|
| |
 |
Главная » Мануалы 1 ... 8 9 10 11 12 13 14 ... 33 Определяя электрическую прочность в радиальном направлении при наличии воздушной полости в изоляторе, необходимо учесть, что при постоянном токе напряжения, приходящиеся на слои воздуха и фарфора f/ф, прямо пропорциональны сопротивлению этих слоев: (1-187) где Рв, рф-удельные объемные сопротивления воздуха и фарфора; г - радиус токоведущего стержня; гг, R - внутренний и наружный радиусы фарфорового цилиндра. Так как рв > Рф, то практически все приложенное напряжение приходится на воздушный слой. При малых толщинах этого слоя напряжение на нем может, даже при рабочем напряжении изолятора, достигнуть пробивного значения для воздуха. Хотя ток в этом случае ограничен последовательно включенным сопротивлением слоя фарфора, в полости будут все же происходить отдельные разряды, разрушающие изоляцию. Как и при переменном напряжении, воздушную полость следует заполнить маслом или металлизировать. Механический расчет изоляторое Проходные изоляторы рассчитываются на изгиб силой, приложенцрй к краю верхней части изолятора. Опасным сечением является кольцевое сечение в месте заделки изолятора. Величина усилия, разрушающего изолятор, устанавливается техническими условиями на конденсатор. Если в технических условиях это усилие не оговорено, то следует воспользоваться данными ГОСТ 7273-54, в котором для проходных изоляторов на напряжении до 35 кв установлено для группы А (наиболее легкие условия механических нагрузок) разрушающее усилие Р = 375 кГ *. * В системе СИ усилие измеряется в ньютонах (н); для перевода в эти единицы усилие, выраженное в кГ, нужно умножить на 9,806. предел прочности на изгиб (1-188) где h - высота верхней части изолятора, см; W - момент сопротивления кольцевого сечения изо-  лятора. (1-189) В табл. 7 даны расчетные пределы прочности на изгиб для фарфоровых изоляторов в зависимости от наружного радиуса и толщины стенки. Для облегчения сравнения механических свойств изоляторов различных размеров на рис. 53 приведена номограмма для определения момента сопротивления W, площади сечения изолятора 5 и толщины его стенки Д при различных значениях г и R. Номограмма используется и для выбора варианта оптимальных значений размеров г и R, приводящих к минимально возможному расходу материала изолятора, так как объем изолятора цилиндрической формы V=SHcm\ (1-190) где Н - полная высота изолятора, см. * В системе СИ механические напряжения измеряются в ньютонах на кв. метр {нШ). Для перевода в эту систему значение а в кГ/см нужно умножить на 9,806 Ю *. Рис. 53. Номограмма для определения момента сопротивления кольцевого сечения фарфорового изолятора с различными значениями внутреннего и наружного радиусов. Таблица 7 Расчетные значения предела прочности а изгиб фарфоровых изоляторов
Пользуясь совместно номограммой рис. 53 и данными рис. 52, можно выбрать наилучшие величины г и R, обеспечивающие электрическую прочность изолятора в радиальном направлении, его механическую прочность и минимальный расход материала. Так, например, для изолятора с {7 = 10 ке по табл. 5 выдерживаемое (близкое к разрядному) напряжение при испытании на перекрытие равно 47 кв, а пробивное напряжение по толщине t;np=1.3t; = 1.3-47 = 61 кв. Высота верхней части изолятора из формулы (1-174) , пк-16 47-16 . Л=-= = 12.4сж. Рассмотрим два варианта: 1. Толщина стенкн изолятора Д = 1 см; для нее из табл. 7 Си= = 200 кПсмК Разрушающее усилие принимаем 375 кГ, тогда W = 23.2-СМК Из номограммы на рис. 53 для = I см и W = 23,2 см получаем г = 2,4 СМИ R = 3,4 см, S s 20 см, а из кривых на рис. 52 U = 68 кв. 2. Аналогично прн Д = 2 см с„ = 160 кГ1см\ IF = 28 см, г = = 1,3 см, R = 3,3 см, S S 30 см, = 69 кв. Оба варианта удовлетворяют условиям как механической, так и электрической прочности, практически равноценны по наружным размерам изолятора, однако во втором варианте расходуется фарфора в 1,5 раза больше, чем в первом. Полученное Ъ обоих вариантах значение пробивного напряжения (68 и 69 кв) выше требуемого (61 кв). Следовательно, можно рассмотреть еще и третий вариант с Д < 1 сж, позволяющий