МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ и НАУКИ РЕСПУБЛИКИ  КАЗАХСТАН

Некоммерческое акционерное общество

«Алматинский университет энергетики и связи»

 

 

 

 

 

 

Бекмагамбетова К.Х. 

ЭЛЕКТРОМЕХАНИКА И ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ

Раздел 1.2 Электроизоляционная и кабельная техника

Учебное пособие

 

 

 

 

Алматы 2011

УДК 621.315

ББК 31.33

А 62 Электромеханика и электротехническое оборудование. Раздел 1.2  Электроизоляционная и кабельная техника.

Учебное пособие / К.Х.Бекмагамбетова.

АИЭС. Алматы, 2011.- 89 с.

ISBN

 

       В конспекте лекции излагаются основы  применения материалов в изделии и поведение их в эксплуатации, а также вопросы развития и разработки новых изоляционных материалов и условия работы электрической изоляции, классификации действующих на электрическую изоляцию нагрузок, регулирование электрических полей, тепловой расчет электроизоляционных конструкций, а также  материал по расчету и технологии изготовления изоляторов, конденсаторов, кабелей и изоляцию трансформаторов и электродвигателей.

Учебное пособие предназначено для студентов всех форм обучения специальности 5В071800 – Электроэнергетика.

Ил.30, табл., библиогр.9 - назв.

 

ББК 31.33

 

 

 

Рецензент:  канд.тех.наук., доцент Жармагамбетова М.С.,  канд.тех.наук. профессор Шидерова Р.М.

 

Печатается по плану Министерства Образования и Науки Республики Казахстан.

 

 

Содержание
Введение	3
1 Электрическая изоляция. Значение электроизоляционных материалов в производстве электротехнических изделий и конструкций	5
1.1 Физические процессы в диэлектриках в электрическом поле	5
1.2 Классификация диэлектриков	5
2 Условия работы электрической изоляции. Классификация действующих   на электрическую изоляцию нагрузок	6
2.1 Электрические напряжения	7
2.1.1 Внутренние перенапряжения	9
2.1.2 Внешние перенапряжения	9
2.2 Температурные условия работы	10
2.3 Механические напряжения	12
2.3.1 Внешние механические напряжения	13
2.3.2 Внутренние напряжения. Выбор расчетных условий эксплуатации	14
3 Регулирование электрических полей в изоляции	16
3.1  Методы регулирования электрических полей	16
3.2 Расчет полупроводящих покрытий	19
3.3 Градирование электрической изоляции	25
3.4 Применение экранов и их расчет	29
3.5 Регулирование поля применением конденсаторных обкладок	33
4 Старение изоляции	39
4.1  Основные понятия о старении изоляции	39
4.2 Электрическое старение изоляции	40
4.3 Тепловое старение изоляции	41
4.4 Механическое старение изоляции	43
4.5  Влияние увлажнения изоляции на процесс ее старения	43
5 Изоляция электротехнических установок	44
5.1 Общие сведения	44
5.2 Высоковольтные изоляторы	45
5.3 Классификация изоляторов, требования и технология	47
5.4 Изоляторы воздушных линий электропередачи и подстанций	47
5.5 Аппаратные изоляторы	50
5.6 Распределение напряжения вдоль гирлянды изоляторов	53
5.7 Технология изготовления изоляторов	54
6 Изоляция электрических машин и требования к ним	55
6.1 Изоляция электрических машин высокого напряжения	55
6.2 Технология изготовления термопластичной изоляции	66
6.3 Технология изготовления термореактивной изоляции	67
7 Изоляция трансформаторов и требования к ним	68
8 Изоляция конденсаторов и требования к ним	74
8.1 Изоляция конденсаторов	74
9  Силовые кабели. Классификация и назначение	79
9.1 Классификация и назначение кабелей	79
9.2  Силовые кабели, их маркировка и конструкции	80
9.3 Изоляционные материалы для кабелей и проводов	82
9.4 Конструкции силовых кабелей	83
9.5 Силовые кабели на напряжение 1-10 кВ. Одножильные кабели на напряжение 1-10 кВ. Двухжильные силовые кабели. Трехжильные силовые кабели. Четырехжильные силовые кабели	87
9.6 Электрические характеристики силовых кабелей	91
9.6.1 Расчет электрического сопротивления жил	91
9.6.2 Расчет индуктивности кабеля	91
9.6.3 Расчет емкостей кабелей	92
Список литературы	93

