Изоляция силовых трансформаторов

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Испытание электрической изоляции

Методические указания и контрольные задания для студентов направления 140400 заочного отделения

Иркутск

Составили к.т.н., доцент В.В. Потапов

 

 

Работа подготовлена кафедрой Э и Э

 

 

Содержание

Конспект лекций ……………………………………………………………..
Задание на контрольную работу и общие указания к выполнению контрольной работы Методические указания студентам …………………….

 

Рекомендуемая литература

Основная

Электрофизические основы техники высоких напряжений: Учеб. для вузов/ Под ред. И.П. Верещагина, В.П. Ларионова.- М.: Энергоатомиздат, 1993. – 543 с.

Харченко А.Ф. Техника высоких напряжений. Ч.1. Изоляция устройств электроснабжения электрических железных дорог: Уч. пос.- М.: МИИТ, 2010. – 166 с.

Серебряков А.С. Техника высоких напряжений. Перенапряжение в электрических системах и защита от них. Уч. пос. – М.: РГОТУПС, 2000. – 120 с.

Дополнительная

Базуткин В.В., Ларионов В.П., Пинталь Ю.С. Техника высоких напряжений: Изоляция и перенапряжения в электрических системах: Учеб. для вузов/ Под ред. В.П.Ларионова. – М.: Энергоатомиздат, 1986. – 464 с.

Радченко В. Д. Техника высоких напряжений устройств электрической тяги. – М.: Транспорт, 1974. – 358 с.

Авруцкий В.А., Кужекин И.П., Чернов Е.Н. Испытательные и электрофизические установки. Техника эксперимента: Уч. пос. для втузов/ Под ред. И.П. Кужекина. – М.: МЭИ, 1983. -264 с.

 

Справочная

Электротехнический справочник. Т.2. Электротехнические изделия и устройства/ Под ред. профессоров МЭИ. – М.: Издательство МЭИ, 2002. – 518 с.

Контактная сеть и воздушные линии. Нормативно-методическая документация по эксплуатации контактной сети и высоковольтным линиям: Справочник. Департамент электрификации и электроснабжения ОАО РЖД. –М.: ТРАНСИЗДАТ, 2004. – 568 с.

Правила устройств электроустановок. Разделы 1,2,4. – 7-е изд. –М.

Из-во НЦ ЭНАС, 2004.

ЛЕКЦИИ ПО ДИСЦИПЛИНЕ

ИЗОЛЯЦИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ УСТАНОВОК

1.1. Общие сведения

Ранее уже было сказано, что изоляция электротехнических установок подразделяется на внешнюю и внутреннюю. Внешней изоляцией является атмосферный воздух и поверхности изоляционных конструкций, соприкасающиеся с воздухом. Внутренняя изоляция – это части изоляционной конструкции, в которых изолирующей средой являются жидкие, твердые или газообразные диэлектрики или их комбинация, не соприкасающиеся с атмосферным воздухом. Внутренняя изоляция имеет ряд особенностей по сравнению с наружной изоляцией.

После пробоя (перекрытия) внешней изоляции и отключения источника напряжения электрическая прочность изоляции восстанавливается до исходного уровня. Такую изоляцию называют самовосстанавливающейся. Пробой внутренней изоляции, как правило, представляет собой необратимое разрушение и после него неизбежен дорогостоящий капитальный ремонт или замена изоляции, а иногда и всего аппарата. Внутренняя изоляция является несамовосстанавливаюшейся. Поэтому внутренняя изоляция должна иметь большие запасы прочности, чем внешняя изоляция.

Электрическую прочность внешней изоляции можно определить без ее повреждения. Электрическую прочность внутренней изоляции можно определить только с некоторой вероятностью по ряду косвенных показателей. Фактическое значение электрической прочности неизвестно.

Атмосферный воздух, являющийся частью внешней изоляции, не подвержен старению, он непрерывно обновляется естественным образом. Поэтому старение внешней изоляции может наблюдаться только на тех участках, где разряд развивается по поверхности твердых диэлектриков. Внутренняя изоляция в процессе эксплуатации неизбежно стареет.