получить еще большую экономию материала изолятора. Проходные изоляторы иногда необходимо применять и при конструировании герметизированных конденсаторов низкого напряжения, до 1500 в (включительно). В этом случае чаще всего применяют стеклянные проходные конденсаторы типов ИСШ, ИСК и ИСЦ, имеющие металлическую арматуру, рассчитанную на впайку изолятора в крышку конденсатора и запайку выюдного проводника от секции конденсатора. Если необходимо обеспечить особенно высокое сопротивление изоляции, например при изготовлении специальных полистирольных конденсаторов, вместо стеклянных изоляторов применяют металлизированные керамические типа ИКП. При изготовлении радиоконденсаторов изоляторы ИКП применяются и при рабочем напряжении выше 2 кв. Недостатком стеклянных изоляторов, приводящим иногда к необходимости их замены на керамические металлизированные, является применение ферроникеля, т. е. магнитного материала для изготовления арматуры, вследствие чего повышается индуктивность. Для конденсаторов с высокой рабочей температурой, превышающей 100° С, разработаны специальные керамические изоляторы типа ИКПТ на напряжения от0,£ до 5 ке, у которых металлическая арматура рассчитана на соединение с крышкой конденсатора с помощью твердого припоя и на заварку выводного проводника от секции конденсатора в проходной металлической трубке изолятора. § 8. ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК КОНДЕНСАТОРА Для оценки качества конденсатора и правильности выполнения его расчета и конструирования используют удельные характеристики, представляющие собой отношение одной из основных характеристик конденсатора к его объему или весу. Чаще всего применяют значения удельной емкости, удельной энергии и удельной реактивной емкости, отнесенные к единице объема: 1 см или 1 дм (1 л). Рассмотрим эти характеристики применительно к простейшему плоскому конденсатору, учитывая лишь активный объем диэлектрика, т. е. в данном случае не принимаются во внимание объем, занятый закраинами конденсатора, и объем его обкладок, а также объем, занятый конструктивным оформлением конденсатора. Для оценки качества конденсаторов низкого напряжения обычно пользуются величиной удельной емкости суд=. (1-191) где С -в пф и V-в см. Подставляя значение С из выражения (1-43) и полагая V = Sd, где S - площадь обкладок, см, d - толщина диэлектрика, см, получаем = Т^ (1-192) Если подставлять d в мк, то Суд = 8,85 ~ мкф/см. При малых значениях рабочего напряжения конденсатора используется минимальная толщина диэлектрика £? ин. определяемая возможностями технологии его изготовления. В этих условиях величина Суд не зависит от рабочего напряжения. Когда рабочее напряжение достигает некоторого значения U, при котором уже приходится учитывать возможность пробоя конденсатора, то при дальнейшем увеличении напряжения необходимо увеличивать и толщину диэлектрика, а при этом удельная емкость снижается. Если заменить в выражении (1-192) толщину d отношением напряжения к допустимому значению напряженности поля Е, то получим Суд = 0,0885 (1-193)  Отсюда следует, что при напряжениях, больших U, величина Суд обратно пропорциональна второй степени рабочего напряжения, если принять в первом приближении, что значение Е остается постоянным. Таким образом, в области малых напряжений Суд не зависит от напряжения, а в области повышенных напряжений уменьшается с его ростом (рис. 54). Поэтому удельная емкость является удобной характеристикой качества для .сравнения между собой различных типов конденсаторов только в области низких напряжений. При этом величина Суд определяется значениями е и минимально достижимой толщины диэлектрика d h. Поскольку величина d входит в формулу (1-192) во второй степени, для получения максимальных возможных значений Суд при малых цапряжениях обычно добиваются получения минимальных значений толщины диэлектрика при относительно небольших значениях е. Рекордные значения удельной емкости удавалось получать до сих пор главным образом при изготовлении электролитических конденсаторов. При умеренных значениях е оксидных слоев, порядка 10-25, толщину