7. Изоляция кабельной линии и аппаратов высокого напряжения
| Вид материала | Документы |
- Закон фарадея, 22.83kb.
- Рабочая программа учебной дисциплины " Энергетическое оборудование высокого напряжения, 239.9kb.
- Трудового Красного Знамени государственный технический университет имени Н. Э. Баумана., 79.25kb.
- Удк 620. 197. 3: 621. 311. 2 Ор3, 1584.41kb.
- Ф. Х. Халилов д т. н профессор, П. В. Журавлев к т. н., И. В. Шевцов. Санкт-Петербург,2005, 511.42kb.
- Руководство по эксплуатации Назначение и функциональные возможности vc-01, 162.97kb.
- Номинальная мощность на нагрузке:, 46.39kb.
- Вопросы для подготовки к экзамену по сопротивлению материалов, 35.82kb.
- Курсовая работа по дисциплине: " электропитание устройств железнодорожной автоматики,, 457.25kb.
- Методические рекомендации и указания к самостоятельному изучению теоретического материала, 56.29kb.
7. Изоляция кабельной линии и аппаратов высокого напряжения
7.1. Изоляция силовых кабелей высокого напряжения
Электрические кабели – это гибкие изолированные проводники, состоящие из защитной оболочки, проводников (жил), изоляции по отношению к земле и между жилами, и защитного покрова.
Металлическая оболочка выполняется из свинца или алюминия. Она защищает изоляцию от увлажнения, и выравнивает электрическое поле. Защитные покровы включают броню из стальных лент и слои кабельной пряжи, пропитанной битумом.
Кабели должны обладать достаточной гибкостью и высокой механической прочностью. Поэтому жилы обычно выполняются из большого числа скрученных тонких проволок.
Высокая электрическая прочность изоляции кабеля обеспечивается уменьшением толщины изоляции, что улучшает теплоотвод, увеличиваются допустимые рабочие токи, кабель становится гибким, достигается экономия материалов (оболочки, покрова).
Кабель должен быть надежным т.к. на отыскание места повреждения и его устранение в подземных линиях затрачивается много времени и средств. Кабельные линии выполняются составными (из нескольких отрезков). Строительная длина кабеля в барабанах составляет от 250 до 750 м. Эти отрезки соединяются муфтами. Муфты монтируются в полевых условиях, технология монтажа изоляции уступает заводской.
Основные конструкции кабелей высокого напряжения. Кабели для напряжений до 35 кВ изготавливаются с вязкой пропиткой. Бумажная изоляция пропитывается мастикой с маслоканифольными или синтетическими, не стекающими составами повышенной вязкости. Кабели с не стекающими составами могут прокладываться с разностью уровней до 300 м. При этом не происходит стекания пропитывающего состава в нижнюю часть кабеля, а в верхней части образование обеднено – пропитанной изоляции.
Недостаток кабелей с вязкой пропиткой – это образование в их изоляции газовых включений. Причина – циклические нагревы и остывание при изменении нагрузки. После нескольких циклов между оболочкой и изоляцией образуются пустоты, которые заполняются газами, выделяющимися из изоляции. Наличие газовых включений снижает длительную электрическую прочность изоляции. Поэтому в кабелях с вязкой пропиткой рабочие напряженности имеют невысокие значения. Такие кабели выпускают с 1, 2, 3 и 4 жилами. Сечение трехжильного кабеля с поясной изоляцией и с секторными жилами показано на (рис. 1).
Рис. 1. Трехжильный кабель с поясной изоляцией и 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
Для уменьшения наружного диаметра кабеля жилам придается не круглая, а секторная форма. Изоляция состоит из двух частей – фазной и поясной. Таким образом между жилами кабеля находится двойная фазная изоляция, рассчитанная на линейное напряжение, а между каждой жилой и оболочкой – фазная и поясная.
Для напряжений 110…220 кВ промышленной частоты используются маслонаполненные кабели. Такой кабель изготавливается одножильным. В этих кабелях ленточная бумажная изоляция пропитывается маловязким маслом, которое может перемещаться внутри жилы вдоль кабеля и находиться под избыточны давлением. Благодаря этому в изоляции не возникают газовые включения при циклических изменениях температуры. Длительная электрическая прочность такого кабеля повышается в три раза и более по сравнению с БМИ, пропитанной вязкими составами. Для поддержания давления в указанных кабелях при их эксплуатации на КЛ устанавливаются баки давления через каждые 1…2,5 км (рис. 2).