К диэлектрикам, используемым для изготовления внутренней изоляции высоковольтного оборудования, предъявляется ряд жестких требований. Они должны обеспечивать высокую кратковременную и длительную электрическую прочность изоляционной конструкции. Кратковременная электрическая прочность – это величина пробивного напряжения при грозовых или коммутационных перенапряжениях. Длительная электрическая прочность – это напряжение, которое может быть приложено к изоляции в течение всего срока службы без ее повреждения. Длительная электрическая прочность внутренней изоляции зависит не только от прочности диэлектрического материала, но и от конструкции изоляции. Изоляционные материалы для внутренней изоляции должны иметь малые диэлектрические потери, малую проводимость и обладать высокой термической стойкостью. Часто внутренняя изоляция выполняет еще и роль теплоотводящей среды, поэтому она должна обладать высокой теплопроводностью.

Внутренняя изоляция в процессе эксплуатации в большинстве случаев испытывает механические воздействия: статические, ударные, вибрационные. Поэтому твердые диэлектрики должны иметь достаточную механическую прочность. Диэлектрики, предназначенные для внутренней изоляции, не должны быть токсичными, горючими, взрывоопасными и должны допускать применение современных прогрессивных технологий изготовления изоляции и иметь невысокую стоимость.

Как показывает опыт, во многих случаях ни один отдельно взятый диэлектрик не может удовлетворить в полной мере всему перечню предъявляемых требований и наилучшее решение получается при использовании комбинации из нескольких диэлектриков, которые выполняют различные функции и дополняют друг друга. Например, высокопрочные жидкие диэлектрики, заполняя объем изоляции так, чтобы в нем не оставалось пустот и воздушных включений, придают изоляции однородность и тем самым обеспечивают высокую длительную электрическую прочность изоляции.

Понятие внутренняя изоляция объединяет различные по устройству и выполняемым функциям изоляционные конструкции. Однако закономерности протекающих в них физических процессов, от которых зависит поведение изоляции в эксплуатации, во многом являются общими. Поэтому для исследования и испытания внутренней изоляции различных высоковольтных устройств применяют одинаковые методы и измерительные средства. Рассмотрим конструкцию внутренней изоляции различных электротехнических установок.

Материалы для изоляторов

Изолятором согласно ГОСТ 27744-88 называют электротехническое устройство, предназначенное для электрической изоляции и механического крепления электроустановок или их отдельных частей, находящимися под разными электрическими потенциалами. Из определения следует, что диэлектрики, из которых изготавливаются изоляторы, должны обладать высокой прочностью, поскольку изоляторы несут значительную механическую нагрузку. Диэлектрики должны иметь и высокую электрическую прочность, позволяющую создавать экономичные и надежные конструкции изоляторов. Пробой тела диэлектрика выводит изолятор из строя, а разряд по поверхности при условии быстрого отключения напряжения не причиняет изолятору никаких повреждений. Поэтому пробивное напряжение твердого диэлектрика в изоляторе должно быть примерно в 1,5 раза выше, чем напряжение перекрытия по поверхности, которое и определяет электрическую прочность изолятора.

Диэлектрик должен быть негигроскопичен и не изменять своих свойств под действием метеорологических факторов. При увлажнении и загрязнении поверхности изоляторов, устанавливаемых на открытом воздухе, могут возникнуть частичные электрические дуги. Под их действием поверхность может обугливаться и на ней появляются проводящие следы – треки, снижающие электрическую прочность изоляторов. Повреждение поверхности твердого диэлектрика вследствие поверхностного пробоя, вызывающего образование проводящих следов, называется трекингом диэлектрика. Поэтому диэлектрики для изоляторов, предназначенных для работы на открытом воздухе, должны иметь высокую трекингостойкость или эрозионную стойкость.

Всем указанным требованиям в наибольшей степени удовлетворяет глазурованный электротехнический фарфор и стекло, а также некоторые полимеры. Электрическая прочность фарфора в однородном поле при толщине 1,5мм составляет 30-40кВ/мм и уменьшается при увеличении толщины. Электрическая прочность стекла при тех же условиях составляет 45кВ/мм. Механическая прочность фарфора и стекла зависит от вида нагрузки. Например, предел прочности обожженного фарфора составляет: при сжатии 450МПа. при изгибе 70МПа, а при растяжении 30МПа. Таким образом, наиболее высокой механической прочностью обладают изоляторы, в которых фарфор работает на сжатие.