слоя Рис. 54. Кривая зависимости удельной емкости от напряжения. можно было получать значительно меньше 1 мк. В настоящее время для получения малой толщины диэлектрика при низком напряжении применяют также нанесение тонких слоев испарением в вакууме, катодным распылением, полимеризацией в газоюм разряде и т. п. При этом получают значения б/ ин порядка долей микрона. Другой путь получения высоких значений Суд- разработка диэлектриков со сверхвысокими значениями е типа сегнетоэлектрической керамики. Однако для этих материалов трудно получить малые толщины диэлектрика: обычный нижний предел ймин = ЮО мк. Если при е = Ю, dHH = I мк (например, для оксида алюминия), то при толщине ЮО мк для получения того же значения Суд надо иметь значение е = Ш- (ЮО/1) = ЮО ООО, Такие значения можно получить только за счет резкого усиления зависимости е От температуры и напряжения и резко увеличенных потерь энергии. В настоящее время для конденсаторов постоянной емкости можно использовать сегнетокерамику со сглаженными зависимостями s = f{t°) и относительно приемлемыми потерями при значениях е = 2000 -=- 3000. Такие конденсаторы имеют меньшие величины Суд, чем конденсаторы с оксидным или иным тонким диэлектриком. Для оценки качества конденсатора высокого напряжения обычно используют величину удельной энергии Шуд = дж/л. (1-194) Для конденсатора запасаемая энергия . (1-195) где W - в дж, С - в ф, U - в е. Используя формулы (1-194) и (1-195), находим уд = . (1-196) Заменяя -р-=Суд и используя выражение (1-192), вводя коэффициент 10~, учитывающий переход от фарад к пи-кофарадам и от сантиметров в кубе к литрам, получим Шуд = 0,0442 10- = 0,442 Ю гР, (1-197) где Шуд - в дж1л и £ -в elcM. ПО - Если подставлять значения Е в кв1мм, то 1 уд = 0,442 10-е е£2. (1-198) Следовательно, высокое значение удельной энергии, запасаемой в конденсаторе, можно получать за счет повышения s и электрической прочности диэлектрика; увеличение Е более эффективно, так как эта величина входит в выражение для хЮур во второй степени. Следует также учесть, что сегне-токерамические материалы, обладающие сверхвысокими значениями s, имеют относительно низкую электрическую прочность и для них значения Е (допус- каемая напряженность при длительной работе) обычно не превышают 1 кв/мм. Наиболее высокую прочность можно получить для оксидных слоев в электролитических конденсаторах, где значения Е достигают величин порядка 500 кв/мм. Такие конденсаторы могут обеспечить- наивысшие значения запаса энергии, но лишь при относительно небольших на- p,. 55. Кривая за-пряжениях - до 400-500 в, так как на висимости удельной большие напряжения электролитические энергии от напря-конденсаторы не изготовляются. Поэтому - ж^ния. при высоких рабочих напряжениях наибольшие значения удельной энергии можно получать для бумажных и пленочных конденсаторов, обеспечивающих высокие значения Е при напряжениях до сотен киловольт. Если напряжение, прикладываемое к конденсатору, меньше соответствующего величине с?мин для данного диэлектрика, то при дальнейшем снижении напряжения толщина диэлектрика уже не уменьшается и значение Е падает, вызывая уменьшение г^Ууд (рис. 55). Поэтому величина удельной энергии является удобной характеристикой качества конденсаторов при высоких напряжениях, когда она ке зависит от рабочего напряжения (если принять Е = const). Для оценки качества конденсаторов с большой реактивной мощностью, применяемых при технической частоте, а также при средних радиочастотах, обычно используют величину удельной реактивной мощности Руд = , (1-199) выражаемую в вар/см или, что то же самое, в квар/л. принимая sin9 = l, запишем Рр = UioC, где и-в в, С - в ф и to == 27с/ при / - в гц. Подставляя уравнение (1-200) в (1-199), получаем U2izfC Руд. - у (1-201) Заменяя у на с уд по формуле (1-192) и вводя коэффициент 10~ для перехода от пикофарад к фарадам, получаем Руд = 2ir 0,0885 10-1 = 5,55 lO-i еЩ. (1-202) Следовательно, величина Руд зависит от частоты. Проанализируем эту зависимость для конденсатора с заданными размерами, т. е. при V = const. При этом надо иметь в виду, что