Рис. 2. Схема устройства бака давления:
1 – корпус бака; 2 – упругие элементы, заполненные воздухом;
3 – дегазированное масло; 4 – манометр; 5 – штуцер для присоединения
бака к кабелю
По давлению маслонаполненные кабели делятся на кабели низкого (до 0,2 МПа), среднего (0,4…0,5 МПа) и высокого (0,8…1,6 МПа) давления. С увеличением давления масла электрическая прочность растет. Толщина изоляции у этих кабелей на напряжение 110 кВ в зависимости от сечения жилы находится в пределах 9…11 мм, а у кабелей 220 кВ – в пределах 16…20 мм. На рис. 3 показана конструкция маслонаполненного кабеля среднего давления.
В маслонаполненных кабелях на U = 110…220 кВ особое внимание уделяется регулированию электрических полей. Жилы экранируются слоями полупроводящей бумаги (для устранения повышения напряженности у кромок провода). Изоляция выполняется градированной.
Рис. 3. Маслонаполнениый кабель среднего давления 220 кВ:
1 – маслопроводящий канал; 2 – жила из фасонных луженых проволок;
3 –экран по жиле и по изоляции из полупроводящей металлизированной бумаги; 4 – изоляция из бумаг разной толщины и плотности; 5 – свинцовая оболочка; 6 – ленты из пластиката; 7 – медные усиливающие ленты;
8 – защитные покровы; 9 – стальные проволоки
При напряжении 110 кВ и выше используются маслонаполненные кабели высокого давления в стальных трубках (рис. 4). В стальном трубопроводе, заполненном маслом под давлением 1,5 МПа помещаются три жилы с изоляцией, пропитанной вязким составом. Изоляция покрыта эластичным, герметически плотным составом (полиэтилен и др.). Изоляция предотвращает контакт с маслом и предохраняет от увлажнения при транспортировке и монтаже. Эластичное покрытие свободно передает изоляции давление масла, заполняющего стальную трубу.
При напряжении до 220 кВ применяются газонаполненные кабели. Электрическая прочность указанного кабеля достигается за счет повышения давления газа (сухой очищенный азот). По конструкции они схожи с маслонаполненным кабелем, но в них используется изоляция с обедненной пропиткой. Электрическая прочность повышается за счет ввода газа в кабель под давлением. У таких кабелей хуже условия охлаждения, что ограничивает рабочие токи.
Рис. 4. Трубопровод с кабелем под давлением масла:
1 – жила; 2 – изоляция; 3 – герметизирующие покровы; 4 – полукруглая проволока; 5 – стальная труба; 6 – масло; 7 – антикоррозийные покровы
Кабели с пластмассовой изоляцией. Токоведущие жилы у кабелей до 3 кВ покрываются слоями полиэтилена, кабели 6 кВ и выше имеют дополнительные экраны из полупроводящего полиэтилена поверх изоляции (либо на изоляции и на жиле). Наличие таких экранов уменьшает влияние воздушных включений возникающих на границе изоляции с жилой, делает электрическое поле в изоляции более однородным.
Преимущество пластмассовых кабелей по сравнению с кабелями с вязкой пропиткой состоит в том, что масса их меньше и не требуется (или устраняется) система оболочек, защищающих изоляцию от внешних воздействий. Однако нагревостойкость пластмасс ниже, чем БМИ с вязкой пропиткой.
Кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена. Кабели из сшитого полиэтилена (российское обозначение: СПЭ, английское: XLPE, немецкое: VPR) благодаря своей конструкции, современной технологии изготовления и совершенным материалам обладают наилучшими электрическими и механическими свойствами и самым длительным сроком службы среди других типов кабелей, выпускаемых серийно. Например, среди кабелей среднего напряжения кабели с СПЭ-изоляцией составляют 80…85% в США и Канаде, 95% – в Германии и Дании, 100% – в Японии, Финляндии, Швеции, Франции.
