ДИЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ КОРПУСНОЙ ТЕРМОРЕАКТИВНОЙ КОМПОЗИТНОЙ ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННОЙ СИСТЕМЫ АСИНХРОННЫХ ТЯГОВЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН

Introduction. Thermosetting composite electric insulation of traction electric motors undergoes significant heating, moisture, overvoltage, vibration. Purpose. The substantiation of the possibility of using dielectric spectroscopy for monitoring the state of the hull thermosetting composite electric insulating system of induction traction motors (ITM) at the technological stage of manufacturing.. Methodology. In the induction traction motors in which the phases of the stator winding are connected to a «star» and do not have a zero point output, in the case of a two-electrode connection of one of the phases and the housing, the combined characteristics of the capacitance and the dielectric loss tangent of the three-phase hull insulation system are measured. Practical value. It is established that at the second resonant frequency near 10 kHz, the tangent of the dielectric loss is the most sensitive to the state of the composite ITM insulation. Dielectric spectroscopy at alternating voltage of the combined dielectric characteristics makes it possible to evaluate the state of the hull thermosetting electrical insulating system at the final stage of manufacturing of induction traction motors.Представлено схему замещения обмоток статора при соединении «звездой» асинхронного тягового двигателя. На основании результатов моделирования частотных зависимостей емкости и тангенса угла диэлектрических потерь установлено наличие двух резонансных частот в диапазоне 1 и 10 кГц. Показано, что измерения тангенса угла диэлектрических потерь изоляционной системы на частоте 10 кГц чувствительны к уровню диэлектрических потерь в корпусной термореактивной электрической изоляции. Результаты математического моделирования согласуются с измерениями совокупных диэлектрических характеристик корпусной композитной электроизоляционной системы трех фаз

МОНИТОРИНГ СТАБИЛЬНОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫХ СИСТЕМ ТЯГОВЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН

Introduction. Electrical insulation systems make up about 0.03 % of the traction electric machines (TEM) mass, but they are of exceptional importance and affect the design capabilities and manufacturing techniques of electric machines, ultimately - on their specific weight and overall dimensions, on the reliability and durability of the TEM. Purpose. The monitoring of the stability of the manufacturing process of electrical insulating systems of the TEM based on the insulation resistance measurements. Methodology. The analysis of the manufacturing process is carried out for three versions of the case of insulation of the magnetic system of the DC traction electric motor. Practical value. Construction and analysis of special graphs (charts) of individual values and cumulative sums of insulation resistance, sliding range MR allow to find out whether the technological process of manufacturing electric insulating systems of traction electric machines is in a statistically controllable state.Показано, что сопротивление изоляции может служить информативным параметром стабильности технологического процесса изготовления электроизоляционных систем тяговых электрических машин. Установлено, что сопротивление изоляции находится в пределах ±3σ относительно среднего значения каждой выборки трех вариантов исполнения электроизоляционной системы. Представлены контрольные карты индивидуальных значений и кумулятивных сумм сопротивления изоляции магнитной системы тяговых электродвигателей постоянного тока

ВЛИЯНИЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОГО БАРЬЕРА НА РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ В ВЫСОКОВОЛЬТНОЙ КОМПОЗИТНОЙ ИЗОЛЯЦИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН

Introduction. Modern high-voltage systems for composite insulation of electrical machines consist of tape glass mica paper materials (dry or pre-impregnated). The electrical characteristics of a multilayer composite insulation system are determined by both the fractional content of the individual components and their electrophysical properties. Purpose. The analysis of the influence of electrophysical characteristics and thickness (fraction) of the dielectric barrier on the distribution of the electric field in the composite high-voltage insulation of electrical machines. Methodology. Simulation of surface charge accumulation at the interface between the substrate and the dielectric barrier is based on the Maxwell–Wagner theory for interfacial polarization. Practical value. The influence of the electrophysical characteristics and thickness of the dielectric barrier on the distribution of the electric field has been established. In the steady state, the electric field strength in the dielectric barrier exceeds the average value by 50 %. In the region of small transition times (up to 1 s), the relative dielectric constant of the barrier has a significant effect on the distribution of the electric field. The use of a dielectric barrier with a higher dielectric constant and fractional content in comparison with the substrate leads to an increase in electric field strength by 5 % relative to the average value in composite insulation. Experimental studies of the long-term electrical strength of glass mica-belt ribbons in the cured (thermosetting) state are consistent with the simulation results. Composite insulation based on glass fiber mica tape with a high content of the mica barrier and fiberglass of smaller thickness has (8-16) % higher values of long-term electric strength. Представлены результаты распределения электрического поля в высоковольтной композитной изоляции на основе предложенной математической модели накопления поверхностного заряда на границе раздела подложка – барьер. В установившемся режиме напряженность электрического поля в диэлектрическом барьере может превышать среднее значение на 50 % в зависимости от электрофизических характеристик и толщины компонентов. Показано, что в области малых времен переходного процесса на характер распределения электрического поля влияют как относительная диэлектрическая проницаемость, так и толщина диэлектрического барьера. Экспериментальная проверка выполнена для пяти типоразмеров стеклослюдобумажной ленты по 5-ть макетов в каждой. Установлено, что композитная изоляция с повышенным содержанием слюдинитового барьера и стеклотканью меньшей толщины имеет на (8-16) % более высокие значения длительной электрической прочности.

