Для их изготовления

В установках высокого напряжения и оборудования энергосистем используется несколько видов внутренней изоляции. Наиболее широкое распространение получили бумажно-пропитанная (бумажно-масляная) изоляция, маслобарьерная изоляция, изоляция на основе слюды, пластмассовая и газовая.

Эти разновидности обладают определенными достоинствами и недостатками, имеют свои области применения. Однако их объединяют некоторые общие свойства:

сложный характер зависимости электрической прочности от длительности воздействия напряжения;

в большинстве случаев необратимость разрушения при пробое;

влияние на поведение в эксплуатации механических, тепловых и других внешних воздействий;

в большинстве случаев подверженность старению.

Бумажно-пропитанная изоляция (БПИ). Исходными материалами служат специальные электроизоляционные бумаги и минеральные (нефтяные) масла или синтетические жидкие диэлектрики.

Основу БПИ составляют слои бумаги. БДХ бумага изготавливается из длинных волокон первосортного хлопка.

кабельная бумага К-120 микалентная бумага БДХ

Рис. 4.1. Электроизоляционные бумаги

Рулонная БПИ (ширина рулона до 3,5 м) применяется в секциях силовых конденсаторов и в вводах (проходных изоляторах); ленточная (ширина ленты от 20 до 400 мм) - в конструкциях с электродами относительно сложной конфигурации или большой длины (вводы высших классов напряжения, силовые кабели) (рис. 4.1). Слои ленточной изоляции могут наматываться на электрод внахлест или с зазором между соседними витками. После намотки бумаги изоляция подвергается вакуумной сушке при температуре 100-120°С до остаточного давления 0,1-100 Па. Затем под вакуумом производится пропитка бумаги тщательно дегазированным маслом.

Дефект бумаги в БПИ ограничен пределами одного слоя и многократно перекрывается другими слоями. Тончайшие зазоры между слоями и большое количество микропор в самой бумаге при вакуумной сушке обеспечивает удаление из изоляции воздуха и влаги, а при пропитке эти зазоры и поры надежно заполняются маслом или другой пропиточной жидкостью.

Конденсаторные и кабельные бумаги имеют однородную структуру и высокую химическую чистоту. Конденсаторные бумаги самые тонкие и чистые. Трансформаторные бумаги используются в вводах, трансформаторах тока и напряжения, а также в элементах продольной изоляции силовых трансформаторов, автотрансформаторов и реакторов.

Для пропитки бумажной изоляции в силовых маслонаполненных кабелях 110-500 кВ используются маловязкие нефтяные или синтетические кабельные масла, а в кабелях до 35 кВ - маслонаполненные смеси повышенной вязкости. В силовых и измерительных трансформаторах и вводах пропитка осуществляется трансформаторным маслом. В силовых конденсаторах применяется конденсаторное масло (нефтяное), хлорированные дифенилы или их заменители, а также касторовое масло (в импульсных конденсаторах).

Нефтяные кабельные и конденсаторные масла более тщательно очищены, чем трансформаторные.

Хлорированные дифенилы, обладая высокой относительной диэлектрической проницаемостью, повышенной стойкостью к воздействию частичных разрядов (ЧР) и негорючестью, токсичны и экологически опасны. Поэтому масштабы их применения резко сокращаются, их заменяют экологически чистыми жидкостями.

Для снижения диэлектрических потерь в силовых конденсаторах используют комбинированную изоляцию, в которой слои бумаги чередуются со слоями полипропиленовой пленки, у которой на порядок меньше чем у непропитанной бумаги. Такая изоляция обладает более высокой электрической прочностью.

Недостатками БПИ являются невысокая допустимая рабочая температура (не более 90°С) и горючесть.

Масло-барьерная (маслонаполненная) изоляция (МБИ). Основу этой изоляции составляет трансформаторное масло. Оно обеспечивает хорошее охлаждение конструкции за счет самопроизвольной или принудительной циркуляции.

В состав МБИ входят и твердые диэлектрические материалы - электрокартон кабельная бумага и др. Они обеспечивают механическую прочность конструкции и используются для повышения электрической прочности МБИ. Из электрокартона выполняют барьеры (4 на рис. 4.2), а слоями кабельной бумаги покрывают электроды. Барьеры повышают электрическую прочность МБИ на 30-50%, разделяя изоляционный промежуток на ряд узких каналов, они ограничивают количество примесных частиц, которые могут приближаться к электродам и участвовать в инициировании разрядного процесса.

