Харьков, М.:НТЗ “Информтехника”,1991. –С.105-106. Автор наводить технічні дані та особливості розроблених з його участю конденсаторів.
36 Rudakov V.V., Albova I.M., Gorelov V.S. The term of service life of high voltage pulsed capacitors depending on the embedding degree. // Proc. 9-th Intern. Symp. H.V.E. -GRAZ (Austria). -1995. -sub.1. -p.1904 (14). Автор виказав ідею експерименту та методику оптимізації, провів аналіз результатів
37 Рудаков В.В., Бойко Н.И. Проблема чистых помещений в силовом конден-саторостроении. // Доклады международной конференции АСИНКОМ. -Киев, М.:Полиграфучасток ГП “ВНИИФТТРИ”. -1996. -С.74-79. Автор обгрунтував необхідність вирішення проблеми, обгрунтував вплив струмопровідних включень.
38 Rudakov V.V. Service live of pulsed capacitors operated under increased gradients of electrical field. // Proc. 10-th Intern. Symp. H.V.E. -Montreal, Quebec (Canada). -1997. -v.2.- Rep. ¹3497.
39 Рудаков В.В., Свидло А.В. Расчет распределения потенциала у края обкладки конденсатора в установившемся импульсном режиме. // Тезисы докладов Международной научно-технической конференции по физике твердых диэлектриков “Диэлектрики-97”. -Санкт-Петербург: СПбГТУ. -1997. –С.175-176. Автор розробив методику розрахунку розподілу електричного поля та обгрунтував результати розрахунків
Анотації:

В.В.Рудаков “Сильні електричні поля в конденсаторних конструкціях та удосконалення високовольтних силових конденсаторів”. –Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.09.13 – техніка сильних електричних та магнітних полів. – Харківський державний політехнічний університет, Харків, 1999.
Дисертацію присвячено проблемам удосконалення високовольтних силових конденсаторів, пов`язаних з розподілом сильного електричного поля. Розроблена феноменологічна теорія руйнування конденсаторної ізоляції, яка застосована на концепції зворотної залежності терміну служби конденсатора від “напруженого об’єму” і яка узагальнює попередній досвід теоретичних і експериментальних досліджень. Викладено методики прогнозування терміну служби конденсаторів у широкому діапазоні зміни робочих градієнтів з урахуванням конструктивних особливостей та структури діелектрика. Основні теоретичні висновки дістали підтвердження експериментальними дослідженнями з визначення терміну служби. Практичні рекомендації до оптимізації, технічних та технологічних рішень впроваджено в конструкції 60 високовольтних силових конденсаторів різного призначення.
Ключові слова: конденсатор, “напружений об`єм”, електричне поле, термін служби.

Rudakov V.V.. Strong electric fields arising in the capacitor structures and improve-ment of the high-voltage high-power capacitors. – Manuscript.
The thesis for the doctor’s degree of technical sciences , specialty 05.09.13- strong electrical and magnetic fields engineering -Kharkov State Polytechnical University, Kharkov, 1999.
The dissertation set forth the problems of improvement of high voltage high- power capacitors, related to the distribution of powerful electric fields. The phenomenal theory of destruction of the capacitor insulation based on the concept of inverse dependence of the service life of a capacitor on the “stressed volume” has been developed. This theory generalizes experience gained during theoretical and experimental investigations. The methods of prediction of the service life of
capacitors in a wide range of variation of the working gradients taking into consideration the structural peculiarities and structure of a dielectric have been set forth. The main theoretical inferences were supported by the experimental investigation related to the determination of the service life. The practical recommendations on optimization, technical and technological solutions have been realized in 60 high-voltage high-power capacitors for different purposes.
Key words: capacitor, “stressed volume”, electrical field, service life.