Основными достоинствами кабеля с СПЭ-изоляцией являются:
- большая пропускная способность за счет увеличения допустимой температуры жилы;
- высокий ток термической устойчивости при коротком замыкании, что особенно важно в случае, когда сечение кабеля выбрано только на основании номинального тока короткого замыкания;
- низкий вес, меньший диаметр и, вследствие этого, легкость прокладки как в кабельных сооружениях, так и в земле на сложных трассах;
- твердая изоляция, дающая огромное преимущество при прокладке на местности с большими наклонами, возвышенностями и на пересеченной местности, т.е. на трассах с большой разницей уровней, на счет отсутствия эффекта стекания массы;
- отсутствие жидкости (масла) под давлением и, следовательно, дорогостоящего подпитывающего оборудования, что ведет к значительному уменьшению эксплуатационных расходов, упрощению монтажного оборудования, сокращению времен и стоимости работ по прокладке и монтажу;
- возможность быстрого ремонта в случае пробоя;
- отсутствие утечек масла при повреждении оболочки обеспечивает экологическую безопасность.
Технические характеристики кабеля напряжением 110 кВ представлены в табл. 1.
Таблица 1 - Технические характеристики кабеля напряжением 110 кВ.
| Sном | мм2 | 85 | 240 | 300 | 350 | 400 | 500 | 630 | 800 | |
| Sэкр.* | мм2 | 35 | 35 | 35 | 35 | 35 | 35 | 35 | 35 | |
| Толщина изоляции | мм | 16,0 | 16,0 | 16,0 | 16,0 | 15,0 | 15,0 | 15,0 | 15,0 | |
| Толщина оболочки | мм | 3,0 | 3,2 | 3,4 | 3,4 | 3,4 | 3,4 | 3,6 | 3,8 | |
| Dвнеш. | мм | 64 | 66 | 69 | 70 | 70 | 74 | 77 | 81 | |
| Вес ** алюминиевая жила медная жила | кг/км кг/км | 3400 4560 | 3700 5180 | 4000 5870 | 4230 6390 | 4290 9760 | 4830 7930 | 5410 9310 | 6140 11090 | |
| Мин.радиус изгиба | см | 96 | 99 | 104 | 105 | 105 | 111 | 116 | 122 | |
| Усилие тяжения: алюминиевая жила медная жила | кН кН | 5,55 9,25 | 7,20 12,00 | 9,00 15,00 | 10,50 17,50 | 12,00 20,00 | 15,00 25,00 | 18,90 31,50 | 24,00 40,00 | |
| Сопротивления постоянному току: алюминиевая жила медная жила | Ом/км Ом/км | 0,0991 0,1640 | 0,0754 0,1250 | 0,0601 0,1000 | 0,0543 0,0890 | 0,0470 0,0778 | 0,0366 0,0605 | 0,0280 0,0464 | 0,0221 0,0367 | |
| Индуктивность*** | мГн/км | 0,44 | 0,42 | 0,41 | 0,40 | 0,38 | 0,37 | 0,36 | 0,34 | |
| Емкость | мкФ/км | 0,131 | 0,141 | 0,151 | 0,157 | 0,172 | 0,186 | 0,202 | 0,221 | |
| Длительно допустимый ток в земле: | А А | 500 395 | 575 455 | 650 515 | 715 560 | 755 600 | 840 675 | 935 760 | 1030 850 | |
 | медн. алюм. | |||||||||
| Длительно допустимый ток в земле: | А А | 451 366 | 507 416 | 557 461 | 581 486 | 611 514 | 667 572 | 724 631 | 777 690 | |
 | медн. алюм. | |||||||||
| Длительно допустимый ток в воздухе | А А | 600 480 | 690 555 | 775 630 | 835 680 | 895 735 | 995 825 | 1115 935 | 1245 1060 | |
| | медн. алюм. | |||||||||
| Длительно допупустимый ток в воздухе | А А | 624 494 | 725 576 | 820 656 | 871 702 | 938 758 | 1065 872 | 1204 999 | 1352 1139 | |
| | медн. алюм. | |||||||||
* Сечение экрана выбирается исходя из условий протекания токов короткого замыкания и может быть увеличено.
** Вес дан для кабелей марок с полиэтиленовой оболочкой и основным сечением экрана.
*** При прокладке кабелей треугольником экран заземлен с двух концов.
Кабели с элегазовой изоляцией под давлением. Токоведущие жилы на распорках помещены в стальной трубе, которая заполняется элегазом под давлением. Преимущества такого кабеля: простота конструкции, малое значение tg, самовосстанавлиемость после пробоя, малая емкость на единицу длины.