Электрическую прочность МБИ повышает покрытие электродов сложной формы тонким слоем полимерного материала, а в случае электродов простой формы - изолирование их слоями бумажной ленты.

Технология изготовления МБИ включает сборку конструкции, сушку ее под вакуумом при температуре 100-120°С и заполнение (пропитку) под вакуумом дегазированным маслом.

Рис. 4.2 Основные элементы главной изоляции и масляные промежутки обмоток трехфазного трансформатора на 110 кВ с линейным вводом в верхней части: 1 – цилиндры из электрокартона, 2 – прессующее стальное кольцо, 3 – угловые шайбы из электрокартона, 4 – междуфазная перегородка (барьер), 5 – емкостное кольцо, 6 – нижний изоляционный барьер

К достоинствам МБИ относятся сравнительная простота конструкции и технологии её изготовления, интенсивное охлаждение активных частей оборудования (обмоток, магнитопроводов), а также возможность восстановления качества изоляции в эксплуатации путем сушки конструкции и замены масла.

Недостатками МБИ являются меньшая, чем у бумажно-масляной изоляции электрическая прочность, пожаро- и взрывоопасность конструкции, необходимость специальной защиты от увлажнения в процессе эксплуатации.

МБИ используется в качестве главной изоляции в силовых трансформаторах (рис.4.2) с номинальными напряжениями от 10 до 1150 кВ, в автотрансформаторах и реакторах высших классов напряжения.

Изоляция на основе слюды имеет класс нагревостойкости В (до 130°С). Слюда имеет очень высокую электрическую прочность (при определенной ориентации электрического поля относительно кристаллической структуры), обладает стойкостью к воздействию частичных разрядов и высокой нагревостойкостью. Благодаря этим свойствам, слюда является незаменимым материалом для изоляции статорных обмоток крупных вращающихся машин. Основными исходными материалами служат микалента или стеклослюдинитовая лента (рис. 4.3).

Рис. 4.3. Изолирующие ленты на основе слюды

Микалента представляет собой слой пластинок слюды, скрепленных лаком между собой и с подложкой из специальной бумаги или стеклоленты (рис. 4.3, а). Микалента используется в, так называемой, компаундированной изоляции, процесс изготовления которой включает намотку нескольких слоев микаленты, пропитку их при нагреве под вакуумом битумным компаундом и опрессовку. Эти операции повторяются для каждых пяти-шести слоев до получения изоляции необходимой толщины. Компаундированная изоляция используется в настоящее время в машинах малой и средней мощности.

Таблица 4.1

Электрическая прочность слюд на 50 Гц (www.sludairk.ru)

Более совершенной является изоляция, выполняемая из стеклослюдинитовых лент и термореактивных пропиточных составов (рис. 4.3, в). Слюдинитовая лента состоит из одного слоя слюдинитовой бумаги толщиной 0,04 мм и одного или двух слоев подложки из стеклоленты толщиной 0,04 мм. Такая композиция обладает достаточно высокой механической прочностью (за счет подложек) и отмеченными выше качествами, характерными для слюды.

Из слюдинитовых лент и пропитывающих составов на основе эпоксидных и полиэфирных смол изготовляют термореактивную изоляцию, которая при нагреве не размягчается, сохраняет высокую механическую и электрическую прочность. Разновидности термореактивной изоляции, используемые у нас в стране, называют “слюдотерм”, “монолит”, “монотерм” и т.д. Термореактивная изоляция применяется в статорных обмотках крупных турбо- и гидрогенераторов, двигателей и синхронных компенсаторов с номинальными напряжениями до 36 кВ.

Пластмассовая изоляция:

1. Резиновая изоляция изготавливается на основе натуральных или синтетических (бутадиеновых, бутиловых и др.) каучуков.

2. Полиэтиленовая изоляция изготавливается на основе полиэтиленов низкой плотности (ПЭНП) и полиэтиленов высокой плотности (ПЭВП). ПЭВП имеет лучшие механические характеристики, однако менее технологичен из-за более высокой температуры размягчения. Электрическая прочность для полиэтиленовых изоляций толщиной 1 мм при частоте 50 Гц составляет 35-40 кВ/мм. Полиэтилен (ПЭ) инертен к большей части агрессивных сред и при комнатной температуре не растворим ни в одном из известных растворителей. Введение в ПЭ органических перекисей (с последующим нагревом или действием ионизирующих излучений - вулканизацией), приводит к образованию поперечных связей, переводящих его из термопластичного состояния в термореактивное (сшитый полиэтилен).