 

 

Введение

 Раздел «Электроизоляционная и кабельная техника» в дисциплине «Электромеханика и электротехническое оборудование» является вводным курсом в специализацию «Электроизоляционная и кабельная техника» специальности «Электроэнергетика».

Профилирование бакалавров начинается с третьего курса и обеспечивается изучением следующих дисциплин: Tеоретические основы электротехники, Электрические измерения, Электрические машины, Электротехнические материалы.

Специализация осуществляется изучением дисциплин: Физика и химия диэлектриков, Основы кабельной техники, Технология производства электроизоляционных материалов, Обмоточные провода, Основы теории надежности и методы испытаний электрической изоляции и кабелей, Технология производства электрической изоляции, Расчет и конструирование электрической изоляции, Кабели связи, силовые кабели и высоковольтные кабельные линии, провода и кабели с пластмассовой и резиновой изоляцией, Волоконно-оптические кабели.

Дисциплина «Химия диэлектриков» изучает: теорию химического строения, химию низкомолекулярных диэлектриков; химическое строение и надмолекулярную структуру полимерных материалов; химию полимеризационных соединений; физико-механические и электрофизические свойства; электроизоляционные синтетические каучуки; поликонденсационные смолы; гетероцепные полимерные, кремнийорганические и неорганические диэлектрики.

Дисциплина «Физика диэлектриков» изучает: агрегатное состояние, структуру и основные физические свойства диэлектриков; поляризацию, диэлектрические потери; электропроводность и электрическую прочность.

Дисциплина «Основы кабельной техники» изучает: общую характеристику кабельных изделий и их классификацию; электромагнитные поля в кабелях; расчет электрической изоляции кабелей; магнитное и тепловое поле в кабелях и проводах; конструкцию, назначение и особенности расчета основных видов кабельных изделий; технологические операции производства; основы теории и расчета нестационарных процессов нагревания и охлаждения кабелей.

Дисциплина «Технология производства электроизоляционных материалов» изучает: производство электроизоляционных смол, лаков, эмалей и компаундов, волокнистых электроизоляционных материалов, пленочных электроизоляционных материалов, электроизоляционных пластмасс и резиновых смесей, намотанных электроизоляционных изделий; электроизоляционных лакоканей, слюдяных электроизоляционных материалов.

 

Дисциплина «Обмоточные провода» изучает: технологию изготовления металлической проволоки, эмальлаки, технологию изготовления эмалированных проводов, методы испытания, характеристики эмальпроводов различных типов, обмоточные провода с волокнистой и пленочной изоляцией.

Дисциплина «Основы теории надежности и методы испытаний электрической изоляции и кабелей» изучает: классификацию методов испытаний и основы теории надежности, методы электрических испытаний электроизоляционных материалов, методы физических исследований кабельных изделий, методы тепловых испытаний электроизоляционных материалов и кабельных изделий, методы электрических испытаний кабельных изделий.

Дисциплина «Технология производства электрической изоляции» изучает: теорию и технологию скрутки токопроводящих жил силовых кабелей, теорию и основы технологии изолирования силовых кабелей, сушку и пропитку изоляции, технологию наложения свинцовых и алюминиевых оболочек и защитных покровов; технологию изоляции вращающихся машин и трансформаторов, аппаратов и технологию производства изоляторов и конденсаторов.