Стекло по механической прочности не уступает фарфору и также лучше работает на сжатие. Изоляторы из закаленного стекла имеют ряд преимуществ перед фарфоровыми. Технологический процесс их изготовления полностью автоматизирован. Прозрачность стекла позволяет визуально обнаружить внутренние дефекты. Повреждение стекла приводит к разрушению диэлектрической части изолятора, которое легко обнаруживается при осмотре ЛЭП эксплуатационным персоналом. Стекло более технологичный материал по сравнению с фарфором. Поэтому стеклянным изоляторам можно придать более рациональную форму по сравнению с фарфоровыми изоляторами и получить меньшие габариты при сохранении требуемых электрических характеристик.

Еще большими преимуществами по сравнению с изоляторами из стекла и фарфора обладают полимерны е изоляторы [26]. Применение полимерных материалов в устройствах контактной сети электрифицированных железных дорог является одним из направлений технического прогресса на железнодорожном транспорте. Полимерные изоляторы имеют следующие преимущества: технологичность, малая масса, компактность, простота монтажа, высокая механическая прочность к ударным воздействиям, большая долговечность, надежность и экономичность. Незаменимыми оказываются полимерные изолирующие материалы и при монтаже контактных подвесок в искусственных сооружениях с ограниченными габаритами.

Полимерная изоляция контактной сети в большинстве случаев изготавливается комбинированной: одни материалы, например, стеклопластиковые стержни воспринимают механические нагрузки, а другие, в виде защитной оболочки, обеспечивают электрическую прочность.

Стеклопластики состоят из стеклянной арматуры (нитей, лент или тканей) и полимерного связующего на основе полиэфирных, эпоксидных, кремнийорганических и других синтетических смол. Полимерные связующие в стеклопластиках выполняют роль клеящей среды, объединяющей стеклянные волокна в монолитное изделие. На электрифицированных железных дорогах в полимерных изоляторах и изолирующих элементах используются стеклопластиковые стержни диаметром 14-55 мм.

Материал защитной оболочки полимерных стержневых изоляторов должен обладать высокой трэкингоэрозионной стойкостью, дугостойкостью, устойчивостью к гидролизу, агрессивным средами ультрафиолетовому облучению. Этим показателям удовлетворяет политэтрафторэтилен (фторопласт-4), кремнийорганические резины (эластомеры) и этиленпропиленовые материалы. В применяемых на электрифицированных железных дорогах полимерных изоляторах защитные оболочки в основном выполняются из кремнийорганической резины зарубежного производства.

Для надежной защиты стеклопластика от проникновения влаги оболочка не должна терять герметичность в течение всего срока службы изолятора. Защитная оболочка должна обладать хорошей адгезией к стержню. Для защиты стеклопластика от проникновения влаги и исключения частичных разрядов в пустотах, образующихся между составными частями изолятора при сборке изоляторов используют различные герметизирующие и клеевые материалы: эпоксидные компаунды кремнийорганические пасты, вазелины, силиконовые компаунды холодного отверждения. Применение полимерных изоляторов на ЛЭП позволяет существенно уменьшить массу подвесных изоляторов и заменить гирлянду изоляторов одним.

Вероятность безотказной работы полимерных изоляторов должна быть не меньше значения, определяемого из выражения [26]:

(1.1)

Где t – время с начала эксплуатации, годы; 0,0003 – коэффициент, характеризующий годовую повреждаемость. 1/год. Срок службы полимерных изоляторов контактной сети электрифицированных железных дорог должен быть не менее 25 лет.

Независимо от примененного материала изоляторы по своему назначению делятся на линейные и аппаратные [27].

Линейные изоляторы

Линейны е изоляторы применяются для подвески проводов в ЛЭП, контактной сети и гибких шин в открытых распределительных устройствах. По конструктивному исполнению изоляторы для ЛЭП делятся на штыревые и подвесные. Подвесные изоляторы делятся на тарельчатые и стержневые. Изоляторы для контактной сети делятся по назначению на подвесные, натяжные, фиксаторные и консольные и изолирующие элементы [30].