3. Поливинилхлоридная изоляция (ПВХ) -смесь поливинилхлоридной смолы с пластификаторами, стабилизоторами и другими добавками. Пластификаторы придают материалу пластичность и облегчают процесс его переработки, но уменьшают его химическую стойкость, нагревостойкость и электроизоляционные свойства. В изоляционные ПВХ пластикаты вводят антиоксиданты, обеспечивающие длительное сохранение высокого удельного электрического сопротивления (1 ÷ 5 МОм∙м), гибкости при низких температурах и нагревостойкости. Для получения цветного ПВХ пластиката в него вводят окрашивающие добавки, главным образом пигментные красители. Широко используется в кабелях ВН в качестве защитного покрова.

4. Изоляция из фторопласта (политетрафторэтилена) -сокращенно Ф-4, обладает высокими механическими и диэлектрическими свойствами. Ф-4 используется в диапазоне температур от -90 до + 250 °С. Ф-4 исключительно стоек к большинству химических веществ.

Пластмассовая изоляция в промышленных масштабах используется в силовых кабелях на напряжения до 220 кВ (рис. 4.4) и в импульсных кабелях. Основным диэлектрическим материалом в этих случаях является полиэтилен низкой и высокой плотности. Пластмассовая изоляция в кабеле располагается между полупроводящими экранами (экраны служат для снижения неоднородностей электрического поля), выполняемыми из наполненного углеродом полиэтилена. Экран на токоведущей жиле, изоляция из полиэтилена и наружный экран наносятся методом экструзии (выдавливания). В некоторых типах импульсных кабелей применяются прослойки из фторопластовых лент, которые для получения монолитности изоляции подвергают нагреву (запечка). Для защитных оболочек кабелей в ряде случаев используется поливинилхлорид.

Рис. 4.4. Кабели с полимерной изоляцией

Газовая изоляция. Для выполнения газовой изоляции в высоковольтных конструкциях используется элегаз, или шестифтористая сера . Это бесцветный газ без запаха, который примерно в пять раз тяжелее воздуха. Он имеет наибольшую прочность по сравнению с такими инертными газами, как азот и двуокись углерода.

Рис. 4.5. Вид молекулы элегаза

Чистый газообразный элегаз безвреден, химически неактивен, обладает повышенной теплоотводящей способностью и является очень хорошей дугогасящей средой; он не горит и не поддерживает горение. Электрическая прочность элегаза в нормальных условиях примерно в 2,5 раза выше прочности воздуха.

Высокая электрическая прочность элегаза объясняется тем, что его молекулы легко присоединяют электроны, образуя устойчивые отрицательные ионы. Из-за этого затрудняется процесс размножения электронов в сильном электрическом поле, который составляет основу развития электрического разряда.

При увеличении давления электрическая прочность элегаза возрастает почти пропорционально давлению и может быть выше прочности жидких и некоторых твердых диэлектриков. Наибольшее рабочее давление и, следовательно, наибольший уровень электрической прочности элегаза в изоляционной конструкции ограничивается возможностью сжижения элегаза при низких температурах, например, температура сжижения элегаза при давлении 0,3 МПа составляет -45°С, а при 0,5 МПа равна -30°С. Такие температуры у отключенного оборудования наружной установки вполне возможны зимой во многих районах страны.

Для крепления токоведущих частей в комбинации с элегазом используются опорные изоляционные конструкции из литой эпоксидной изоляции.

Элегаз используется в выключателях, кабелях и герметизированных распределительных устройствах (ГРУ) на напряжения 110 кВ и выше и является весьма перспективным изоляционным материалом.

При температурах выше 3000°С может начаться разложение элегаза с выделением свободных атомов фтора. Образуются газообразные отравляющие вещества. Вероятность их появления существует для некоторых типов выключателей, предназначенных для отключения больших токов к.з. Поскольку выключатели герметически закрыты, появление ядовитых газов не опасно для эксплуатационного персонала и окружающей среды, но при ремонте и вскрытии выключателя необходимо принимать специальные защитные меры.