Расчеты показывают, что такие кабели эффективны при СВН и их применение более выгодно, чем ВЛЭП.
Криогенные (криорезистивные) кабели. Такие кабели будут использоваться для ввода больших мощностей в крупные города и промышленные центры. Токоведущие жилы этих кабелей охлаждаются до температуры жидкого азота (77 К) или жидкого гелия (5 К). В первом случае (криорезистивные кабели) повышение пропускной способности достигается за счет значительного уменьшения активного сопротивления жил кабеля (Cu, Al), следовательно, джоулевых потерь, что позволяет увеличить токовые нагрузки. В кабелях с жидким гелием используется эффект сверхпроводимости.
Кабельные муфты. Для соединения отрезков кабеля в линию, а также для присоединения концов кабеля к шинам распределительных устройств или аппаратов выполняются соединительные и концевые муфты. Устройство кабельных муфт и их изоляции зависит от конструкции кабеля. Однако во всех случаях учитывается то обстоятельство, что монтаж выполняется в полевых условиях, и изоляция в муфтах имеет более низкое качество, чем в самом кабеле. Поэтому изоляционные расстояния в муфтах увеличиваются.
Эскиз соединительной муфты показан на рис. 5. На концах соединяемых кабелей основная изоляция срезается по определенному профилю, образуя прямые конусы со сторонами аб и вг. После соединения токоведущих жил накладывается дополнительная изоляция (заранее пропитанные рулоны и ролики бумаги, эпоксидные компаунды), толщина которой больше, чем основной изоляции. Форма и размеры конусов выбираются такими, чтобы составляющая напряженности вдоль щели, остающейся между основной и дополнительной изоляцией, не превышала допустимого значения (примерно в 20 раз меньше, чем для основной изоляции в радиальном направлении). Для того чтобы не было повышения напряженности у краев оболочек соединяемых кабелей, устанавливаются внутренние экраны в виде конусов или от краев оболочек поверх дополнительной изоляции накладывается бандаж из мягкой свинцовой проволоки. В последнем случае дополнительная изоляция выполняется так, чтобы вблизи краев она образовывала обратные конусы де и жз. Форма и размеры этих конусов выбираются такими, чтобы напряженность у краев оболочек не превышала допустимую.
Рис. 5. Эскиз кабельной соединительной муфты:
1 – жила; 2 – соединение жил; 3 – изоляция кабеля; 4 – дополнительная изоляция; 5 – оболочка кабеля; 6 – бандаж из свинцовой проволоки;
7 – корпус муфты
Концевые муфты кабелей имеют не только внутреннюю, но и внешнюю изоляцию. Их устройство во многом аналогично устройству проходных изоляторов (вводов). Для регулирования электрического поля у края оболочки используются внутренние экраны в виде конусов, а также дополнительные электроды, образующие конденсаторные обкладки.
7.2. Изоляция аппаратов высокого напряжения
Трансформаторы тока. До 10 кВ для трансформаторов тока (ТТ) применяется литая эпоксидная изоляция, которая обеспечивает необходимую электрическую и механическую прочность конструкции при уменьшении габаритов аппаратов.
Для изоляции ТТ на напряжение 35 кВ и выше применяется кабельная бумага, пропитанная трансформаторным маслом (рис. 6). При напряжениях 220 кВ применяются каскадные схемы (рис. 7).
Рис. 6. Трансформатор тока напряжением 35 кВ типа ТФН-35:
1 – первичная обмотка; 2 – вторичная обмотка; 3 – магнитный сердечник;
4 – бумажно-масляная изоляция; 5 – токопровод; 6 – фарфоровая покрышка
Рис. 7. Каскадный трансформатор тока
Встроенные трансформаторы тока во вводы силовых трансформаторов и выключателей. Изоляцией вторичной обмотки и магнитопровода от токоведущего стержня ввода служит фарфоровые покрышки ввода. Вторичная обмотка покрывается электрокартоном и пропитывается влагостойким изоляционным лаком (глифталевым или асфальтовым).
Изоляция маслонаполненных выключателей. Внутренняя изоляция масляных выключателей (МВ) имеет большой запас электрической прочности (рис. 8). Она состоит из масляных промежутков между токоведущими частями и баком выключателя, изоляционных барьеров, а также изоляции штанги и ее направляющего устройства. Штанга изготавливается из дерева твердых пород, пропитывается трансформаторным маслом, а направляющая штанга – из гетинакса.
