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 U_пр внутренней
изоляции от времени воздействия напряжения

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

Зависимость U_пр = 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 U_пр 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 U_пр.

Следующий участок U_пр = 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 U_пр = 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 U_пр = 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 U_исп. Величина U_исп 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 U_проб 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 U_проб 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 U_проб. 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, U_проб при расстоянии L = 10 см между электродами провод–провод d = 10 мм составляет 185 кВ. При покрытии этих проводов двумя слоями кабельной бумаги U_проб 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 (e_т) твердого диэлектрика больше проницаемости масла (e_м). 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 (W_наиб) 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)

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 U_пр, 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 К_н — 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 U_K. 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 Е_а и а_Е — параметры распределения, связанные со средним значением Е_ср и среднеквадратическим отклонением s соотношениями:

; .

Значения Е_ср и s зависят от давления элегаза (рис. 7). Определив Е_ср 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 Е_ср (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 E_срS, то для такого же электрода с большей площадью S₁ среднее значение напряженности может быть определено как

Уменьшение Е_ср 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 Е_ср 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.