Дисциплина «Расчет и конструирование электрической изоляции» изучает: регулирование электрических полей; основы теплового расчета электроизоляционных конструкций; расчет изоляторов; расчет конденсаторов; расчет изоляции трансформаторов.

Дисциплины «Кабели связи, силовые кабели и высоковольтные кабельные линии, провода и кабели с пластмассовой и резиновой изоляцией», Волоконно-оптические кабели» относятся к предметам по выбору или для более углубленного изучения, т.е. для изучения в магистратуре.

В настоящее время на промышленных предприятиях и в энергетическом хозяйстве республики эксплуатируется со сроком службы от 25 до 60 лет большое количество электрооборудования. Первостепенной задачей является создание и освоение новых видов изоляционного материала. Повышение их качественного   уровня   и   конкурентоспособности требует применения современных электроизоляционных материалов, так как известно,  что самым уязвимым местом в конструкции электрооборудования является изоляционная часть. Выпуск новых видов электротехнических изделий невозможен без  создания  и  производства  отечественных  электротехнических  материалов. Эти материалы должны обладать высокими диэлектрическими и физико-механическими характеристиками и технологичностью, иметь длительные рабочие  температуры  не ниже 155⁰С, а во многих случаях до 180⁰С от 220⁰С. В республике имеются все предпосылки для создания инфраструктуры электрической изоляции. В последнее время создается и производится определенное количество изоляционных материалов, отвечающим современным требованиям.

 

 

1 Электрическая изоляция. Значение электроизоляционных материалов в производстве электротехнических изделий и конструкций

 

1.1 Физические процессы в диэлектриках в электрическом поле

 

Электрическая изоляция в электрическом поле работает в области слабых и сильных полей. К слабому полю относится такое электрическое поле, при котором в диэлектрике возникают только явления поляризации, образуется электрическая емкость (С), возникают диэлектрическая проницаемость (ε) и некоторые виды диэлектрических потерь (tgδ). В диэлектрике протекают токи: смещения (I_см), активные (I_{а абс}) и реактивные (I_{р абс}) токи абсорбции, которые не вызывают значительных диэлектрических потерь, а следовательно, и нагрев диэлектрика.  К сильным полям относятся предпробивные поля. В диэлектрике протекают токи по поверхности (I_s) и по объему (I_v), увеличивая диэлектрические потери и сквозные токи по диэлектрику. Этот процесс называется электропроводностью, характеристикой значения электропроводности служат обратные величины этих токов - удельное поверхностное (ρ_s) и удельное объемное (ρ_v) сопротивления. Чрезмерно большое значение этих токов сквозь диэлектрик приводит последний к пробою (U_пр, E_пр) и выходу из строя электрической изоляции. В газообразных и жидких диэлектриках, через некоторое время после пробоя, характеристики изоляции восстанавливаются, а в твердых диэлектриках, за исключением некоторых самовосстанавливающихся полимеров, свойства не восстанавливаются.

 

1.2 Классификация диэлектриков

 

По агрегатному состоянию диэлектрики делятся на газообразные, жидкие и твердые, которые в свою очередь подразделяются по химическому составу, условиям применения или методу получения.

          Газообразные диэлектрики.  К ним относятся: воздух, азот, кислород, водород, углекислый газ, гелий, аргон, шестифтористая сера (элегаз), фреон.

Жидкие диэлектрики. К ним относятся: нефтяные электроизоляционные масла (трасформаторное масло, кабельное масло, конденсаторное масло); синтетические жидкие диэлектрики (хлорированные углеводороды (совол, севтол-10), кремнийорганические жидкости, фтороорганические жидкости); растительные масла (тунговое масло, касторовое масло, хлопковое масло).

Твердые органические диэлектрики. К ним относятся: полимеризационные синтетические полимеры, поликонденсационные синтетические полимеры, электроизоляционные пластмассы, слоистые пластики и фольгированные материалы, пленочные электроизоляционные материалы, электроизоляционные материалы на основе каучуков, лаки и эмали, компаунды, флюсы.