Снижение электрической прочности изоляции МВ может происходить из-за влаги, поглощаемой им из атмосферы.
При t = –20С окружающего воздуха включается устройство подогрева масла. Периодически у масла определяются электрическая прочность и наличие углеродистых частей. Загрязнение штанг и направляющих определяется измерением сопротивлением изоляции (Rиз).
Рис. 8. Баковый масляный выключатель на напряжение 110 кВ:
1 – стальной бак; 2 – масло; 3 – изоляционные барьеры; 4 – контактная траверса; 5 – штанга; 6 – дугогасителъные камеры; 7 – направляющие;
8 – вводы; 9 – трансформаторы тока
Изоляция воздушных выключателей. Главной изоляцией воздушных выключателей ВБВ – 110 кВ (рис. 9) является опорный изолятор, установленный на металлическом основании. На опорном фарфоровом изоляторе смонтирована металлическая дугогасительная камера с эпоксидными вводами. Для подачи сжатого воздуха в гасительную камеру и камеру управления контактами выключателя внутри опорного фарфорового изолятора проходят изоляционные стеклопластиковые воздухопроводы.
Для предотвращения конденсации влаги внутренние полости опорных изоляторов продуваются сухим сжатым воздухом.
Рис. 9. Воздушный выключатель типа ВВБ-110 кВ:
1 – шкаф управления; 2 – опорный изолятор; 3 – бак с дугогасительным устройством, наполненный сжатым воздухом; 4 – проходные изоляторы;
5 – конденсаторы для равномерного распределения напряжения
между двумя разрывами.
Вакуумные выключатели. В настоящее время широкое распространение получили вакуумные выключатели. Внешний вид выключателя на
10 кВ приведен на рис. 10, основные элементы – на рис. 11, а технические характеристики – в табл. 2.
Рисунок 10. Внешний вид выключателя ВВ/ TEL
Таблица 2 - Технические характеристики выключателя ВВ/TEL.
| Технические параметры | Основные параметры |
| Номинальное напряжение, кВ | 10 |
| Наибольшее рабочее напряжение, кВ | 12 |
| Номинальный ток, кА | 1000 |
| Номинальный ток отключения, кА | 20 |
| Сквозной ток короткого замыкания, наибольший пик, кА | 52 |
| Нормированное процентное содержание апериодической составляющей, %, не более | 40 |
| Время отключения полное, мс, не более | 25 |
| Время отключения собственное, мс, не более | 15 |
| Время включения собственное, мс, не более | 70 |
| Ресурс по коммутационной стойкости при отключении: - номинального тока, операций «ВО» | 50000 |
| - (60-100)% от номинального тока отключения, операций | 100 |
| Ресурс по механической стойкости, операций «ВО» | 50000 |
| Номинальное напряжение электромагнитов управления, В | 220 |
| Диапазон напряжений электромагнитов при включении, % от номинального значения | 85…100 |
| Диапазон напряжений электромагнитов при отключении, % от номинального значения | 65…120 |
| Наибольший ток электромагнитов управления при номинальном напряжении, А | 10 |
| Срок службы до списания, лет | 25 |
Рис. 11. Основные элементы выключателя BB/TEL
1 – неподвижный контакт ВДК; 2 – вакуумная дугогасительная камера (ВДК); 3 – подвижный контакт ВДК; 4 – гибкий токосъем; 5 – тяговый изолятор; 6 – пружина поджатия; 7– отключающая пружина; 8 – верхняя крышка;
9 – катушка; 10 – кольцевой магнит; 11 – якорь; 12 – нижняя крышка;
13 – пластина; 14 – вал; 15 – постоянный магнит; 16 – герконы (контакты для внешних вспомогательных цепей)
Элегазовые выключатели применяются в установках высокого напряжения (110 кВ и выше). Внешний вид элегазового выключателя на 220 кВ приведен на рис. 12, а его технические характеристики – в табл. 3.
