Главная

Популярная публикация

Научная публикация

Случайная публикация

Обратная связь

ТОР 5 статей:

Методические подходы к анализу финансового состояния предприятия

Проблема периодизации русской литературы ХХ века. Краткая характеристика второй половины ХХ века

Ценовые и неценовые факторы

Характеристика шлифовальных кругов и ее маркировка

Служебные части речи. Предлог. Союз. Частицы

КАТЕГОРИИ:






Внутренняя изоляция

В установках высокого напряжения (ВН) энергосистем используется несколько видов внутренней изоляции. Наиболее широкое распространение получили масло-барьерная изоляция (МБИ), бумажно-масляная (БМИ), полимерная, полиэтиленовая, литая эпоксидная изоляция, вакуумная и газовая.

Эти разновидности внутренней изоляции обладают разными характеристиками, имеют свои области применения, имеют определенные достоинства и недостатки.

Внутреннюю изоляцию объединяют некоторые общие свойства:

1. Необратимость разрушения при пробое.

2. Влияние на поведение в эксплуатации механических, тепловых и других внешних воздействий.

3. Сложный характер зависимости электрической прочности от длительности воздействия напряжения, рис. 1.

Рис. 1. Зависимость пробивного напряжения Uпр внутренней
изоляции от времени воздействия напряжения

 

Сложный вид этой зависимости объясняется различием физических процессов при пробоях при разных длительностях воздействия напряжения.

Зависимость Uпр = f (τ) разделена на несколько участков, границы которых указаны ориентировочно. При малых временах τ (от одной микросекунды до нескольких миллисекунд) в изоляции происходит чисто электрический пробой. При определенном напряжении в изоляции создаются условия для образования и быстрого увеличения числа свободных электронов. Электроны в сильном электрическом поле приобретают энергию, достаточную для ионизации нейтральных молекул и образования концентрированного потока электронов. За счет энергии, выделяющейся при взаимодействии потока электронов с молекулами диэлектрика, происходит разрушение диэлектрика с образованием проводящего канала.

Время, необходимое для образования потока электронов и для его продвижения от одного электрода к другому зависит от вида материала, его толщины и составляет обычно в пределах от одной до10 микросекунд.

При τ > 10-3 с для внутренней изоляции, содержащей жидкие диэлектрики происходит снижение Uпр из-за влияния твердых частиц. Твердые частицы имеют более высокую диэлектрическую проницаемость, чем жидкий диэлектрик.

Около твердых частиц происходит увеличение напряженности в жидком диэлектрике, что влияет на снижение Uпр.

Следующий участок Uпр = f (τ) – область теплового пробоя. В зависимости от размеров и свойств изоляции и температуры окружающей среды он может занимать диапазон от десятков секунд до нескольких часов.

Последний участок Uпр = f (τ), соответствующий времени τ от нескольких минут или часов до 10…15 лет и более. В этой области пробой протекает под воздействием электрических полей и вызывает необратимое ухудшение свойств изоляции. Главной причиной такого старения являются частичные разряды (ЧР). Для инженерной практики (эксплуатации) интерес представляют те участки Uпр = f (τ), которые соответствуют реальным электрическим воздействиям. В связи с этим для внутренней изоляции различают:

1) кратковременную электрическую прочность при воздействии стандартного грозового импульса, равного 1,25/50 мкс;

2) кратковременную электрическую прочность при воздействии импульсов внутренних перенапряжений длительностью 600…2000 мкс;

3) длительную электрическую прочность при воздействии рабочего напряжения в течение срока службы электрооборудования (τ > 25 лет).

Электрическая прочность внутренней изоляции при всех временах τ должна быть выше возможных электрических воздействий.

Изоляция самовосстанавливающаяся и не самовосстанавливающаяся. Изоляция, восстанавливающая электрическую прочность после пробоя и быстрого отключения напряжения, называется самовосстанавливающейся. К такой изоляции относятся: газовая, вакуумная и жидкая (трансформаторное масло).