Твердые неорганические диэлектрики.  К ним относятся: стекло, ситаллы, керамика, неорганические электроизоляционные пленки, слюда.

Диэлектрики бывают пассивными и активными. К пассивным относятся все электроизоляционные материалы. Управляемыми или активными называются такие диэлектрики, свойствами которых можно управлять. К ним относятся сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики, пироэлектрики, электролюминофоры, материалы для излучателей и затворов в лазерной технике, электреты.

Сегнетокерамические материалы самые распространенные из активных диэлектриков и обладают различными свойствами, на которые оказывают влияние химический состав и концентрация примесей. Из сегнетокерамических материалов широко применяются конденсаторная керамика, нелинейная керамика, терморезистивная сегнетокерамика и сегнетоэлектрики с прямоугольной петлей гистерезиса. К конденсаторной сегнетокерамике относятся материалы на основе титаната бария BaTiO₃. Они  применяются для изготовления нелинейных конденсаторов, которые используют для диэлектрических умножителей частоты, в усилителях напряжения и мощности, стабилизаторах. Нелинейная сегнетокерамика используется для производства конденсаторов, емкость которых зависит от приложенного напряжения и называется варикондами. Терморезистивная сегнетокерамика применяется для изготовления терморезисторов-позисторов со скачкообразным ростом сопротивления. Позисторы  используют для измерения и регулирования температуры, термокомпенсации радиосхем, в малогабаритных термостатах, стабилизаторах тока и др. Сегнетоэлектрики с прямоугольной петлей гистерезиса применяют в запоминающих устройствах (ЗУ) электронно-вычислительных машин (ЭВМ). Для лучших сегнетоэлектриков быстродействие составляет десятки наносекунд. Для изготовления ЗУ наиболее освоена керамика на основе твердых растворов цирконата-титаната свинца.

Электретами называются диэлектрики, которые длительное время создают в окружающем пространстве электрическое поле за счет предварительной электризации или поляризации.

 

2 Условия работы электрической изоляции. Классификация действующих на электрическую изоляцию нагрузок

 

Работа электрической изоляции проходит в условиях одновременного действия на нее электрического поля, механических напряжений, температу-

ры, химически активных веществ и других факторов. Воздействующие  на электрическую изоляцию нагрузки с течением времени не остаются постоянными. Комбинации различных воздействий на электрическую изоляцию изменяются случайным образом. Все нагрузки на электрическую изоляцию подразделяются на:

1) постоянные;

2) переменные;

3) случайные.

Постоянные нагрузки не изменяются в процессе эксплуатации. Строго постоянной нагрузкой является масса оборудования, укрепленного на изоляторе, если в процессе эксплуатации оно не заменяется. При анализе работы электроизоляционной конструкции некоторые нагрузки, мало меняющиеся со временем, можно принимать постоянными.

Переменной называют такую нагрузку, для которой можно заранее указать ее значение, продолжительность ее действия и момент появления.  

Характерной особенностью переменной нагрузки является функциональная зависимость ее от времени. Она может быть задана в виде аналитической функции, таблицы или графика. Примером переменной нагрузки, задаваемой в виде аналитической функции, является синусоидальное напряжение (U=U_{M­­­­­­­}sinωτ, где U_{M ­}- амплитудное значение, τ - время, ω - круговая частота).

Случайной нагрузкой называют такую нагрузку, для которой значение, время действия и момент появления заранее указать нельзя и можно только с некоторой вероятностью  утверждать, что в такой-то момент времени действие определенной нагрузки возможно. Примером случайной нагрузки может служить давление ветра, которое зависит от его скорости.

При расчете срока службы электрической изоляции, действующие случайные нагрузки заменяют либо постоянными, либо переменными. Примером замены случайной величины переменной является температура среды.