	Рис.1.1. Штыревые линейные изоляторы типа ШФ -10Г:

 

На рис. 1.1 показана конструкция штыревого линейного изолятора для изоляции и крепления к поддерживающим конструкциям проводов ВЛ напряжением до 10 кВ включительно. Условное обозначение расшифровывается следующим образом: Ш - штыревой, Ф – фарфоровый, 10 – класс изолятора (номинальное напряжение электроустановки, кВ), Г – конструктивное исполнение. Механическая разрушающая сила на изгиб 12,5 кН. Длина пути утечки 265мм.

Провод крепится на верхней или боковой бороздке изолятора с помощью вязки или специальных зажимов. Изолятор навертывается на металлический штырь или крюк, расположенный на опоре. Гнездо с резьбой для навертывания штыря или крюка углублено в тело изолятора настолько, что верхняя часть штыря или крюка оказывается на уровне шейки изолятора. Этим достигается уменьшение изгибающего момента, действующего на тело изолятора.

	Рис.1.2. Подвесной стеклянный тарельчатый изолятор типа ПС 120 – Б.

 

 

На рис.1.2 приведена конструкция стеклянного тарельчатого изолятора типа ПС 120 – Б. Изолятор предназначен для изоляции и крепления к поддерживающим конструкциям проводов контактной сети и ВЛ. Условное обозначение расшифровывается следующим образом: П – подвесной, С - стеклянный, 120 – класс изолятора механическая разрушающая сила при растяжении, кН), Б – модификация изолятора. Длина пути утечки 320мм.

Основу изолятора составляет стеклянное тело – тарелка 1, средняя часть которой, вытянутая кверху, называется головкой. На головке крепится шапка 2 из ковкого чугуна, а в гнездо, расположенное внутри головки, заделывается стальной стержень 3. Армировка изолятора, т. е. механическое соединение изоляционного тела с металлической арматурой, выполняется при помощи портландцемента.

При последовательном соединении таких изоляторов можно получить гирлянду на любое номинальное напряжение. Соединение изоляторов в гирлянду осуществляется путем введения утолщенной головки стержня в специальное ушко на шапке другого изолятора и закрепления его замком. Применение на линиях разного класса напряжения гирлянд из изоляторов одного и того же типа значительно упрощает организацию их массового производства и эксплуатацию. Важное достоинство тарельчатых изоляторов состоит в том, что при повреждении изоляционного тела, механическая прочность изолятора и, следовательно, всей гирлянды не нарушается и не происходит падения провода на землю.

На рис.1.3 приведена конструкция полимерного консольного стержневого изолятора КСК 120 – 6 – 3/0,6. Обозначение расшифровывается следующим образом: К – консольный, С – стержневой, К – оболочка из кремнийорганической резины, 120 – класс изолятора (нормированная разрушающая сила при растяжении, кН), 6 – нормированная разрушающая сила при изгибе, кН, 3 - номинальное напряжение контактной сети, кВ, 0,6 - длина пути утечки, м. Изолятор предназначен для изоляции подкосов и консолей контактной сети постоянного тока напряжением 3 кВ.

 

	Рис.1.3. Консольный стержневой изолятор типа КСК 120 – 6 – 3/0,6.

 

 

Аппаратные изоляторы

Аппаратны е изоляторы предназначены для работы в электротехнических устройствах. Они делятся на опорные и проходные. Опорные изоляторы используются в качестве жесткой опоры и служат для крепления токоведущих шин в закрытых распредустройствах, а также для крепления отдельных частей аппаратов.

 

		Рис.1.5.Опорный штыревой изолятор типа ОНШ на напряжение 10 кВ: 1 штырь; 2-фарфор; 3-шапка; 4-цемент.
	Рис.1.4. Опорный изолятор типа ОФ для работы в помещении на напряжение 6кВ.

 

 

На рис. 1.4 показан опорный фарфоровый изолятор типа ОФ на напряжение 6кВ.для работы внутри помещения, а на рис.1.5 - штыревой опорный изолятор типа ОНШ на напряжение 10 кВ. Обозначение расшифровывается так: О – опорный, Н – нормального исполнения, Ш - штыревой. Материал в опорном изоляторе работает на изгиб. Минимальная разрушающая нагрузка на изгиб изолятора ОНШ, показанного на рис.8.5 составляет 5кН.