Ефективні параметри діелектричної абсорбції полімерної ізоляції з напівпровідними покриттями силових високовольтних кабелів

Introduction. The presence of semiconductor shields leads to additional dielectric losses compared to polymer insulation without shields. Losses in cables in the presence of semiconductor coatings depend on the dielectric permittivity and resistivity of the composite polymeric material, which are frequency-dependent characteristics. Purpose. To determine in a wide range of frequencies, taking into account the variance of electrophysical characteristics and thickness of semiconductor shields effective electric capacitance and tangent of dielectric losses angle of high-voltage power cables with polymer insulation. Methodology. Serial-parallel nonlinear circuit replacement of semiconductor coatings and linear polymer insulation to determine in a wide range of frequency the effective parameters of the dielectric absorption of a three-layer composite system of high-voltage power cables of single core. Practical value. The obtained relations are the basis for the development of practical recommendations for substantiating the thickness and electrophysical parameters of semiconductor shields to reduce the impact on the effective tangent of the dielectric losses angle of a three-layer composite system of high-voltage power cables.На підставі послідовно-паралельної нелінійної схеми заміщення напівпровідних покриттів та лінійної електричної полімерної ізоляції у широкому діапазоні частоти визначено ефективні параметри діелектричної абсорбції силових високовольтних кабелів одножильного виконання. За результатами моделювання, з урахуванням дисперсії електрофізичних характеристик напівпровідних покриттів, доведено, що ефективна електрична ємність тришарової композитної ізоляційної системи визначається ємністю полімерної ізоляції. Встановлено характер частотних залежностей та максимальні значення ефективного тангенсу кута діелектричних втрат в залежності від співвідношення між питомою електропровідністю на постійному і змінному струмі та товщиною напівпровідних екранів. Отримані співвідношення є підставою для розроблення практичних рекомендацій щодо обґрунтування товщини та електрофізичних параметрів напівпровідних покриттів для зменшення їх впливу на ефективний тангенс кута діелектричних втрат тришарової композитної електроізоляційної системи силових високовольтних кабелів

THE STABILITY MONITORING OF THE MANUFACTURING PROCESS OF ELECTRICAL INSULATING SYSTEMS OF TRACTION ELECTRIC MACHINES

Introduction. Electrical insulation systems make up about 0.03 % of the traction electric machines (TEM) mass, but they are of exceptional importance and affect the design capabilities and manufacturing techniques of electric machines, ultimately - on their specific weight and overall dimensions, on the reliability and durability of the TEM. Purpose. The monitoring of the stability of the manufacturing process of electrical insulating systems of the TEM based on the insulation resistance measurements. Methodology. The analysis of the manufacturing process is carried out for three versions of the case of insulation of the magnetic system of the DC traction electric motor. Practical value. Construction and analysis of special graphs (charts) of individual values and cumulative sums of insulation resistance, sliding range MR allow to find out whether the technological process of manufacturing electric insulating systems of traction electric machines is in a statistically controllable state

ВЛИЯНИЕ ТОЛЩИНЫ ИЗОЛЯЦИИ ЗАЩИЩЕННЫХ ПРОВОДОВ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ЛЭП НА ИХ ПРОПУСКНУЮ СПОСОБНОСТЬ ПО ТОКУ