 

2.1 Электрические напряжения

 

Электрические напряжения, действующие на изоляцию в процессе эксплуатации можно разделить на две группы: рабочие напряжения и перенапряжения. Рабочие напряжения относится к постоянным нагрузкам. Перенапряжения являются нагрузками случайными и, в зависимости от причин их вызывающих, делятся на внутренние перенапряжения и внешние перенапряжения. Изоляция силовых установок проектируется на определенный класс напряжения. Для каждого класса устанавливается наибольшее рабочее напряжение электрооборудования, которое равно наибольшему линейному напряжению трехфазной сети. Наибольшее рабочее напряжение электрооборудования предельное напряжение, которое может длительно существовать в электрической сети (например, линейное напряжение в сети со стороны источника электрической энергии).

  Разность между наибольшим рабочим напряжением электрооборудования и его номинальным значением обеспечивает допустимое падение напряжения в линии электропередачи. Номинальное и наибольшее рабочие напряжения электрооборудования нормированы (см. таблицу 1.1).

Рабочее напряжение изоляции зависит от режима нейтрали энергосистемы. Здесь имеют место три случая:

 1) изолированная нейтраль;

 2) глухо заземленная нейтраль;

 3) нейтраль, заземленная через дугогасящий реактор.

 

 

Таблица 1.1- Номинальное и наибольшее рабочие напряжения оборудования

Класс напряжения, кВ	3	6	10	15	20	35	110	150	220	330	550	750
Наибольшее Uраб электрооборудования, кВ	3,6	7,2	12	17,5	24	40,5	126	172	252	363	525	787

 

При изолированной нейтрали замыкание одной фазы на землю, выз-ванное повреждением изоляции данной фазы, приводит к появлению на изоляции двух других (здоровых) фаз напряжения, равного линейному. Аварийное заземление одной фазы в сетях  с изолированной нейтралью с малым, меньше 40 А, емкостным током может существовать относительно продолжительное время (от нескольких минут до 5-6 ч в кабельных сетях). Это время можно использовать на отыскание места замыкания на землю и его устранение. Замыкание одной фазы на землю в сетях с изолированной нейтралью с малым емкостным током не вызывает, таким образом, немедленного перерыва в энергоснабжении потребителя. В сетях с изолированной нейтралью за рабочее напряжение электрической изоляции следует принять наибольшее рабочее напряжение электрооборудования.  

В случае глухого заземления нейтрали замыкание на землю одной из фаз будет представлять собой однофазное короткое замыкание, что вызовет отключение поврежденного участка сети релейной защитой. Продолжительность работы линии электропередачи при однофазном коротком замыкании на землю определяется временем срабатывания релейной защиты и отключающей аппаратуры. Обычно это время не превышает 3 сек. Таким образом, продолжительная работа электрооборудования в режиме короткого замыкания одной фазы на землю в сетях с заземленной нейтралью исключается. В этом случае рабочее напряжение электрической изоляции равно наибольшему фазному напряжению электрооборудования 3, деленному на . Заземление нейтрали через индуктивность позволяет уменьшить ток замыкания на землю и тем самым увеличить время до перехода его в короткое замыкание. Если индуктивность обеспечивает полную компенсацию емкостного тока на землю, то сеть считается резонансно – заземленной.

При резонансном заземлении сети ток в месте однофазного короткого замыкания приблизительно равен 5-7% полного емкостного тока и состоит из активной составляющей, создаваемой утечкой изоляции, и тока высших гармоник.  В этом з активной составляющей, создаваемой утечной изоляции, и тока высших ого тока  резонансно - заземленной. короткое замслучае так же, как и сетях с изолированной нейтралью, на электрическую изоляцию здоровых фаз будет длительно действовать наибольшее рабочее напряжение электрооборудования. Таким образом, при заземлении нейтрали через дугогасящий реактор рабочее напряжение электрической изоляции следует принять равным наибольшему рабочему напряжению электрооборудования.

2.1.1 Внутренние перенапряжения.