На рис. 1.6 показана конструкция опорного стержневого полимерного изолятора ИОСК 6 – 80 – 1 УХЛ на напряжение 10кВ. Наибольшее рабочее напряжение 12кВ.Минимальная механическая разрушающая сила на изгиб не менее 6кН. Испытательное напряжение грозовых импульсов не менее 80кВ. Длина пути утечки 22мм. Одноминутное испытательное напряжение частоты 50Гц в сухом состоянии и под дождем не менее 42 и 28кВ. 50% -ное разрядное напряжение промышленной частоты в загрязненном и увлажненном состоянии 12кВ при удельной поверхностной проводимости слоя загрязнения 10 мкСм.

 

	Рис.1.6.Опорный стержневой полимерный изолятор ИОСК 6 – 80-1 УХЛ на напряжение 10кВ

 

 

Опорные стержневые изоляторы для работы на открытом воздухе отличаются от таких же изоляторов для работы в помещении большим количеством ребер. Ребра служат для увеличения длины пути утечки с целью повышения разрядных напряжений изоляторов под дождем.

Проходные изоляторы применяются для изоляции токоведущих частей при прохождении их через стены, потолки и корпуса распределительных устройств, выключателей, трансформаторов и иных электрических аппаратов, имеющих другой электрический потенциал по отношению к токоведущим частям.

Типичные конструкции проходных изоляторов на напряжения 6 и 35 кВ для работы в помещениях и на открытом воздухе показаны на рис.8.7. Они состоят из изоляционного фарфорового тела, токоведущего стержня и фланца, с помощью которого изолятор укрепляется на стене, перекрытии или ограждении. Проходные изоляторы, также как изоляторы других типов, конструируют так, чтобы пробивное напряжение их внутренней изоляции превышало разрядное напряжение по поверхности. Проходные изоляторы на напряжение более 35кВ имеют более сложную конструкцию и называются вводами.

Рис.1.7. Проходные изоляторы: а) и б) для работы в помещении; в) и г) для работы на открытом воздухе; а) и в) на 6кВ; б) и г) на 35кВ.

Изоляция конденсаторов

Название «конденсатор» было введено в конце 18 века, когда существовало представление об «электрических жидкостях» и конденсатор рассматривался как прибор для сгущения, конденсирования этих жидкостей. Конденсатор представляет собой систему из двух или более проводников (обкладок),разделенных диэлектриком (рис.2.1). Основное назначение конденсатора – накапливать электрический заряд и электрическую энергию.

Первые специально созданные электрические конденсаторы, которые применяли в России М.В. Ломоносов и Г. Рихман представляли собой стеклянные банки, наполненные водой или дробью, и оклеенные снаружи фольгой. Впервые понятие диэлектрической проницаемости диэлектрика в конденсаторах ввел Фарадей, в честь которого и названа единица емкости – Фарад. В настоящее время в России производятся все виды современных электрических конденсаторов от единиц фарад до долей пикофарад.

Важнейшая характеристика конденсатора – удельная энергия, равная отношению запасенной в конденсаторе электрической энергии к объему активного диэлектрика:

. (1-2)

Здесь:S – площадь пластин конденсатора, d – толщина диэлектрика.

Как следует из формулы (1-2) для увеличения удельной энергии следует выбирать материал с высокой относительной диэлектрической проницаемостью и высокой электрической прочностью.

Из формулы (1-2) можно выразить энергию конденсатора:

. (1.3)

Здесь l – линейные разме1-3), энергия конденсатора, а, следовательно, и потери растут пропорционально кубу линейных размеров. Поверхность охлаждения конденсатора растет пропорционально квадрату линейных размеров. Следовательно, с ростом мощности конденсатора ухудшаются условия его охлаждения. Чтобы не вызвать перегрева диэлектрика, необходимо использовать материал с малыми диэлектрическими потерями т.е. с малым значением . Рассмотрим, с учетом сказанного, как выполняется изоляция в различных видах конденсаторов.