Однако все виды твердой изоляции принадлежат к группе не самовосстанавливающихся. Пробой такой изоляции вызывает необратимое повреждение конструкции. Поэтому внутренняя изоляция должна обладать более высоким уровнем электрической прочности, не допускающим пробоя в течение всего срока службы. Фактическая электрическая прочность внутренней изоляции оборудования высокого напряжения не определяется перед вводом в эксплуатацию. Контроль качества внутренней изоляции на заводе-изготовителе проводится не по результатам определения фактических пробивных напряжений, а оцениваются 1 мин испытательным напряжением Uисп. Величина Uисп устанавливается с учетом возможных перенапряжений. Длительная электрическая прочность проверяется косвенным путем: замером tg d, интенсивности ЧР и др.

Масло-барьерная изоляция (МБИ). Основу МБИ составляет масло (минеральное). Для повышения пробивного напряжения масло-барьерной изоляции Uпроб применяются твердые диэлектрики. В масляных прослойках устанавливают барьеры (из электрокартона, гетинакса и др.). Электроды покрывают или изолируют бумагой или лакотканью.

Барьеры в масле, как и в газе, выравнивают электрическое поле за счет осевших на них объемных зарядов. Это повышает Uпроб промежутка при частоте f = 50 Гц в 2…2,5 раза (искровой промежуток стержень–плоскость). При этом барьер должен располагаться от стержня на расстоянии 10…25 % от длины промежутка L.

Рис. 2. Расположение барьера между электродами: Б – барьер; 1, 2 – электроды

 

Барьеры в масляных промежутках с однородным, со слабонеоднородным полем, в отличие от газовых промежутков, также повышают Uпроб. Они препятствуют образованию проводящих мостиков между электродами. Пробивное напряжение в этом случае не зависит от места установки барьера и увеличивается на 30…50 %. Покрытие электродов тонким слоем диэлектрика (1…2 мм) не изменяет картину электрического поля между электродами, а лишь препятствует образованию мостиков. Например, Uпроб при расстоянии L = 10 см между электродами провод–провод d = 10 мм составляет 185 кВ. При покрытии этих проводов двумя слоями кабельной бумаги Uпроб увеличивается на 50 % и составляет 280 кВ.

Изолирование электродов толстым слоем диэлектрика (десятки мм) приводит к существенному уменьшению напряженности электрического поля вблизи электродов, т.к. проницаемость (eт) твердого диэлектрика больше проницаемости масла (eм). При этом электрическая прочность изоляции возрастает. В отличие от покрытия, изолирование наиболее эффективно в промежутке с редконеоднородным полем. При несимметричных электродах изолируют электрод с меньшим радиусом кривизны, а при симметричных – оба электрода.

Свойства МБИ зависят от состояния твердого компонента и масла. Они сильно ухудшаются при их увлажнении. Увлажнение барьера до 3 % резко сокращает срок службы изоляции. Поэтому МБИ при изготовлении должны подвергаться сушке и вакуумированию. Влагосодержание (Wнаиб) бумаги не должно превышать 0,5 %.

Конструкция МБИ обеспечивает интенсивное охлаждение токоведущих частей и поэтому применяется в силовых трансформаторах, вводах, реакторах, т.е. в тех случаях, когда во время эксплуатации электрооборудования (ЭО) выделяется большое количество тепла.

На рис. 3 для примера показана структура МБИ трансформатора.

Рис. 3. Основные элементы глав­ной изоляции и масляные проме­жутки обмоток трехфазного транс­форматора на 110 кВ с линейным вводом в верхней части обмотки (испытательное напряжение глав­ной изоляции обмоток ВН 200 кВ): 1 – цилиндры из электрокартона, 2 – прессующее стальное кольцо,
3 – угло­вые шайбы из электрокартона, 4 – междуфазная перегородка
(барьер), 5 – емкост­ное кольцо, 6 – нижний изоляционный барьер

Бумажно-масляная изоляция (БМИ). Исходными материалами для БМИ служат кабельная или конденсаторная бумага и минеральное масло (трансформаторное, кабельное, конденсаторное).

