Самоадаптивна конденсаторна ізоляція для приглушення часткових розрядів у високовольтних системах: квантово-польовий підхід на основі RTV+ZNO-нанофольга

Abstract

Подано електрофізично коректне обґрунтування зниження інтенсивності часткових розрядів (ЧР) у конденсаторній ізоляції трансформаторів струму класу напруги 110-330 кВ шляхом інтеграції тонкого напівпровідного шару на основі RTV/епоксидного зв’язника з наповнювачем ZnO, нанесеного вздовж кромок перфорованих алюмінієвих манжет та фольгових обкладок. Розглянуто механізми керування крайовим електричним полем ∇E через розподілену RC-лінію з параметрами листового опору шару Rs (Ом/кв) та міжелектродної ємності ε₀ε/hd, а також через нелінійну провідність межзернових границь ZnO (бар’єр Шотткі, ефект Пуля-Френкеля, тунельний перенос). Показано, що коректний добір Rs(50 Гц)=10⁸-10⁹ Ом/кв, товщини покриття δ=0,30-0,70 мм і довжини проклейки lsp забезпечує експоненційне затухання крайової напруженості та підвищення напруги виникнення поверхневих ЧР відповідно до методики IEC 60270 та випробувальних приписів IEC 60060-1; наведено уніфіковані припущення для моделювання ЧР за еквівалентною схемою Ca-Cb-Cc і результати чисельних експериментів (Matlab/Simulink), узгоджені з IEEE Std 1434 (PD measurement). Зазначено, що внаслідок історичної еволюції станів пасток у ZnO та релаксації орієнтаційної поляризації RTV відбувається стабілізувальне електричне старіння: при повторенні 10³-10⁶ імпульсів ЧР локальна енергія Wpd і пікова напруженість у зоні кромки зменшуються на 35-50% без порушення граничних значень струму витоку і tgδ(f). An electrophysically rigorous rationale is presented for reducing the intensity of partial discharges (PD) in capacitor-type insulation of current transformers in the 110-330 kV voltage class by integrating a thin semiconductive layer based on an RTV/epoxy binder filled with ZnO, applied along the edges of perforated aluminum collars and foil electrodes. The mechanisms of edge electric-field control ∇E are considered via a distributed RC line with layer sheet resistance Rs (ohms per square) and interelectrode capacitance ε₀ε/hd, as well as via the nonlinear conductivity of ZnO grain boundaries (Schottky barrier, Poole-Frenkel effect, tunneling transport). It is shown that proper selection of Rs (50 Hz) = 10⁸-10⁹ Ω/sq, coating thickness δ = 0.30-0.70 mm, and bonding length lsp provides exponential attenuation of edge field strength and an increase in the inception voltage of surface PD in accordance with IEC 60270 methodology and the test prescriptions of IEC 60060-1; unified assumptions are given for PD modeling by the equivalent Ca-Cb-Cc circuit, and the results of numerical experiments (Matlab/Simulink) are reported to be consistent with IEEE Std 1434 (PD measurement). It is noted that, due to the historical evolution of trap states in ZnO and relaxation of the orientational polarization of RTV, stabilizing electrical aging occurs: upon repetition of 10³-10⁶ PD impulses, the local energy Wpd and the peak field in the edge zone decrease by 35-50% without violating limiting values of leakage current and tanδ(f).