Рудаков В.В. “Сильные электрические поля в конденсаторных конструкциях и усовершенствование высоковольтных силовых конденсаторов”.-Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.09.13 –техника сильных электрических и магнитных полей. -Харьковский государственный политехнический университет,Харьков,1999.
Диссертация посвящена проблеме создания и совершенствования высоковольтных силовых электрических конденсаторов на основе разработанных теоретических положений и практических рекомендаций, позволяющих установить количественные соотношения между распределением электрического поля и сроком службы конденсаторных конструкций. Разработана феноменологическая теория разрушения конденсаторной изоляции, основанная на концепции обратной зависимости срока службы от величины “напряженного объема”. “Напряженный объем” – область изоляции с повышенной напряженностью электрического поля, внутри которой напряженность электрического поля превышает некоторую критическую величину. Выявлены типовые модели края обкладок конденсаторных конструкций, определены аналитические зависимости “напряженных объемов” от различных факторов и проведен их сравнительный анализ. Получены расчетным путем и экспериментально подтверждены обобщающие зависимости срока службы силовых конденсаторов от напряженности электрического поля и факторов, определяющих его распределение в зонах неоднородности (толщины обкладок и диэлектрика, формы края обкладки, значений диэлектрических проницаемостей, электрической прочности применяемых диэлектриков), что позволяет прогнозировать длительную электрическую прочность конденсаторных конструкций в совокупности действия указанных факторов.
Предложена и обоснована модель механизма разрушения конденсаторной изоляции, по которой при рабочих напряженностях электрического поля меньших напряженности критических частичных разрядов (ЧР) срок службы определяется процессами разрушения изоляции преимущественно у острых кромок электродов, а при больших напряженностях поля доминирующее влияние на процессы разрушения оказывают кромки обкладок с большими углами схождения граней. Показатель степени в формуле “жизни” определяется аналитически и находится в пределах 412 при рабочих напряженностях поля, меньших напряженности критических ЧР, и равен 616 и больше при больших рабочих напряженностях. Расчетная зависимость срока службы от толщины диэлектрика и обкладок в 1-м случае имеет вид Мd-(2-3)h(0,20,8), во 2-м – Мd-(0,41,5)h-(0,41,6) для реальных толщин диэлектрика d и обкладок h. Теоретически доказано уменьшение срока службы при увеличении толщины обкладки и ослабление влияния толщины диэлектрика при повышенных рабочих напряженностях поля. С помощью рассмотренной модели механизма разрушения изоляции обосновано скачкообразное изменение показателя степени в формуле “жизни” при изменении рабочих градиентов. Для силовых конденсаторов с большим сроком службы и кабельных конструкций определены оптимальные геометрические размеры, для которых срок службы будет максимальным (отношение толщины обкладки к толщине диэлектрика должно составлять 0,120,16, а радиусов коаксиального кабеля 2,7R0/r04,5).
Разработаны методики расчета и оптимизации конденсаторных конструкций с экранирующими обкладками, заключающиеся в выборе их числа и расположения путем анализа распределения электрического поля в характерных зонах неоднородности и применения критерия оценок по концепции “напряженного объема”. Разработана методика расчета коэффициента усиления поля для модели края обкладки с многослойным диэлектриком. При расчетах срока службы импульсного конденсатора по концепции “напряженного объема” учитываются коэффициент усиления поля и электрическая прочность слоя диэлектрика, прилегающего к обкладке. Усовершенствована методика расчета распределения электрического поля для импульсных конденсаторов с большой частотой следования импульсов Показана целесообразность заряда конденсатора напряжением косоугольной формы и для некоторых случаев повышения частоты следования импульсов. Разработаны методики оптимизации высоковольтных формирующих линий .
Выполнены серии опытов и экспериментально определены предельные рабочие градиенты бумажно-пленочной и бумажной изоляции импульсных конденсаторов пропитанных касторовым маслом. Показано, что при сроке службы менее 104 импульсов заряд-разряд целесообразно применять бумажно-лавсановый диэлектрик, а при сроке службы более 2104 импульсов заряд-разряд – бумажный. Экспериментально определена зависимость срока службы от числа слоев диэлектрика. Исследован срок службы бумажно-касторовых импульсных конденсаторов в зависимости от давления запрессовки секций и определено, что он может уменьшаться на два порядка при увеличении давления запрессовки от 1 до 200 атм. Исследованы и рекомендованы к применению смеси и пропитывающие составы на основе касторового масла и диоктилфталатов. Предложен способ замены вязкой пропитывающей жидкости в свободном объеме конденсатора на неполярную маловязкую диэлектрическую жидкость (например, трансформаторное масло), что позволяет продлить срок службы конденсатора, находящихся в эксплуатации.
На основании проведенных исследований обоснован выбор конструктивных и предложен ряд оригинальных решений уникальных высоковольтных импульсных конденсаторов, разработанных и изготовленных в НИПКИ “Молния” ХГПУ. Диапазон рабочих напряжений разработанных импульсных конденсаторов составляет от 5 до 2500 кВ, емкости от 10 нФ до 150 мкФ, минимальная собственная индуктивность конденсаторов достигает 10 нГн. Максимальная удельная запасаемая энергия составляет 130 Дж/дм3 при сроке службы 105 импульсов заряд-разряд. Обоснован выбор рабочих градиентов и разработаны высоковольтные конденсаторы переменного напряжения с бумажно-пленочным диэлектриком, пропитанным трансформаторным маслом.
Ключевые слова: конденсатор, “напряженный объем”, электрическое поле, срок службы.

Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter

Похожие документы
Обсуждение

Оставить комментарий

avatar
  Подписаться  
Уведомление о
Заказать реферат!
UkrReferat.com. Всі права захищені. 2000-2020