для высокочастотных конденсаторов (а также в известных условиях и при более низких частотах) величина Е будет зависеть от частоты, т. е. £ = F{f). В области низких частот, при f меньше некоторого значения fi, величина Е определяется только электрической прочностью, так как нагрев конденсатора еще невелик. В этой области частот Е = const и величина Руд линейно возрастает с частотой (рис. 56). При частотах выше fl становится заметным нагрев конденсатора, и с ростом частоты необходимо снижать Е с таким расчетом, чтобы температура перегрева конденсатора А/ не превышала некоторого постоянного допускаемого значения. При этом полагаем, что до некоторого значения частоты /г можно считать величину tg6 конденсатора не зависящей от частоты. При этом согласно уравнению (1-121)  Рис. 56. Кривая зависимости допускаемой напряженности поля в диэлектрике конденсатора и удельной реактивной мощности от частоты. 2,t/Ctg8- f (1-203) Здесь - коэффициент теплоотдачи с поверхности конденсатора, вт1см-:град; Soxn- поверхность охлаждения конденсатора. Таким образом, в диапазоне частот от fi до /а необходимо снижать Е обратно пропорционально В этом случае Ef = const, а следовательно, и значение Руд= const. При частотах выше /г начинает проявляться зависимость tg6 конденсатора от частоты, обусловленная потерями в обкладках и выводах. В этом случае, -в первом приближении, можно принять tg6 (О Сгы, где Гы - сопротивления металлических частей конденсатора. Подставляя это значение tg6 в выражение (1-203), получаем 27,dC Y -- = k. (1-204) Из этого выражения видно, что при частотах выше /г надо увеличивать скорость снижения Е, с ростом частоты - уменьшать Е обратно пропорционально первой степени f. В этом случае руд= 5,55 \0~Ч~ будет снижаться с ростом частоты, что графически показано на рис. 56. Таким образом, величина Руд достигает максимального значения в диапазоне частот от fi до ft. Найдем это максимальное значение, подставив в формулу (1-202) значение Е из формулы (1-203) и используя выражение (1-53) для величины С, Руд. макс - 0,00 1U sf . o.0885eS tg Б . 10-12 - у tgb * (1-205) При заданном значении активного объема конденсатора V = dS значение Руд. акс в оптимальном диапазоне частот определяется величинами коэффициента теплоотдачи, поверхности охлаждения и температуры перегрева, допустимой для данного типа диэлектрика. Величина максимальной удельной реактивной мощности тем больше, чем меньше tg6 конденсатора; от е диэлектрика она не зависит. Таким образом, большие значения реактивной мощности (в соответствующем диапазоне частот) можно получать и для кепо-лярных диэлектриков и даже для газов или вакуума. ЕсУ1и принять, что для плоского конденсатора поверхность охлаждения будет в два раза больше поверхности обкладок, то выражение (1-205) можно представить в виде из которого следует, что удельная реактивная мощность будет возрастать с уменьшением толщины диэлектрика d. Приведенные формулы для удельных характеристик учитывают только активный объем диэлектрика. Чтобы учесть в выражении для удельной емкости наличие закраин и объем обкладок, в формулу (1-192а) можно ввести поправочный коэффициент k: - %д=-. (1-207) где Суд -в мкф/см к d - B мк. Для многопластинчатого плоского конденсатора с числом обкладок М + 1 поправочный коэффициент = 1+ + -+-jl + где / - активная длина обкладки; b - ее активная ширина; Al - закраина в направлении длины; АЬ - закраина в направлении ширины обкладки; dfiH d- соответственно толщина обкладки и диэлектрика. Для намотанного спирального конденсатора поправочный коэффициент *Ч' + т)(>+¥)- Для металлизированных конденсаторов в выражениях для поправочных коэффициентов можно принимать do О, так как толщина обкладок обычно составляет доли микрона и do d. В электролитических конденсаторах, в отличие от всех других типов конденсаторов, толщина диэлектрика много меньше толщины обкладки, т. е. do > d- В этих конденсаторах одной из обкладок (имеется в виду обычный фольговый сухой тип) является анодная фольга (толщина d), а второй - волокнистая прокладка, пропитанная электролитом 1 ... 8 9 10 11 12 13 14 ... 33 |