Изоляция силовых конденсаторов

Силовые конденсаторы используются в установках переменного тока для повышения коэффициента мощности («косинусные» конденсаторы), для продольной компенсации в дальних линиях электропередачи, для присоединения к воздушным линиям аппаратуры высокочастотной связи (конденсаторы связи), для отбора от линий высокого напряжения небольшой мощности и для других целей. В установках постоянного тока силовые кон­денсаторы работают в схемах с инверторами. В лабораторных генераторах импульсных напряжений и токов, а также в специальных установках для получения сильных магнитных полей, высокотемпературной плазмы, электрогидравлического эффекта и т. д. используются импульсные силовые конденсаторы.

Во всех случаях силовые конденсаторы выполняют свои функции за счет того, что в активной части их изоляции, т. е. в изоляции, заключенной между электродами, в некоторые моменты времени накапливается энергия, используемая затем для разных целей. Энергия, накапливаемая в конденсаторе, равна

(4.7.1)

где Va—объем активной части изоляции; Ераб—рабочая напряженность в изоляции. Полный объем конденсатора V приблизительно пропорционален Va, поэтому

(4.7.2)

Следовательно, в силовых конденсаторах целесообразно использовать изоляцию, об­ладающую высокой относительной диэлектрической проницаемостью и высокой дли­тельной электрической прочностью, от которой прежде всего зависит значение рабочей напряженности Eраб.

Длительно допустимая напряженность в изоляции ограничивается также диэлектриче­скими потерями, которые являются единственным источником тепловыделений в кон­денсаторах (в импульсных с большими токами добавляются еще и потери в электродах). В связи с этим конденсаторная изоляция должна иметь малые диэлектрические потери, т. е. низкие значения tgd

Устройство силового конденсатора для повышения коэффициента мощности схематически показано на рис.4.7.1. В герметизированном корпусе расположены плоскопрессованные рулонные секции, стянутые в пакет между металлическими щеками с помощью хомутов. Между секциями установлены изолирующие прокладки из электрокартона. Изоляция от корпуса выполнена из электрокартона или кабельной бумаги.

Внутренний объем конден­сатора заполнен пропитывающим составом. В зависимости от номинального напряжения конденсатора и его емкости секции соединяются перемычками в параллельную, последо­вательную или комбинированную схему. В конденсаторах некоторых типов секции подключаются через индивидуальные предохранители. При этом работоспособность конден­сатора сохраняется даже после пробоя нескольких секций.

Секция представляет собой спирально намотанный рулон из лент диэлектрика и алю­миниевой фольги, выполняющей роль электродов. В рулонных секциях обе поверхности электродов являются активными, вследствие чего сокращается расход металла на электроды.

Конденсаторы разного назначения, разных номинальных напряжений и реактивной мощности принципиально устроены одинаково, т. е. состоят из пакетов секций, соединен­ных по той или иной схеме и расположенных в герметизированном корпусе, залитом про­питочным составом. Отличаются конденсаторы размерами, числом и схемой соединения секций, числом пакетов и конструкцией корпуса. В одном корпусе могут находиться сек­ции, образующие емкости всех трех фаз, сгруппированные в несколько пакетов. Иногда корпусом конденсатора служит фарфоровый или бакелитовый цилиндр с торцевыми ме­таллическими выводами—фланцами. Пакеты в этом случае располагаются вертикально. Конструкция корпуса, размеры и компоновка секций в большой степени зависят от усло­вий охлаждения.

В силовых конденсаторах используется бумажно-масляная изоляция. Она изготовляет­ся из специальных сортов бумаг с плотностью 0,8—1,3 г/см и толщиной 6— 30 мкм.

Чаще всего используются бумаги толщиной 10—15 мкм. Изоляция секции выполняется из шести—восьми слоев бумаги, т. е. общая толщина изоляции между электродами со­ставляет 60—120 мкм. При меньшем числе слоев резко падает кратковременная электри­ческая прочность, а при большей толщине снижается кратковременная и особенно дли­тельная электрическая прочность, так как уменьшается напряженность появления началь­ных частичных разрядов.