Силовые конденсаторы используются в установках переменного тока для повышения коэффициента мощности («косинусные конденсаторы»), для продольной компенсации в ЛЭП, в качестве конденсаторов связи и других целей. В установках постоянного тока они работают в схемах с инверторами. Устройство силового конденсатора для повышения коэффициента мощности схематически показано на рис.1.8.

Рис.1.9. Плоскопрессованная рулонная секция: 1 – электроды из фольги; 2 – слои бумаги; 3 – выводы.

 

 

В герметизированном корпусе 1 расположены плоскопрессованные рулонные секции 2, стянутые в пакет между металлическими щеками 3 с помощью хомутов 4. Между секциями установлены изолирующие прокладки 5 из электрокартона. Изоляция 6 от корпуса выполнена из электрокартона или кабельной бумаги. Секция представляет собой спирально намотанный рулон из лент диэлектрика и алюминиевой фольги (рис.8.9), выполняющей роль электродов. В рулонных секциях обе поверхности электродов являются активными, вследствие чего сокращается расход металла на электроды. Отдельные секции (рис.1.8) соединяются перемычками 7 в параллельную, последовательную или смешанную схему в зависимости от рабочего напряжения и требуемой емкости. Конденсатор имеет два вывода 8.

В силовых конденсаторах используется бумажно-масляная изоляция. Чаще всего изоляцию секций выполняют из 6-8 слоев конденсаторной бумаги типа КОН толщиной 10-15мкм ( =-0,003). Внутренний объем конденсатора заполнен пропитывающим составом. В качестве пропитки используют минеральные масла ( =2,1-2,2) и синтетические полярные жидкости на основе хлордифенила (ХД) ( =4,8-5,5). Конденсаторное масло отличается от трансформаторного более тщательной очисткой. У конденсаторной бумажной изоляции до 30% объема занимают поры между волокнами и узкие щели между слоями бумаг. Поэтому относительная диэлектрическая проницаемость пропитывающей жидкости сильно влияет на емкость конденсатора. При пропитке хлорированными жидкостями емкость конденсатора в два раза превосходит емкость при пропитке минеральным маслом. Рабочие напряженности в конденсаторах промышленной частоты составляют 12-14 кВ/мм при пропитке минеральными маслами и 15-20кВ/мм при пропитке хлорированными жидкостями..

Недостатком синтетических жидкостей ХД является их большая чувствительность к загрязнениям. Кроме того, они токсичны и экологически опасны, так как отсутствует их биологическая деградация. Это делает необходимым централизованное уничтожение пробитых конденсаторов по специальной технологии.

Хорошие результаты дает применение комбинированной изоляции, в которой слои бумаги чередуются со слоями неполярной синтетической полимерной пленки. Такой пленкой может быть, например, полипропилен ( =2,2-2,3, =180кВ/мм, =0,0004, =10¹⁵-10¹⁶Ом·м). Для импульсных конденсаторов применяется полиэтилентерефталатная (лавсановая) пленка., а в качестве пропитки – касторовое масло. В комбинированной изоляции бумага между слоями пленки обеспечивает хорошую пропитку между слоями пленки и отсутствие газовых включений в изоляции.

В последнее время большинство производителей силовых конденсаторов отказываются от использования бумажного и бумажно-пленочного диэлектрика, переходя к чисто пленочному с экологически безопасными пропитывающими жидкостями. Так например, крупнейший отечественный производитель всех типов силовых конденсаторов Серпуховской конденсаторный завод “КВАР”,внедряя указанную технологию, разработал и освоил выпуск конденсаторов для комплектации силовых фильтров высших гармоник мощностью 300квар с удельной реактивной мощностью 8,1 квар/дм³, что в 1,5-2 раза превышает этот показатель серийно выпускаемой продукции.

Керамические конденсаторы составляют более половины всех выпускаемых конденсаторов. Диэлектриком в них является керамика с высокой , что позволяет выполнять конденсаторы с меньшими габаритами и весом. Большая часть керамических материалов с высокой имеют в качестве основной составной части диоксид титана TiO₂. Одна из его модификаций – рутил имеет в направлении главной кристаллографической оси =173. Низкочастотная керамика имеет =15000-20000. Имеются полупроводниковая керамика с =50000. Таким образом, керамические материалы по сравнению с полимерными пленками дают огромный выигрыш по значению . Низковольтные и высоковольтные керамические конденсаторы применяются в высокочастотной технике: в измерительных схемах и в радиоаппаратуре.