Основу БМИ составляют слои бумаги. В зависимости от размеров, конструкции электродов (токоведущих частей), каждый слой бумаги может быть сплошным или состоять из отдельных лент. В первом случае используются рулоны бумаги большой ширины (до 3,5 м), во втором – ролики из бумажной ленты шириной от 20 до 40 мм. Рулонная БМИ используется в силовых конденсаторах и вводах (проходных изоляторах), ленточная – для изолирования электродов сложной конфигурации или большой длины (кабели, обмоточные провода для трансформаторов). Бумажная лента при этом может накладываться на изолированные части последовательными слоями по спирали с положительным или отрицательным перекрытием, рис. 4. Положительное перекрытие применяется для изоляции сложных электродов (трансформатор тока), отрицательное перекрытие применяется при машинной намотке бумажных лент для кабельной изоляции.

 

Рис. 4. Структура бумажно-масляной изоляции:

а) положительное перекрытие (намотка внахлест); б) отрицательное перекрытие (намотка с зазором между соседними витками) (штриховка)

 

б)
Наличие зазоров (L = 1…2 мм) между витками в слое придает БМИ большую гибкость. После намотки производится сушка под вакуумом при температуре t = 120 °С до остаточного давления р = 0,1…10 Па. Затем производится пропитка под вакуумом дегазированным маслом.

БМИ – многослойная, поэтому вероятность совпадения дефектов в нескольких слоях незначительная. БМИ имеет сложную структуру. При плотной намотке между слоями остаются маленькие (меньше 0,01 мм) зазоры, обусловленные с микронеровностями бумаги.

В самой бумаге имеется большое количество микропор между волокнами. В БМИ создается система распределенных по всему объему и связанных зазоров и микропор, которые в целом занимают 50 % объема изоляции. Благодаря этой системе при вакуумной сушке обеспечивается удаление из изоляции воздуха и влаги, а при пропитке надежное заполнение всех зазоров и микропор маслом. Этим в БМИ гарантируется отсутствие газовых включений и ограничение ЧР.

Бумажно-масляная изоляция обладает высокой электрической прочностью, превосходящей прочность ее компонентов. Пробивные напряженности тонких слоев бумажно-масляной изоляции в поперечном по отношению к бумаге направлении составляют 500…600 кВ/см. В то время как масло имеет напряженность пробоя около 200 кВ/см, кабельная бумага 100…150 кВ/см.

Прочность бумажно-масляной изоляции вдоль слоев бумаги ниже прочности в поперечном направлении в 10…20 раз. Поэтому для МБИ опасны продольные составляющие напряженности электрического поля. В зависимости от качества исходных материалов и технологии изготовления допустимые рабочие напряженности БМИ составляют 120…180 кВ/см, а в маслобарьерной изоляции только 40…60 кВ/см.

Газовая и вакуумная изоляция. Применение газовой изоляции дает ряд преимуществ по сравнению с твердыми и жидкими диэлектриками. В част­ности, газовая изоляция отличается очень малыми диэлектрическими потерями и практически не изменяет своих свойств в процессе эксплуатации. Применение ее приводит к резкому снижению массы конструкции. В ряде случаев конструкция устройства упрощается и становится пожаробезопасной.

При увеличении давления электрическая прочность элегаза (SF6) и воздуха становится выше электрической прочности твердых и жидких диэлектриков, например, минерального масла (рис. 5).

Газы, используемые для изоляции установок высокого напряжения, должны быть: химически стойкими в электрическом разряде и не должны выделять химически активных веществ; быть инертными и не вступать в реакции с материалами, в сочетании с которыми они применяются; обладать низкой температурой сжижения, допускающей их применение при повышенных давлениях, и высокой теплопроводностью. Помимо этого, они должны быть негорючими и нетоксичными, иметь невысокую стоимость.