Рисунок 12. Внешний вид выключателя ВГТ
Таблица 3 - Технические характеристики выключателя ВГТ-220II*-40/2000У1.
| Технические параметры | Значения |
| Номинальное напряжение, кВ | 220 |
| Наибольшее рабочее напряжение, кВ | 252 |
| Номинальный ток, А | 2000 |
| Номинальный ток отключения, кА | 40 |
| Нормированное содержание апериодической составляющей, % не более | 36 |
| Сквозной ток короткого замыкания, кА | |
| - электродинамической стойкости | 127,5 |
| - термической стойкости (3с) | 50 |
| Номинальное избыточное давление элегаза (при t° =20°С), МПа | |
| - для выключателя | 0,45 |
| - для трансформатора напряжения | 0,4 |
| - для других элементов ячеек | 0,25 |
| Утечка из ячейки в год, % массы элегаза | 3 |
| Нормированные параметры тока включения (наибольший пик), кА | 102 |
| Начальное действующее значение периодической составляющей | 40 |
| Собственное время отключения, с | 0,035 |
| Нормированное собственное время включения, с | 0,08 |
| Нормированное полное время включения, с | 0,06 |
| Срок службы до списания, лет | 25 |
Изоляция вводов высокого напряжения. Ввод представляет собой конструкцию с внешней и внутренней изоляцией. Конструкция внутренней изоляции ввода оказывает большое влияние и на характеристики его внешней изоляции. Наиболее опасным для вводов является механическая нагрузка, изгибающая его изоляционное тело. С увеличением напряжения, нагрузки и радиальных размеров изолятора отвод тепла от токоведущего стержня и от толщи изолятора затрудняется. Поэтому изоляция должна иметь малые значения tg.
Конструкции вводов. Для аппаратов на напряжение 35 кВ используются бумажно-бакелитовые вводы. Их недостаток – малая влагостойкость и низкая технологичность. Поэтому такие изоляторы помещают в фарфоровые покрышки, а пространство между покрышками и бумажно-бакелитовым изоляционным телом заливают специальной мастикой (рис. 13).
Рис 13. Ввод наружной установки на напряжение 35 кВ для масляного выключателя:
1 – бумажно-бакелитовое тело изолятора; 2 – фарфоровая покрышка;
3 – мастика; 4 – фланец; 5 – токоведущий стержень.
Вводы на напряжение 110 кВ кВ и выше выполняются МБИ, БМИ и с твердой изоляцией (рис. 14).
а) 
б)Рис. 14. Масло-барьерный ввод на напряжение 110 кВ (а)
и ввод из твердой RIP-изоляции на 220 кВ (б):
1 – токоведущий стержень; 2 – фланец; 3 – барьер из картона;
4 – дополнительные электроды; 5 – нижняя фарфоровая покрышка;
6 – верхняя фарфоровая покрышка; 7 – маслорасширитель
Во вводах с МБИ основой внутренней изоляции является масляный промежуток с цилиндрическими барьерами из картона. Для регулирования электрического поля на барьерах расположены дополнительные электроды из фольги.
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:
где Va – объем активной части изоляции;
Ераб – рабочая напряженность в изоляции.
Полный объем конденсатора V приблизительно пропорционален Va, поэтому
. Следовательно, в силовых конденсаторах целесообразно использовать изоляцию, обладающую высокой относительной диэлектрической проницаемостью r и высокой длительной электрической прочностью, от которой, прежде всего, зависит значение рабочей напряженности Epаб.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 tg .
Устройство силового конденсатора для повышения коэффициента мощности схематически показано на рис. 15. 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.
Рис. 15. Схематическое устройство силового конденсатора
для повышения коэффициента мощности:
1 – герметизированный корпус; 2 – рулонные секции; 3 – металлические щеки; 4 – хомут; 5 – изолирующая прокладка; 6 – изоляция от корпуса
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 устроены принципиально 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 изготавливаются из специальных сортов бумаги с плотностью 0,8….1,3 г/см3 и толщиной 6…30 мкм.
Чаще всего используется бумага 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 и опасность теплового пробоя. В связи с этим хлорированные жидкости требуют особо тщательной очистки перед заливкой и очень надежной герметизации корпусов конденсаторов. Другой 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°С.
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.
Для больших конденсаторных батарей экономически выгодно 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 tg около 0,0004 против 0,003 у пропитанной бумаги, т. е. почти на порядок уменьшаются потери. Однако относительная диэлектрическая проницаемость у пленок r 2,2…2,3, 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 опрессованных 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.