Как правило,  сети с номинальным напряжением 3-35 кВ имеют изолированную или резонансно – заземленную нейтраль, а 110 кВ и выше – заземленную нейтраль. Таким образом, рабочее напряжение электрической изоляции класса 3-35 кВ принимается равным наибольшему рабочему напряжению электрооборудования, а класса 110 кВ и выше – наибольшему фазному напряжению электрооборудования.

Внутренние перенапряжения вызываются колебаниями электромагнитной энергии, запасенной в элементах электрической цепи или поступающей в нее от генераторов. Внутренние перенапряжения можно подразделить на резонансные и коммутационные. При резонансных перенапряжениях повышение напряжения на изоляции возникает в результате резонанса на основной или повышенной частоте в линии электропередачи. При наличии нелинейных элементов (например, реакторов с магнитопроводом) могут появиться феррорезонансные перенапряжения на пониженной, основной или повышенной частотах. Резонансные и феррорезонансные перенапряжения возникают при несимметричных режимах в линии электропередачи. Коммутационные перенапряжения появляются в результате внезапных изменений схемы или параметров сети. Момент возникновения перенапряжений и продолжительность их действия на электрическую изоляцию являются случайными величинами, так как обусловлены случайными причинами: состоянием системы, моментом коммутации и особенностями работы отключающей аппаратуры. Перенапряжения принято оценивать краткостью по отношению к амплитуде фазного рабочего напряжения

                                                                                                      (2.1)

где U_П - амплитуда перенапряжений;

   U_Ф - фазное напряжение переменного тока;

   U_НОМ - номинальное напряжение.

   При резонансных и феррорезонансных перенапряжениях краткость их может достигать четырех. Правильным проектированием энергетических систем добиваются либо исключения этих видов перенапряжений, либо значительного уменьшения их амплитуд. Коммутационные перенапряжения полностью устранить невозможно, так как нормальная работа системы предусматривает включение и отключение отдельных ее участков. Кроме того, должно предусматриваться отключение поврежденных участков.

2.1.2 Внешние перенапряжения.

Внешние перенапряжения возникают в результате воздействия на линию электропередачи или другие объекты системы внешних ЭДС. Внешние перенапряжения возникают либо за счет атмосферного электричества, либо из-за влияния близко расположенных электрических объектов более высокого напряжения. Первые получили название грозовых перенапряжений и оказывают наиболее существенное воздействие на работоспособность изоляции линий электропередачи и подстанций. Вторые при правильном проектировании системы могут быть либо полностью устранены, либо значительно уменьшены. Причиной грозовых перенапряжений является разряд молнии. Грозовые перенапряжения подразделяются на перенапряжения при прямых ударах молнии и индуктированные. Индуктированные перенапряжения возникают за счет электромагнитной индукции от тока разряда молнии  на близко расположенный соседний объект. Пробой воздушной изоляции или перекрытие гирлянды обычно вызывает перерыв в энергоснабжении потребителя в пределах 3-5 сек, обусловленных временем срабатывания аппаратуры автоматического повторного включения. Длительность одного разряда молнии составляет 20-80 мкс. Число повторных разрядов за один удар колеблется от 1 до 15, а общая продолжительность – от 0,05 до 1 с. Число прямых ударов молнии в наземные объекты определяется по формуле

 

                                       (2.2)

 

 

где - число прямых ударов молнии в год;

-число грозовых часов в году;

=0,1–среднее удельное число ударов в течение одного грозового часа на площадь в 1 км²;

-фактическая площадь сооружения, км;

П-внешний периметр сооружения, км. 

Учитывая малую длительность грозовых перенапряжений, небольшую вероятность прорыва молнии через тросовую защиту и наличие аппаратов защиты, можно предполагать, что на работу подстанционной изоляции грозовые перенапряжения не оказывают решающего влияния.