Рис. 5. Зависимость пробивного на­пряжения от расстояния между электродами:

1 – воздух, р =2,8 МПа; 2 – элегаз, р = 0,7 МПа;
3 – трансформаторное масло; 4 – элегаз при атмосферном давлении;
5 – воздух при атмосферном давлении

 

 

В настоящее время в качестве изоляции применяются воздух, азот и шестифтористая сера (элегаз). Из них наибольшей электрической прочно­стью, превышающей прочность азота и воздуха примерно в 2,5 раза, обладает элегаз. Причина этого заключается в том, что элегаз является электроотрицательным газом, в состав его молекулы SF6 входит фтор-галоген, легко присоединяющий к себе электрон и образующий устойчивые отрицательные ионы.

При увеличении давления электрическая прочность элегаза возрастает почти пропорционально давлению и может быть выше электрической прочности жидких и некоторых твердых диэлектриков. Наибольшее рабочее давление и, следовательно, наибольший уровень электрической прочности элегаза в изоляционной конструкции ограничиваются возможностью сжижения элегаза при низких температурах. Так, температура сжижения элегаза при давлении 0,3 МПа составляет –45 °С, а при 0,5 МПа повышается до –30 ° С. Такие температуры у отключенного оборудования наруж­ной установки вполне возможны зимой во многих районах страны. В связи с этим большой интерес представляют смеси элегаза с азотом, у которых электрическая прочность лишь на
10…15 % ниже прочности чистого элегаза, а допустимое давление резко возрастает. Так, например, у смеси из 30 % элегаза и 70 % азота сжижение при температуре –45 ° С наступает при давлении 8 МПа. Таким образом, допустимое рабочее давление для смеси оказывается при­мерно в 30 раз выше, чем для чистого элегаза.

Для крепления токоведущих частей в комбинации с элегазом используются опорные изоляционные конструкции из литой эпоксидной изоляции. Основным материалом в ней является эпоксидная или эпоксидно-диановая смола. Качество таких опорных изоляторов и особенно их длительная электрическая прочность в сильной степени зависят от технологии подготовки материалов и заливки. Обязательными считаются сушка исходных материалов, тщательное перемешивание компаунда, вакуумирование объема формы, заливка и выдержка до отверждения при избыточном давлении. Эти мероприятия позволяют исключить в литой изоляции газовые включения и тем самым обеспечить высокий уровень ее длительной электрической прочности.

Элегазовая изоляция может быть использована только в герметичных конструкциях. Практика показала, что надежная герметизация конструкций с элегазом является сложной задачей, требующей пристального внимания. В со­временных элегазовых аппаратах утечка элегаза не превышает 1 % общей массы в год.

Высокая надежность элегазовой изоляции, как показывает опыт эксплуатации, обеспечивается при условии очень тщательной очистки от загрязнений всех элементов конструкции, соприкасающихся с элегазом. Небольшие количества пыли, мелкой металлической стружки, волокон пряжи или бумаги могут снизить кратковременную электрическую прочность конструкции или вызвать появление в ней частичных разрядов. Последние опасны тем, что разлагают элегаз с образованием химически очень активных, а иногда и токсичных продуктов.

В настоящее время основной областью применения элегазовой изоляции являются комплектные распределительные устройства (КРУЭ) на напряжение 110…220 кВ, наибольшее рабочее давление элегаза в которых
0,3 МПа. Сейчас разрабатываются КРУЭ на напряжение 1150 кВ, ведутся работы по созданию силовых кабелей с элегазовой изоляцией.

Элегаз является не только хорошей изолирующей, но и хорошей дугогасящей средой. Ток отключения в элегазе примерно в 10 раз больше, чем в воздухе. Если же учесть, что в элегазе скорость восстановления электрической прочности после погасания дуги почти на порядок выше, чем в воздухе, то из этого следует, что мощность отключения в элегазе может быть почти в 100 раз больше, чем в воздухе. По этой причине элегазовые выключатели успешно конкурируют с воздушными выключателями.

Воздух под избыточным давлением в несколько атмосфер используется в основном в образцовых конденсаторах на напряжение до 35 кВ. Ограниченное применение воздуха связано с тем, что при частичных разрядах в воздухе образуется озон, вызывающий коррозию металлов и разрушение твердых диэлектриков.

Азот и элегаз применяются для изоляции конденсаторов, трансформаторов, кабелей и герметизированных рас­пределительных устройств.

Характерной особенностью электроотрицательных газов (элегаза, воздуха) под давлением является наличие максимума в зависимости пробивного напряжения промежутков с резконеоднородным полем от давления (рис. 6). Такое явление наблюдается при переменном напряжении, а так­же при постоянном напряжении и положительной полярности электрода с высокой кривизной поверхности. При импульсных напряжениях максимум выражен слабо.

 

Рис. 6.Зависимость пробивного напряжения промежутков
с резконеоднородным полем от давления: 1 – элегаз; 2 – воздух

 

Объясняется это возникновением вблизи электрода с большой кривизной в результате ионизации положительного объемного заряда. Диффузия этого заряда затруднена из-за повышения давления, и он как бы увеличивает радиус кривизны электрода, выравнивая электрическое поле, вследствие чего пробивное напряжение повышается. При дальнейшем росте давления после значения, соответствующего максимуму Uпр, вследствие увеличивающегося поглощения фотонов и усиления фотоионизации изменяется механизм разряда: из лавинного он становится стримерным, и пробивное напряжение достаточно резко снижается.

Напряжение начала короны, кВ, в элегазовых проме­жутках, образующих однородное поле, рассчитывается по формуле:

где L – длина промежутка, см;

d – относительная плотность элегаза.

Для цилиндрических электродов, образующих коаксиальную систему, напряженность начала короны, кВ/см, определяется как:

где r — радиус внутреннего электрода, см.

Напряжение начала короны рассчитывается по формуле:

где Кн — коэффициент неоднородности электрического поля.

Приведенные формулы справедливы для гладких электродов. В реальных конструкциях на поверхности электродов всегда имеются микроскопические выступы (шероховатости) и осевшие частицы. Напряженность электрического поля у выступов возрастает, что приводит к снижению UK. Оценка напряжения начала короны производится в таких случаях по экспериментальным данным.

Для коаксиальной системы электродов вероятность возникновения короны (пробоя) Р(Е) при напряженности поля Е определяется по формуле (двойной экспоненциальный закон распределения):

(1)

где Еа и аЕ параметры распределения, связанные со средним значением Еср и среднеквадратическим отклонением s соотношениями:

; .

Значения Еср и s зависят от давления элегаза (рис. 7). Определив Еср и s по рис. 7 для заданного давления, можно по (1) вычислить вероятность зажигания разряда при напряженности Е или, наоборот, по заданной вероятности вычислить соответствующую напряженность поля.

Рис. 7. Зависимость параметров распределения Еср (а) и s (б) от давления

 

При увеличении площади поверхности электрода вероятность зажигания разряда возрастает. Если среднее значение напряженности зажигания разряда на электроде площадью S равно EсрS, то для такого же электрода с большей площадью S 1 среднее значение напряженности может быть определено как

Уменьшение Еср с ростом площади электрода связано, в первую очередь, с ростом вероятности появления высоких выступов или оседания больших частиц на его поверхности. Однако, в соответствии с законами теории вероятности Еср должно уменьшаться с ростом площади и в случае гладких электродов.

Жесткость изоляционной конструкции с газом придают вставки, распорки и другие элементы, выполненные из твердых диэлектриков. Электрическая прочность такой комбинированной изоляции определяется напряжением пе­рекрытия по поверхности твердого диэлектрика. На рис. 8 показаны напряжения перекрытия различных твердых диэлектриков в элегазе в зависимости от давления. Основными причинами снижения разрядных напряжений по сравнению с чисто элегазовым промежутком являются плохой контакт изолятора с электродами и большая нормальная составляющая напряженности электрического поля на поверхности твердого диэлектрика. Если исключить плохие контакты и выровнить поле, придав изолятору соответствующую форму или использовав внутренний экран, то в некоторых случаях удается получить разрядные напряжения по поверхности изолятора, близкие по значениям к пробивному напряжению чисто элегазового промежутка.