Introduction. The main direction of technical policy in the design, construction and technical re-equipment of transmission lines is the modernization of electrical networks and increase their energy efficiency in order to increase the throughput and reliability. Problem. Existing calculation methods do not take into account the influence of insulation thickness on the long-term current load of the wires according to the values of the maximum permissible working temperature of the conductors. Purpose. The investigation of the influence of insulation thickness of the protected wires of high-voltage electric transmission lines on their current carrying capacity. Methodology. The long operating temperature of the wire when the rated load current flows is determined based on the heat balance equation. Results. A method has been developed for determining the optimum thickness of polyethylene cross linked and oxide insulation to provide the lowest thermal resistance to the heat transfer of protected wires, the use of which allows increasing the current carrying capacity by 20 % compared to bare wires. It is shown that the internal temperature drop in cross linked polyethylene insulation is an order of magnitude smaller in comparison with the oxide insulation at identical values of the dielectric loss tangent. Originality. The calculations take into account the presence on the surface of a non-insulated aluminum conductor of a natural dense film based on aluminum oxide, which protects it from further contact with air. The capacitance of a single phase conductor with insulation is determined on the basis of the calculation of the electric field in a piecewise homogeneous medium by the method of secondary sources.Разработана методика определения оптимальной толщины полиэтиленовой сшитой и оксидной изоляции для обеспечения наименьшего теплового сопротивления теплопередаче защищенных и неизолированных проводов. Обоснована применимость разработанной методики для оптимизации толщины изоляции защищенных проводов напряжением 20 кВ. Показана возможность повышения пропускной способности по току защищенных проводов на 20 % по сравнению с неизолированными проводами за счет оптимизации толщины их изоляции. Установлено, что внутренний перепад температуры в сшитой полиэтиленовой изоляции на порядок меньше в сравнении с оксидной изоляции при одинаковых значениях тангенса угла диэлектрических потерь

ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ ДЛЯ РАСЧЕТА НАПРЯЖЕННОСТИ ОСЕСИММЕТРИЧНОГО ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ПОЛЯ В КУСОЧНО-ОДНОРОДНОЙ ИЗОЛЯЦИИ СО СФЕРИЧЕСКИМИ ВКЛЮЧЕНИЯМИ

Calculations of electrostatic axisymmetric field are made with application of solution to Fredholm integral equation of the first and the second kinds in a piecewise homogeneous isotropic linear polymeric insulation. On the basis of numerical experiments via a Matlab-based program, influence of the number of nodes on the numerical solution accuracy is analysed and the order of the resolving system of linear algebraic equations within small distances between spherical inclusions is validated.Выполнен расчет напряженности электростатического осесимметричного поля на основе решения интегрального уравнения Фредгольма первого и второго рода в кусочно-однородной линейной изотропной полимерной изоляции. На основе проведенного вычислительного эксперимента с помощью разработанной программы в среде Matlab выполнен анализ влияния числа узлов на точность численного решения и обоснован порядок разрешающей системы линейных алгебраических уравнений в области малых расстояний между сферическими включениями.Виконано розрахунки напруженості електростатичного вісісиметричного поля на основі рішення інтегрального рівняння Фредгольма першого та другого роду в частково-однорідній лінійній ізотропній полімерній ізоляції. На основі проведеного обчислювального експерименту за допомогою розробленої програми в середовищі Matlab виконано аналіз впливу числа вузлів на точність чисельного рішення та обґрунтовано порядок системи лінійних алгебраїчних рівнянь в області малих відстаней між сферичними включеннями