 

2.2 Температурные условия работы

 

Температура электрической изоляции определяется температурой окружающей среды, тепловыделениями в электроизоляционной конструкции и условиями теплоотдачи, нагревом от внешних источников тепловой энергии. Температура окружающей среды зависит от места размещения оборудования и климатической зоны. Для определенной климатической зоны и в зависимости от места размещения оборудования температура окружающей среды зависит от времени года и суток. Поэтому при правильном подходе к расчету электрической изоляции необходимо иметь данные не только о предельных температурах, но и о продолжительности действия температур.

Температура окружающей среды электрооборудования, предназначенного для работы на открытом воздухе, подвержена значительным колебаниям. Размещение оборудования в помещении приводит к уменьшению колебания температуры окружающей среды из-за ее подогрева работающими установками. Любое помещение обладает тепловой инерционностью, что также способствует сглаживанию температур. В зависимости от объема помещения, его насыщенности электрооборудованием, наличия отопления, степени вентиляции разница температур внутри и вне помещения может колебаться в широких пределах. За счет тепловыделений в электрооборудовании температура изоляции всегда выше температуры окружающей среды. Перепад температур от изоляции в окружающую среду определяется на основе теплового расчета и зависит от тепловыделений и условий теплоотдачи в конструкции.

Тепловыделения в электроизоляционных конструкциях складываются из потерь энергии в токопроводящих частях и в электрической изоляции.

Тепловыделения в электрической изоляции определяются ее характеристиками и приложенным напряжением. Так как перенапряжения действуют на изоляцию кратковременно и не могут существенно изменить ее температуру, то расчет тепловыделений проводят только при рабочем напряжении. Тепловыделения в токопроводящих частях пропорциональны квадрату тока. В энергетических установках ток определяется количеством энергии, потребляемой в каждый момент времени, исполнительными механизмами и приборами. Мощность потребителей электрической энергии подвержена значительным  колебаниям в течение года и суток. Расчет тепловыделений в токопроводящих частях электроизоляционных конструкций следует проводить с учетом возможного колебания токовой нагрузки. С этой целью используют для расчета тепловыделений графики нагрузок, т.е. графическую зависимость спроса электроэнергии потребителем от времени. Графики нагрузок составляются для анализа режима работы энергетической системы в целом и отдельных ее элементов. Графики нагрузок подразделяют по следующим признакам: роду нагрузки (активная, реактивная), продолжительности охватываемого периода (годовые, суточные), месту изучения нагрузки (потребительские, световые, станционные, системные). При проектировании электроизоляционных конструкций большое значение имеют суточные графики нагрузок, построенных для того участка системы, на котором предполагается  ее использовать. На основе графиков нагрузок составляют график изменения тока по соотношению , где номинальное напряжение потребителя постоянно. Следовательно, ток определяется мощностью потребителя и коэффициентом мощности. Так как коэффициент мощности для данной группы потребителей колеблется в сравнительно узких пределах, то его изменением в ряде случаев можно пренебречь. В этом случае характер графика тока совпадает с графиком нагрузки. При расчете тепловыделений в токопроводящих частях использование графика нагрузок дает возможность снизить габаритные размеры проектируемого изделия. Очень часто при проектировании электроизоляционных изделий принимают токовую нагрузку постоянной и равной наибольшему току электрического аппарата. Предполагается, что если ток нагрузки будет меньше, то работа электрической изоляции протекает в более легких условиях. Для большинства конструкций такое предположение справедливо. Однако, если при понижении температуры в электрической изоляции развиваются механические напряжения, ее ресурс может уменьшится. Это замечание следует учитывать при проектировании электроизоляционных конструкций, работающих в условиях холодного климата. Поэтому при проектировании электроизоляционных изделий важно учитывать не только наибольшую, но и наименьшую нагрузку. Температура электрической изоляции повышается при наличии внешних источников тепловой энергии. К ним относятся близко расположенные нагревательные приборы, работающее электрооборудование, солнечное излучение и другие.

