Das Problem der festen Isolierung

Für feste Isolation verlassen wir uns manchmal stark darauf und denken, dass wir mit fester Isolation leicht die Isolationsanforderungen erfüllen können. Allerdings treten oft Probleme auf, bei denen die Leistung bei niedrigen Spannungen möglicherweise nicht offensichtlich ist und Isolationsfehler bei höheren Spannungen wahrscheinlicher auftreten.

Wenn die angelegte Spannung einen bestimmten Schwellenwert erreicht, erreicht die elektrische Feldstärke im Raum in der Nähe der Elektrode mit kleinerem Krümmungsradius zuerst die Anfangsfeldstärke E0, was in diesem lokalen Bereich zu Kollisionsionisation, Elektronenlawine und sogar zum Streamerentladung führt. Diese Teilentladung, die nur im starken Feldbereich, d. h. im Raum in der Nähe der Elektrode mit kleinem Krümmungsradius, auftritt, wird als Koronaentladung bezeichnet.

In einem extrem ungleichmäßigen elektrischen Feld muss die Entladung von der Oberfläche der Elektrode mit dem kleineren Krümmungsradius beginnen, unabhängig von der Polarität dieser Elektrode. Die Entladung in einem extrem ungleichmäßigen elektrischen Feld zeigt deutliche Polarityeffekte. Der "Stab-Platte"-Luftspalt mit extrem ungleichmäßigem elektrischem Feld hat eine negative Polarisationsdurchschlagsspannung, die höher ist als die positive Polarisationsdurchschlagsspannung.

Die Spitze bezieht sich hauptsächlich auf dünne Wände, Vorsprünge, Grate und andere Stellen, wie z. B. Aluminiumlegierungs-Heizplatten. Wenn die Platte dünn und nahe am stromführenden Körper ist, kann es leicht zu einer Hochspannungsentladung kommen. In diesem Fall reicht ein Abstand von mehr als 125mm bei 12kV nicht aus. Das Gleiche gilt für Kühlkörper mit hohem Strom und auch für Montageplatten für Durchführungshülsen und Kontaktkästen. Früher wurden sie mit CNC-Schrittstanzen geformt, wobei spitze Kanten zwischen den runden Löchern und den Kanten vermieden werden müssen.

Bei der Isolation, insbesondere bei Mittelspannungsschaltanlagen und Schaltern, ist es bekannt, dass die drei Schnittstellen, an denen Isolationskomponenten installiert sind, die höchste elektrische Feldstärke aufweisen.

Verwenden Sie nicht die Schritte der CNC-Stanzmaschine, um die Montagelöcher zu stanzen, da dies zu zahnförmigen Kanten führen kann. Sie sollten so glatt wie möglich sein.

Feste Isolation entspricht zwei verschiedenen Isolationsmedien, die in Reihe unter einem elektrischen Feld geschaltet sind. Die Spannung wird durch die Kapazität jedes Mediums aufgeteilt, und die elektrische Feldstärke wird basierend auf der aufgeteilten Spannung berechnet. Wenn Kondensatoren gleicher Größe eine hohe Dielektrizitätskonstante und Kapazität haben, wird der Spannungsteiler klein sein. Das heißt, dass feste Isolation, die eigentlich die Hauptkraft sein sollte, nur eine geringe Spannung ertragen kann, was die Spannung erhöht, die die Luftisolierung ertragen muss. Allerdings übersteigt die elektrische Feldstärke die zulässige elektrische Feldstärke der Luftisolierung und verursacht einen Durchschlag.

Ein extremes Beispiel ist wie folgt: Der Abstand zwischen der Elektrode im Pol und dem Isolierzylinder beträgt 5mm, die Dicke der Epoxidharz-Isolierschicht beträgt 15mm und der Abstand zwischen dem Pol und der Mechanikbox beträgt 50mm. Die einfache Berechnung ist wie folgt: Luftabstand 5+50=55mm, 40,5kV 185kV Impulsstoßspannung, berechnet auf der Grundlage der Dielektrizitätskonstante des Epoxidharzes von 4,5, beträgt die aufgeteilte Spannung zwischen der Luft 185/(55 × 4,5+15 × 1) × (55 × 4,5)=174,4kV.

Das heißt, eine 15mm dicke Epoxidharz-Isolierschicht kann nur eine Spannung von 10,6kV ertragen. Wie wir alle wissen, erfordert 40,5kV einen Luftabstand von 300mm. Jetzt reicht ein Abstand von 55mm nicht aus, um 174kV zu ertragen. 175/55=3,18kV, was die zulässige Spannung für den Luftbruch überschreitet und zu einer Entladung führt. Wir müssen den Luftspalt vergrößern und können nicht auf feste Isolation verlassen. An diesem Punkt wird es an Stellen mit konzentrierter elektrischer Feldstärke wie der Spitze unweigerlich zu einer Entladung kommen.

Teilentladung wird auch durch eine hohe elektrische Feldstärke aufgrund der kapazitiven Spannungsteilung verursacht, was zu wiederholten Durchschlagsentladungen führt. Teilentladung bezieht sich auf das Entladungsphänomen, das in einem lokalen Bereich eines Isolators unter der Wirkung eines elektrischen Feldes auftritt, während der Gesamtteil des Isolators keine Durchschlagsentladung erfährt und seine Isolationsleistung weiterhin aufrechterhält. Unter einem Wechselfeld ist die Verteilung der elektrischen Feldstärke umgekehrt proportional zur Dielektrizitätskonstante. Wenn also in einem festen Medium Blasen vorhanden sind, ist die Dielektrizitätskonstante von Luft etwa 1/4 der von Isolationsmaterialien. Daher ist die elektrische Feldstärke innerhalb der Blase höher als die des umgebenden Mediums, und die Durchschlagsfestigkeit der Blase ist viel niedriger als die des Festkörpers. Daher entlädt sich die Blase zuerst, während andere Medien weiterhin Isolationseigenschaften aufweisen, was Teilentladung bildet.

Mit zunehmender Spannung wird die Teilentladung (PD) gleicher Größe stärker. Dies liegt teilweise an der zunehmenden Belastung in Geräten mit höherer Spannung, teilweise an der Verfügbarkeit höherer Spannungen und teilweise an der geometrischen Form. Die grobe Regel könnte darin bestehen, die Spannungsebene linear zu gewichten. Daher ist eine Entladung von 50pC in einem 33kV-System dreimal so zerstörerisch wie eine Entladung gleicher Größe in einem 11kV-System.