РЕЛАКСАЦИОННЫЕ ПОТЕРИ В ПОЛИЭТИЛЕНОВОЙ ИЗОЛЯЦИИ КАБЕЛЕЙ КОАКСИАЛЬНОЙ КОНСТРУКЦИИ В УСЛОВИЯХ ПОВЫШЕННОЙ ВЛАЖНОСТИ

Introduction. The presence of free moisture in power cables leading to the formation of tree structures - water treeing, which originate in the amorphous phase polyethylene and are a major cause of degradation of the polymer insulation. They represent the damage of the polymer size from several microns to 1 mm, developing technology for insulation defects under the combined action of the electric field and the moisture diffusing from the environment. Water treeing destroys the polymer chain, resulting in the formation of microcavities filled with moisture. The dynamics of water treeing and subtle properties largely depend on the composition, morphology of the polymer insulation, chemical nature of the defect, in which they originate. Due to the force of gravity in the water formed typical only for her region with locally ordered structure - clusters, which cause loss of relaxation. Purpose. Features presence of relaxation losses in high-frequency range in polyethylene insulation during aging in high humidity conditions of samples power and RF cables. Methodology. Samples of the power cable for the voltage of 35 kV with a cross-linked polyethylene insulation radial water-blocking protection from moisture and radio-frequency coaxial cable with thermoplastic insulation for 1440 hours in a humidity of 100%. The dielectric loss tangent measured resonance method before and after aging. Originality. Experimentally found evidence of the existence in the polymer cable insulation free water in the form of areas with locally ordered structure - clusters. It is found that the solid polyethylene insulation in the frequency dependence of dielectric loss tangent maximum relaxation shown one at 10 MHz in the initial state, and there are two additional frequency range 500 kHz - 5 MHz after moistening. For cross-linked polyethylene insulation characteristic of large width Δf of the frequency spectrum in which the observed relaxation losses. It is obvious that the width of each of the relaxation maxima is associated with characteristic fractal cluster size. It is important that the hydrated solid and foamed polyethylene insulation to show individuality, typical only for water clusters which are detected by high-frequency dipole relaxation peaks dielectric loss tangent. There is a positive correlation between the bandwidth Δf of relaxation maxima and the rate of decrease of insulation resistance by applying a high DC voltage. Practical value. Establishing a correlation between the bandwidth of relaxation maxima and the rate of decrease in the insulation resistance test objects in the laboratory makes it possible to diagnose the presence of free moisture in the power and RF cables by measuring the insulation resistance in exploitation.Выполнены измерения в диапазоне частот 50 кГц – 20 МГц тангенса угла диэлектрических потерь образцов силового и радиочастотного коаксиального кабелей в исходном состоянии и после увлажнения в условиях 100% влажности. После старения установлено появление дополнительных релаксационных максимумов для сплошной термореактивной и термопластичной полиэтиленовой изоляции, что обусловлено группированием свободной воды в кластеры соответствующей формы и фрактальной размерности. Для кабелей со вспененной термопластичной полиэтиленовой изоляцией в не состаренном состоянии присуще проявление релаксационных потерь за счет наличия воды в газообразных включениях. Установлена положительная корреляция между шириною полосы релаксационных максимумов и скоростью уменьшения сопротивления изоляции от приложенного высокого постоянного напряжения.Виконано вимірювання в діапазоні частот 50 кГц – 20 МГц тангенсу кута діелектричних втрат зразків силового та радіочастотного коаксіального кабелів в початковому стані та після зволоження в умовах 100% вологості. Після старіння встановлено появу додаткових релаксаційних максимумів для суцільної термореактивної та термопластичної поліетиленової ізоляції, що обумовлена групуванням вільної води в кластери відповідної форми та фрактальної розмірності. Для кабелів зі спіненою термопластичною ізоляцією в початковому незістареному стані притаманно прояв релаксаційних втрат за рахунок наявності води, розташованої в повітряних включеннях. Встановлено додатний кореляційний зв’язок між шириною смуги релаксаційних максимумів та швидкістю зменшення опору ізоляції від прикладеної високої постійної напруги

ЕЛЕКТРОСТАТИЧНІ ПРОЦЕСИ В СИЛОВИХ КАБЕЛЯХ

Observation of contact electrification of power cable samples is made. It is revealed that the contact potential difference and the capacity formed under separation of free charges on the surfaces of the contacting materials depend on cable design, applied materials, and inspection schemes. Time series of capacity drift and dielectric loss tangent caused by instability of triboelectric charging of the contacting surfaces are presented.Выполнено наблюдение контактной электризации образцов силовых кабелей. Установлено, что контактная разность потенциалов и емкость, образованная при разделении свободных зарядов на поверхностях контактирующих материалов, зависит от конструкции кабелей, применяемых материалов и схемы обследования. Представлены временные ряды дрейфа емкости и тангенса угла диэлектрических потерь, обусловленного нестабильностью процесса трибоэлектрической зарядки контактирующих поверхностей.Виконано спостереження контактної електризації зразків силових кабелів. Встановлено, що контактна різниця потенціалів, що утворилась при розділені вільних зарядів на поверхнях контактуючих матеріалів, залежить від конструкції кабелів, застосованих матеріалів та схеми обстеження. Представлено часові ряди дрейфу ємності та тангенсу кута діелектричних втрат, який обумовлено нестабільністю процесу трибоелектричного заряджання поверхонь, які контактують