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

(4.1)

где L – длина промежутка, см; d – относительная плотность элегаза.

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

(4.2)

где r — радиус внутреннего электрода, см.

Пробой элегаза возможен только при относительно высокой напряженности электрического поля. Напряжение пробоя элегаза при частоте 50 Гц и давлении 100 кПа в однородном электрическом поле, в 2,5÷3 раза выше, чем соответствующее значение для воздуха. Это соответственно повышает дугогасящую способность элегаза. На рис. 4.6 изображена характеристика дугогасящей способности элегаза в сравнении с воздухом при разном давлении: I = f(P). Таким образом чистый элегаз прочнее воздуха, а при добавлении 50 % воздуха обладает дугогасящей способностью хотя и ниже, чем у чистого элегаза, но существенно выше, чем у воздуха.

Некоторые виды элегазового оборудования. Высоковольтные распределительные устройства. Хорошие дугогасящие и изоляционные свойства элегаза позволили создать совершенно новый тип высоковольтных выключателей и распределительных устройств с великолепными характеристиками: высокая компактность, низкий уровень шумов, защита от случайных контактов с токоведущими частями и от попадания посторонних предметов благодаря металлической оболочке, а также полная пожаробезопасность.

Пространство, требуемое для элегазового распределительного устройства, примерно в десять раз меньше пространства, требуемого для обычной подстанции. Таким образом, оборудование с элегазовой изоляцией может быть установлено на распределительных устройствах в густонаселенных районах, где стоимость участка не позволяет использовать традиционные методы. Благодаря невосприимчивости к внешним условиям элегазовые распределительные устройства нашли применение в химической промышленности, в пустынных регионах и в прибрежных областях. Элегаз используется как дугогасящая среда в выключателях, как в закрытых, так и в открытых распределительных устройствах.

Элегазовые выключатели. Преимущества элегазовых технологий, а в особенности прекрасные дугогасящие свойства элегаза, нашли также своё применение в выключателях на средние напряжения 10-40 кВ и на напряжения 110 – 1150 кВ (рис. 4.7). На средних напряжениях они заменили традиционные маломасляные выключатели, на более высоких напряжениях – маслообъемные и воздушные выключатели. Элегазовые выключатели удовлетворяют самым суровым требованиям, таким как выключение больших токов коротких замыканий и частое отключение токов больших нагрузок. Они практически не требуют выполнения каких - либо ремонтных работ в процессе эксплуатации. Их использование особенно удобно там, где нежелательно использование маслонаполненного оборудования.

Высоковольтные кабели и токопроводы. В последнее время возрос интерес к использованию элегаза в производстве высоковольтных кабелей и токопроводов, используемых для передачи электроэнергии в районах с высокой плотностью промышленных предприятий. Токопроводы также используются для соединения электростанций с трансформаторными подстанциями или распределительными устройствами. Токопроводы, наполненные сжатым элегазом, обладают очень высокой пропускной способностью.

Трансформаторы. Высокий коэффициент теплоотдачи, негорючесть и нетоксичность способствуют применению элегаза в качестве внутренней изоляции трансформатора. Благодаря высокой эксплуатационной безопасности, элегазовые трансформаторы используют в горной промышленности. Дополнительными преимуществами элегазовых трансформаторов являются их относительно легкий вес, компактный дизайн и низкий уровень шума.

Получили распространение элегазовые трансформаторы тока на различные напряжения

Рис. 4.7. Элегазовый выключатель фирмы АВВ на 220 кВ

Рис. 4.8. Многофункциональное компактное устройство c элегазовой изоляцией (PASS) для распределительных подстанций до 170 кВ.

В настоящее время в связи с процессом реконструкции старых подстанций, а также для строительства новых подстанций фирмой АВВ были разработаны высоковольтные электроустановки, называемые PASS (система “штепсель – выключатель”). Сущность этой установки заключается в том, что в одном, относительно небольших размеров, электроаппарате нашли место несколько коммутационных электроаппаратов. Таким образом, в блок PASS входят шинный и линейный разъединители, непосредственно сам выключатель, трансформатор тока и напряжения (выполнены в комбинированном виде), а также заземляющие ножи. Такая сконцентрированность стала возможной благодаря применению элегаза в качестве изолирующей среды.