Для пропитки конденсаторной изоляции используются специальные газостойкие мине­ральные масла и синтетические жидкости на основе хлордифенила. Последние являются полярными жидкостями и имеют диэлектрическую проницаемость 4,8—5,5 вместо 2,1—2,2 у минеральных масел. Для конденсаторной бумажной изоляции, у которой до 30 % объема занимают поры между волокнами и узкие щели между слоями бумаг, диэлектрическая проницаемость пропитывающей жидкости имеет очень большое значение. При пропитке хлорированными жидкостями эквивалентная диэлектрическая проницаемость изоляции получается примерно в 1,5 раза больше, чем при пропитке минеральным маслом. Кроме того, электрическое поле равномернее распределяется между слоями бумаги и прослойка­ми пропитывающего состава, благодаря чему повышается кратковременная и длительная электрическая прочность и оказывается возможным повысить рабочие напряженности. В итоге силовые конденсаторы, пропитанные хлорированными жидкостями, имеют при од­ной и той же реактивной мощности в 2—3 раза меньший объем, чем конденсаторы с ми­неральным маслом.

Синтетические жидкости имеют и недостатки. Прежде всего они, как и все полярные жидкости, очень чувствительны к загрязнениям. Небольшие загрязнения вызывают резкое увеличение проводимости и диэлектрических потерь, опасность теплового пробоя. В связи с этим хлорированные жидкости требуют особо тщательной очистки перед заливкой и очень надежной герметизации корпусов конденсаторов. Важный недостаток их— токсичность. Поэтому они требуют специальных мер безопасности при изготовлении конденсаторов. Наконец, некоторые хлорированные жидкости имеют относительно высо­кие температуры застывания, ниже которых они значительно ухудшают свои свойства. Однако смеси трихлордифенила и пентахлордифенила могут работать при температурах до -50 —60 C.

В настоящее время большая часть силовых конденсаторов, работающих при перемен­ном напряжении, изготовляется с пропиткой хлорированными жидкостями. Однако не­которые конденсаторы, например конденсаторы связи или конденсаторы для продольной компенсации в дальних линиях электропередачи, по-прежнему пропитываются ма­ловязкими маслами. Рабочие напряженности в конденсаторах промышленной частоты со­ставляют 12—14 кВ/мм при пропитке минеральным маслом и 15—20 кВ/мм при пропитке хлорированными жидкостями.

Экономически выгодно для больших конденсаторных батарей изготовлять крупные конденсаторы с большой единичной реактивной мощностью. Однако увеличение ре­активной мощности конденсатора и его габаритов приводит к ухудшению условий охла­ждения: объем изоляции и потери в ней растут пропорционально кубу, а охлаждающая поверхность—пропорционально квадрату линейных размеров. Кроме того, при этом рас­тет и перепад температур в самом конденсаторе. Поэтому увеличение единичных мощно­стей конденсаторов возможно только при существенном снижении диэлектрических по­терь. Совершенствованием бумаг и пропиточных составов необходимый эффект получить не удается.

Решением является применение комбинированной изоляции, в которой слои бумаг че­редуются со слоями неполярной синтетической пленки (например, полипропилен). Такие пленки имеют tgd около 0,0004 против 0,003 у пропитанной бумаги, т. е. почти на порядок уменьшаются потери. Однако относительная диэлектрическая проницаемость у пленок e , т. е. меньше, чем у бумажно-масляной изоляции. Несмотря на это за счет суще­ственного снижения потерь удается повысить рабочую напряженность и создать конден­саторы с единичной реактивной мощностью до 400 квар и хорошими экономическими по­казателями.

В комбинированной изоляции слои бумаг выполняют роль фитилей, с помощью кото­рых обеспечивается надежная полная пропитка всей изоляции. Без прослоек из бумаги между слоями пленки в спрессованных секциях могут остаться полости, не заполненные пропитывающей жидкостью, что приведет к появлению мощных частичных разрядов и быстрому разрушению изоляции.

Испытания изоляции силовых конденсаторов. При контрольных испытаниях на заводе конденсаторы подвергаются воздействию повышенного испытательного напряжения, у них измеряются емкость и сопротивление изоляции.

В условиях эксплуатации проверяются герметичность корпусов, отсутствие утечки мас­ла. Затем измеряется сопротивление изоляции с предварительной выдержкой под напря­жением в течение 1 мин и проверяется емкость конденсатора.