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ФАКТОРЫ ЛОКАЛЬНОГО УСИЛЕНИЯ НАПРЯЖЕННОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ В СИЛОВОМ КАБЕЛЕ КОАКСИАЛЬНОЙ КОНСТРУКЦИИ

Introduction. Reliability of high voltage power cables in the process of long-term operation is largely due to the intensity of polymeric insulation aging. It is now established that the aging of polyethylene, which is the main material for the insulation of high voltage power cables, under the action of the electric field is determined primarily by the presence of structural heterogeneity arising both during cable production and during use. The cable is always there deviations from the ideal structure, which manifest in a deviation of diameters of conductors from nominal values; in the arrangement of the conductor and the insulation is not strictly coaxially and eccentrically; in elliptic (oval) core and insulation; change in relative dielectric constant and thickness of insulation on cable length force the formation of low molecular weight products (including water) in the flow at the manufacturing stage crosslinked polyethylene insulation and moisture during operation. Such defects are structural, technological and operational irregularities, which lead to a local change in the electric field. Purpose. Analysis of the influence of the eccentricity, elliptic and spherical inclusions in the electric field distribution in the power cable of a coaxial design with cross-linked polyethylene insulation, based on numerical simulation. Methodology. The bases of the numerical method of calculation of the electrical field strength are Fredholm integral equations of the first and second kind (method of secondary sources) for an axially symmetric field. Analysis of the influence of irregularities, including water treeing, the shape of the sounding signal is made using the method of discrete resistive circuit inductance and capacitance of substitution with the initial conditions. Solving systems of linear algebraic equations nodal analysis performed by the sweep method. Results. The presence of the eccentricity and ellipticity in the construction of cable has different effects on the distribution of the electrical field strength at the conductor and the insulation. The electrical field strength is increased by 50 % in the core and 17 % - on the surface of the insulation at 10 % eccentricity between conductor and insulation. Availability elliptic insulation leads to a redistribution of the electric field: field strength at the surface of the insulation is 2 times higher electric field strength on the surface of the conductor. Water treeing spherical shape filled with water with a dielectric constant of 6.9, lead to a local increase of electric field intensity is 5 - 10 times. Originality. Simulation results show that the presence of water treeing concentrated with individual heterogeneity characteristic impedance causes a change in shape and duration of the probe signal rectangular. Practical value. Time domain reflectometer can be considered as one of the promising methods for diagnosing operational irregularities (ellipticity, eccentricity, water treeing) in power cables.На основе численного моделирования выполнен анализ влияния эксцентриситета между токопроводящей жилой и изоляцией, эллиптичности изоляции и включений сферической формы на распределение напряженности электростатического поля в силовом кабеле коаксиальной конструкции со сшитой полиэтиленовой изоляцией. Показано, что активный характер и высокие значения эффективной проводимости полупроводящих экранов не влияют на распределение поля между жилой и изоляцией. Наличие в толще изоляции водных включений сферической формы приводит к усилению электрического поля в 5 и более раз в зависимости от диэлектрической проницаемости. Водные триинги, как локальные сосредоточенные неоднородности в структуре полиэтиленовой изоляции, приводят к изменению формы зондирующего прямоугольного сигнала, распространяющегося в силовой кабельной линии, что дает возможность в эксплуатации диагностировать их с помощью импульсной рефлектометрии.На основі чисельного моделювання виконано аналіз впливу ексцентриситету між струмопровідною жилою та ізоляцією, еліптичності ізоляції та включень сферичної форми на розподіл напруженості електростатичного поля в силовому кабелі коаксіальної конструкції зі зшитою поліетиленовою ізоляцією. Показано, що активний характер та високі значення ефективної провідності напівпровідних екранів не впливають на розподіл поля між жилою та ізоляцією. Наявність в товщі ізоляції водяних включень сферичної форми призводить до посилення електричного поля в 5 і більше разів в залежності від діелектричної проникності. Водяні триїнги, як локальні зосереджені неоднорідності в структурі зшитої поліетиленової ізоляції, призводять до змінення форми прямокутного сигналу, який розповсюджується в силовій кабельній лінії, що дає можливість в експлуатації діагностувати їх за допомогою імпульсної рефлектометрії