Оксидные конденсаторы используют в качестве диэлектрика тонкую оксидную пленку на поверхности металлов; алюминия, тантала, ниобия. В электролитических конденсаторах сам металл используется как анод, а электролит (корпус) используется в качестве катода.

В диффузионных конденсаторах в качестве диэлектрика служит запорный слой на границе p-n перехода в полупроводнике. В конденсатора на МДП структурах (металл-диэлектрик-полупроводник) в качестве диэлектрика используется слой диоксида кремния, выращенный на поверхности кремниевой пластины. Обкладками служит кремний с одной стороны и тонкая пленка с другой.

Для изготовления измерительных конденсаторов применяется так называемая образцовая конденсаторная слюда марки СО, которая представляет собой мусковит высшего качества и изготовляется в виде пластинок прямоугольной формы. В высокочастотной технике слюдяные конденсаторы применяются в колебательных контурах радиоаппаратуры.

Изоляция силовых кабелей

Электрическим кабелем (от голландского kabel – канат, трос) называют систему гибких изолированных проводников, имеющих кроме собственной изоляции общую изоляцию и защитную оболочку, предохраняющую изоляцию от внешних механических и других воздействий. Впервые электрические провода с гуттаперчевой изоляцией для взрыва морских мин предложил в 1812 году русский ученый и изобретатель П.Л. Шиллинг. В 1841 году в России выдающийся физик и электротехник Б.С. Якоби впервые в мире построил подземную линию электрического телеграфа, для которой он разработал конструкцию кабелей и наладил их производство. Современный электрический кабель это сложное техническое изделие, в котором используются многие достижения науки и техники. Сейчас потребление кабельных материалов в мире составляет 15 млн.т. в год, из них в США-22%, в Китае 12%, в Японии 8%, в остальной Азии 20%, в бывшем СССР 5%, в остальных странах 33%. Рассмотрим устройство кабелей с различными видами изоляции.

На рис.1.10 показан разрез трехжильного силового кабеля с секторными жилами и бумажной изоляцией с вязкой пропиткой [33]. Секторная форма жил позволяет уменьшить наружный диаметр кабеля. Жилы кабеля выполняются из меди или алюминия. Изоляция состоит из двух частей – фазной и поясной. Между жилами кабеля находится двойная фазная изоляция, рассчитанная на линейное напряжение, а между каждой жилой и оболочкой - фазная и поясная. Зазоры между отдельными изолированными жилами заполняется низкокачественной изоляцией (бумажными жгутами). Наибольшее действующее значение рабочей напряженности в кабелях до 10 кВ не превышает значения 2кВ/мм.

Чтобы кабель был гибким, жилы его выполняются из большого числа скрученных тонких проводов. Изоляция кабеля должна быть достаточно гибкой, механически прочной и и иметь высокую электрическую прочность. Последнее особенно важно, так как при уменьшении толщины изоляции повышается гибкость кабеля, уменьшается его вес и стоимость, улучшается теплоотвод и повышается рабочий ток кабеля. Кроме того, высокое значение электрической прочности повышает надежность работы кабеля, а, следовательно, снижает его эксплуатационные расходы, так как на поиск места повреждения кабеля и его устранение затрачивается много времени и средств. В настоящее время срок эксплуатации кабеля должен составлять не менее 25-40 лет. Следует отметить, что фактически кабели служат более длительное время. Например, в Санкт-Петербурге некоторые кабели с бумажно-масляной изоляцией на напряжение 10кВ эксплуатируются более 75 лет.

 

 

Рис.1.10. Трехжильный кабель с секторными жилами: 1 – жила; 2 – фазная изоляция; 3 – поясная изоляция; - 4 – наполнитель; 5 – оболочка; 6 – подушка под броней из пряжи; пропитанной битумом; 7 – броня из стальных лент; 8 – наружный защитный покров.