Рис. 8. Разрядные напряжения вдоль поверхности различных

изоляционных материалов в элегазе в зависимости от давления:

1 – чисто газовый промежуток; 2 – фторопласт-4;
3 – эпоксидный компаунд; 4 – стеклотекстолит

 

Промежутки, для которых произведение давления газа на межэлектродное расстояние лежит в пределах 0,01…0,2 кПа×см, считаются вакуумными промежутками. Возникновение разряда в них определяется практически только процессами на электродах. В ряде случаев электрическая прочность вакуумной изоляции может быть выше, чем газовой изоляции (рис. 9).

Рис. 9. Зависимость пробивного напряжения от расстояния
между электродами:

1 – технический вакуум; 2 – элегаз; р = 0,1 МПа; 3 – воздух, р = 0,1 МПа

 

Различают три вида нарушения электрической прочности вакуумной изоляции: во-первых, появление более или менее стабильных токов с плотностью 10-4…10-3 А/см2, резко зависящих от приложенного к электродам напряжения. Эти токи называются темновыми или предпробивными; во-вторых, возникновение периодически повторяющихся самогасящихся маломощных импульсов тока силой 10-4… 10-3 А и длительностью 10-4…10-3 с с частотой повторения от долей до десятков и сотен герц; в-третьих, возникновение пробоя всего изоляционного промежутка. Пробой характеризуется резким спадом напряжения между электродами и образованием дуги.

Под нарушением электрической прочности вакуумной изоляции понимают те явления, которые ограничивают подъем напряжения на электродах в данной конкретной установке. В одном случае это пробой при быстром подъ­еме напряжения, в других – возникновение изредка импульсов тока при длительном приложении напряжения или появление темповых токов. Таким образом, в зависимости от требований, предъявляемых к вакуумной изоляции, в понятие электрической прочности может вкладываться разный смысл.

Отличительной чертой вакуумной изоляции являются очень большие разбросы пробивных напряжений и напряжений появления темновых и импульсных токов (измеренные значения могут отличаться друг от друга в
1,5…3 раза), что объясняется особенностями микроструктуры поверхности электродов и их чистотой (адсорбционные и окисные пленки). Характеристики поверхности зависят от материала и чистоты обработки электродов и могут изменяться при воздействии разрядов.

Уменьшить разброс пробивных напряжений удается с помощью тренировки электродов, представляющей собой серию пробоев вакуумного промежутка до установления стабильного напряжения. При пробоях вакуумного промежутка происходят нагрев электродов и испарение их поверхности. В результате этого поверхность электродов становится более гладкой и очищается от посторонних веществ, что и приводит к повышению и стабилизации пробивного напряжения (рис. 10).

Рис. 10. Зависимость пробивного напряжения вакуумного промежутка
от числа тренировочных пробоев

 

В установках с вакуумной изоляцией, так же как и с газовой, электрическая прочность промежутка очень часто определяется разрядным напряжением по поверхности твердых изоляторов, которые применяются для крепления различных узлов установки. Для повышения и стабилизации разрядного напряжения по поверхности твердого диэлектрика также проводят тренировку, которая представляет собой выдержку промежутка под напряжением.

Вакуумная изоляция используется в установках и приборах, где вакуум является рабочей средой. Это – ускорители, космические двигатели, электростатические сепараторы, электровакуумные приборы. Вакуумная изоляция применяется также в конденсаторах на 20…50 кВ, в выключателях, вакуумных разрядниках и реле. Использова­ние вакуумной изоляции в выключателях представляет интерес благодаря быстрому восстановлению электрической прочности промежутка после пробоя (10-3…10-4 с); применение вакуумной изоляции в искровых реле позволяет получать хорошие временные характеристики реле: нестабильность времени срабатывания меньше 10 нс.

Недостатком вакуумной изоляции являются конструктивные сложности получения высокого вакуума и сложная технологическая обработка токоведущих частей.

<== предыдущая лекция | следующая лекция ==>
Выбор изоляции линии для ВЛ 330 кВ с железобетонными опорами | Выполните письменно задания


Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском:

vikidalka.ru - 2015-2024 год. Все права принадлежат их авторам! Нарушение авторских прав | Нарушение персональных данных