Электрическая прочность изоляционных конструкций в сильной степени зависит от конфигурации их электрических полей. Достаточно общей характеристикой электрического поля промежутка является коэффициент неоднородности k_Н= E_max/ Е_ср, где E_max, Е_ср - максимальная и средняя напряженность электрического поля промежутков. Общий подход к выравниванию электрических полей в изоляционных конструкциях состоит в снижении коэффициентов неоднородности изоляционных промежутков. Теоретическим пределом выравнивания электрического поля является обеспечение его однородности, когда k_Н=1. Однако на практике это невыполнимо, поэтому стремятся добиться таких значений k_Н, когда при рабочих (или испытательных) напряжениях в воздушных промежутках исключается коронный разряд, на поверхности изоляторов отсутствуют скользящие разряды и поверхностные частичные разряды, в диэлектриках исключаются частичные разряды опасной интенсивности и недопустимые нагревы из-за тепловых потерь.

 Устранение нежелательного явления коронирования  является важной задачей техники высоких напряжений.

Разрабатываются новые изоляционные материалы с повышенной короностойкостью за счет наличия на поверхности слоя из неорганического диэлектрика, либо принимаются меры для выравнивания электрического поля по поверхности с использованием экранов или полупроводящих покрытий различного состава.

Варианты существующих полупроводящих покрытий для выравнивания электрического поля в электрических машинах:

– эмаль с графитовым наполнителем; 

– эмаль с сажным наполнителем; 

– стеклолента, металлизированная медью с добавкой серебра;

– асбестовая лента, пропитанная изоляционным лаком;

– покрытия с нелинейной вольамперной характеристикой.

У покрытий с графитовым или сажным наполнителем при испытаниях обмотки высоким напряжением нередки прогары, в результате чего сопротивление покрытия снижается на несколько порядков, и оно полностью выходит из строя. А также имеет место значительное колебание величины удельного сопротивления слоя покрытия, что приводит к большой отбраковке обмотки из-за коронирования, и тепловое старение  при рабочих температурах.

Значительно более стабильной и устойчивой к токовым нагрузкам является медьсеребросодержащая лента, но из-за линейной ВАХ и высокой стоимости широкого применения не получила.

Высокую нелинейность имеют ВАХ асбестовой ленты. Однако у асбестовых материалов имеется важный недостаток - токсичность.

Наиболее  широко для выравнивания электрического поля в месте выхода из паза машины используются полупроводящие (противокоронные) покрытия, имеющие нелинейные вольтамперные характеристики, т.е. их сопротивление уменьшается при увеличении напряженности поля. Зависимость напряженности электрического поля по поверхности изоляции в месте выхода обмотки из паза статора с нелинейным покрытием и без него показана на рис. 1.

 Рис. 1. Зависимость напряженности электрического поля по поверхности изоляции в месте резкой неоднородности с покрытиями и без них.

L0 – конец покрытия.

Красная линия – без покрытия;

оранжевая линия – «идеально» нелинейное;

синяя линия – высоконелинейное;

зеленая линия – низконелинейное.

Поверхностное сопротивление таких покрытий имеет значение r_s=10⁵…10⁹ Ом. Они применяются в виде лент или эмалей в зависимости от технологии процесса изготовления основной изоляции.

В табл. 1 приведены сравнительные данные для  эмалей и лент.

Таблица 1

Сравнение свойств полупроводящих эмалей и лент

Противокоронные покрытия представляют собой композиционные материалы и состоят из наполнителя, связующего, подложки (ленточный вариант), а также могут содержать различные добавки. Наполнителем в этих материалах служит карбид кремния, который в порошкообразном состоянии вводят в связующее. На проводимость материала влияет много факторов: размер частиц, тип и содержание связующего и т.д.

Критерием выбора связующего является обеспечение необходимых электрофизических и физико-механических характеристик противокоронных покрытий. Оно должно быть хорошим диэлектриком, чтобы за счет своей проводимости не нарушать основных процессов, происходящих между частицами наполнителя, чтобы выдерживать электрические нагрузки при эксплуатации и испытаниях машин; сохранять свои свойства при воздействии рабочих температур; по возможности не должно впитывать влагу.

Эффективность противокоронных систем сильно зависит от их первоначального исполнения, имеются данные о том, что некоторые системы с годами подвергаются деградации под воздействием коронных разрядов в зоне контакта пазового («проводящего») и лобового («полупроводящего») покрытий. Коронные разряды в зоне их контакта могут быть вызваны неравномерным распределением частиц наполнителя в полупроводящем слое. Эти разряды, в свою очередь, повреждают основную изоляцию и могут привести к пробою на корпус. При отсутствии разрядной активности в зоне контакта переменный ток идет от лобового на землю через пазовое покрытие. При полном  разрушении лобового в зоне контакта с пазовым разрядная активность в этой области может создать ток гораздо больший, чем обычно выдерживает пазовое покрытие. Этот ток протекает через всю поверхность пазового покрытия вокруг стержня, что, вероятно, удерживает плотность тока в приемлемых пределах вне сердечника. Далее разрядный ток проходит на землю через сердечник, ясно, что контакт между стержнем и сердечником неравномерен по всей поверхности, т.е. контакт с заземленным сердечником будет в некоторых особых местах. В этих местах разрядный ток, который протекал по всей поверхности пазового покрытия, будет концентрироваться, вызывая значительное увеличение локальной плотности тока. Высокая плотность тока затем может выжигать пазовое покрытие в точках контакта с сердечником. Как следствие может возникнуть разряд между стержнем и сердечником, что должно в итоге привести к пробою. Установлено, что если лобовое покрытие изначально плохое, то менее чем через 10 лет зона контакта пазового и лобового покрытий начинает активно разрушаться и образование вторичного пазового разряда только вопрос времени, отказ машины может произойти после срока работы от 25 до 30 лет. Деградация – медленный процесс, но, тем не менее, укорачивающий срок жизни электрических машин. Наилучший способ решения этой проблемы – хорошая система выравнивания поля, полностью устраняющая внешние разряды.

 Литература:

Кокцинская Е.М. Разработка и исследование противокоронных покрытий ленточного типа для современных способов изготовления систем изоляции высоковольтных электрических машин / дисс. кандидата техн. наук. - Санкт-Петербург, Политехнический университет, 2007. - 175 с.