В настоящее время в силовых кабелях высокого напряжения используется бумажно-масляная изоляция. Кабельная бумага отличается от конденсаторной бумаги большей толщиной (80-170мкм) и повышенными механическими характеристиками для большей плотности изоляции при ее намотке. Тангенс угла диэлектрических потерь для непропитанной кабельной бумаги примерно такой же как для непропитанной конденсаторной бумаги и составляет примерно =0,002.

В качестве вязкой пропитки ленточной бумажной изоляции применяются масляно-канифольные или синтетические нестекающие составы повышенной вязкости. Добавление канифоли в нефтяные масла приводит к существенному увеличению вязкости пропитывающего состава. Недостатком таких кабелей является то, что при работе с циклической нагрузкой, вызывающей нагревание и остывание кабеля, в изоляции образуются пустоты, которые снижают электрическую прочность изоляции.

Металлическая оболочка выполняется обычно из свинца или алюминия. Поверх оболочки накладываются защитные покровы, включающее броню из стальных проволок или лент и слои кабельной пряжи из джутового волокна, пропитанного битумными составами с антисептикам и.

Описанные кабели применяются до напряжения 35кВ включительно при промышленной частоте и до напряжения 220кВ при постоянном напряжении.

Для напряжений 110-220кВ и даже до напряжений 500кВ промышленной частоты используются маслонаполненные кабели, которые, как правило, выполняются одножильными. В таких кабелях ленточная бумажная изоляция пропитывается маловязким маслом, которое может перемещаться внутри жилы кабеля и находиться под избыточным давлением. Вследствие этого исключается появление в изоляции газовых включений при изменениях температуры, и за счет этого длительная электрическая прочность повышается более чем в 3 раза по сравнению с прочностью изоляции, пропитанной вязкими составами [7,8].

Для поддержания неизменного давления масла в кабеле на кабельной трассе через каждые 1-2,5км устанавливают баки давления, которые присоединяются к кабелю через специальные муфты. Чем больше давление масла, тем выше электрическая прочность кабеля, однако при этом усложняется и упрочняющий покров кабеля. Поэтому маслонаполненные кабели высокого давления (около 1,5 МПа) выполняются в стальных трубах. Такие кабели выпускаются на напряжение до 500кВ. Устройство маслонаполненного кабеля высокого давления показано на рис.8.11. В стальном трубопроводе, заполненном маловязким маслом под давлением 1,5МПа помещаются три круглые жилы с изоляцией, которая пропитана вязким составом. Изоляция покрывается эластичным, герметически плотным слоем, который предотвращает контакт изоляции с маслом в трубе, а также увлажнение изоляции при транспортировке и монтаже. Эластичное покрытие свободно передает изоляции давление масла, заполняющего стальную трубу.

 

	Рис.1.11. Маслонаполненный кабель высокого давления в стальной трубе. 1-жила; 2 – изоляция; 3 – герметизирующие покровы; 4 – полукруглая проволока; 5 – стальная труба; 6- масло; 7 – антикоррозийное покрытие.

 

 

Преимущество кабелей в трубе состоит в том, что упрощается конструкция оболочки, воспринимающей давление масла. Однако увеличивается объем работ при прокладке кабельной линии за счет сварки стальных труб и наложения антикоррозийных покрытий. Кроме того, значительно возрастает объем масла, что усложняет систему поддержания избыточного давления. При эксплуатации маслонаполненных кабелей возникают проблемы контроля за состоянием изоляционного масла и защиты кабельной линии от коррозии. Разгерметизация маслонаполненных кабелей высокого давления сопровождается большими объемами вытекаемого кабельного масла, увлажнением изоляции кабеля и, как следствие, значительным объемом восстановительных работ. Поэтому при напряжениях до 220кВ применяют газонаполненные кабели, в которых вместо масла используют сухой очищенный азот при повышенном давлении.

Эти кабели имеют устройство примерно такое же, как и маслонаполненные, но в них используется изоляция с обедненной пропиткой. Преимущество таких кабелей состоит в том, что получается более простая система обеспечения повышенных давлений за счет использования баллонов со сжатым газом. Газонаполненные кабели

12345678910Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: