Новый подход к
моделированию полей
Языковые версии сайта:

>> >> >>

Многослойный высоковольтный проходной изолятор

Многослойный высоковольтный проходной изолятор состоит из нескольких слоев изоляции отделенных очень тонкими "плавающими" слоями проводников. Их постоянный, но неизвестный потенциал определяется после расчета распределения электростатического поля и может контролироваться за счет изменения длины, толщины и диэлектрической проницаемости слоев изоляции. С технологической точки зрения только определенные размеры могут обеспечить равномерное распределение радиальной составляющей напряженности электрического поля. Тем самым обеспечивается наилучшее использование изоляция и поле вблизи изолятора выравнивается наилучшим образом.

Теоретически, для обеспечения равномерного распределения электрического поля (E(r)=const) вместо логарифмического, необходимо бесконечное число свободных электродов. В действительности, допустимо только конечное число слоев, обычно 10-12.

Главной целью примера является моделирование очень простого (их 2-ух слоев) высоковольтного изолятора, расчёт распределения радиальной компоненты напряженности электрического поля и сравнение получившихся результатов с теоретическими. Условие равенства Er,max в каждом слое (E1r,max = E2r,max) дает возможность найти длину изолированного электрода и его потенциал.

Тип задачи:
Осесимметричная задача электростатики.

Геометрия:

______________________________________нулевой потенциал
| |
воздух | |<-- барьер (заземленный электрод)
| |
|_|
/ \ <-- 2-й слой изоляции
/__2__\ <-- изолированный электрод
/ \ <-- 1-й слой изоляции
_______________/____1____\______________ высокий потенциал
_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ ось симметрии

Все размеры заданы в сантиметрах. Длина (L) изолированного электрода должна быть посчитана перед построением модели.
Радиус заземленного электрода r3 = 30 см
Радиус отверстия в барьере r2 = 6 см
Радиус изолированного электрода r1 = 4 см
Радиус высоковольтного электрода r0 = 2 см

Дано:
Относительная диэлектрическая проницаемость изоляции (эпоксидная резина) ε = 5.0;
Напряжение между электродами U = 110 кВ.

Решение:

Чтобы было проще проверить результат с помощью теоретической формулы, наклон края изолятора сделан перпендикулярным оси симметрии.

Результаты:

  1. Три емкости: C1, C2 - слоев и C10 - между электродом с неизвестным потенциалом и землей рассчитаны с помощью интегральных параметров (запасенной энергии и поверхностного заряда). Условие баланса зарядов Q1 = Q2 + Q10 приводит к уравнению для определения длины (L) электрода с неизвестным потенциалом.
    ____________________________________нулевой потенциал
    | | |
    | | |
    |_____| |
    | | | === C10
    C2-->| === | |
    __|__|__|__|
    | | |
    | === C1 |
    __________|_____|_____|_____________высокий потенциал

    _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ ось симметрии
  2. Максимальное значение E(r) вдоль среднего сечения изолятора найдено по графику. Можно заметить равенство E1r,max и E2r,max.
  3. Неизвестный потенциал электрода U определяется как "Средний потенциал поверхности" или с помощью вычисления локальных значений.

    C10[пФ]

    C1[пФ]

    C2[пФ]

    Er1[кВ/см]

    Er2[кВ/см]

    U[кВ]

    Теория

    3.84

    84.64

    68.51

    36.57

    36.57

    59.31

    Способ 1

    3.97

    81.37

    70.10

    30.97

    31.16

    57.51

    Способ 2

    3.52

    79.68

    75.90

    -

    -

    -

    Замечания:
    1. Значения емкости в ELCUT были определены двумя способами: через электрическую энергию (2·W / U2); через полный заряд электрода (Q/U).
    2. Расхождения между теорией и полученный результатом обусловлены в первую очередь ограничением на число узлов в студенческой версии ELCUT.

Download Загрузить файлы задачи high_voltage_bushing_stud.zip

Сертификаты ELCUT по ГОСТ, СП, ИСО, СанПиН


Карта сайта