 

2.3 Механические напряжения

 

По своей природе механические напряжения, действующие на изоляцию, можно подразделить на внешние и внутренние. Внешние механические напряжения возникают в изоляции от действия приложенных к электроизоляционным конструкциям сил. Внутренние механические напряжения – это напряжения, развивающиеся в изоляции за счет внутренних процессов, которые происходят при ее изготовлении и эксплуатации.

Внешние механические напряжения, действующие на электроизоляционные конструкции в эксплуатации, возникают за счет натяжения проводов линий электропередачи, силы ветрового напора, нагрузки от гололеда, веса закрепленных на изоляции конструкций и собственно изоляции, нагрузки от избыточного внутреннего или внешнего давления среды, силы взаимодействия рабочих токов и токов короткого замыкания, нагрузки от перемещения отдельных участков и др. Полный перечень нагрузок, действующих на изоляцию в эксплуатации, составить для всех конструкций достаточно трудно. При оценке работоспособности электроизоляционных конструкций необходимо учитывать не только значение силы, но и ее направление.

Скоростной напор ветра подсчитывается по формуле

                                                                                               (2.3) 

где с – коэффициент сопротивления потоку воздуха;

S-площадь поперечного сечения обтекаемого тела;

p-плотность воздуха;

v-скорость ветра.

Скоростной напор ветра прямо пропорционален квадрату скорости ветра и  создает достаточно большую силу уже при скорости ветра порядка 20м/с. Эта сила, действующая на изолятор, является случайной векторной величиной.

 

2.3.1 Внешние механические напряжения.

Силу тяжения проводов линии электропередачи получим по формуле

 

                                                   (2.4)

где  - сечение провода;

 - плотность материала провода;

 - длина пролета между опорами;

 - стрела провеса провода при температуре ;

 - температурный коэффициент удлинения провода.

Из (2.4) следует, что тяжение провода зависит от его температуры, т.е. является функцией температуры окружающей среды и токовой нагрузки. Так как оба влияющих фактора являются случайными, то тяжение проводов – величина случайная, изменяющаяся в некоторых пределах. Зная минимальные и максимальные значения температуры провода, нетрудно определить пределы изменения тяжения проводов.  Тяжение проводов может измениться при появлении гололеда на  ЛЭП или шинах подстанций. Гололед появляется на линиях электропередачи при температуре окружающей среды от -10 до -5С. При наличии гололеда, покрывающего провод равномерным слоем, тяжение проводов найдем по формуле

                                     (2.5)

где   - площадь сечения и плотность гололеда на проводе .

В рабочем режиме некоторые электроизоляционные конструкции погружают в воду или в скважину, заливаемую водой, водным бурильным раствором или другими жидкостями. На электроизоляционную конструкцию в этих условиях действует всестороннее сжатие, которое можно определить по формуле

                                                 σ_сж = 10 Н ρ,                                             (2.6)

где Н – глубина погружения оборудования; ρ – плотность жидкости.

Всестороннее сжатие способствует повышению долговечности электроизоляционных конструкций. Однако при смене давления в конструкциях могут появиться значительные растягивающие силы, действие которых влечет за собой опасность ее разрушения. Силу, действующую между двумя параллельными проводниками с током, найдем по формуле

                                                                         (2.7)

где i₁ и i₂ – токи, протекающие в первом и втором проводниках;

l – длина проводников;

а  - расстояние между проводниками.

При рабочем токе усилия между проводниками невелики и ими во многих случаях можно пренебречь. Если ток i₁ = i₂ =10³ А, l =2м, а = 0,1м, то сила, действующая между проводами, составит около 4 Н. Наибольшие силы развиваются при коротких замыканиях в энергетических системах. Ток короткого замыкания можно представить из двух составляющих: апериодической и периодической. Апериодическая составляющая достаточно быстро затухает (приблизительно за 0,1-0,5сек.). Периодическая составляющая мало изменяется с течением временем при коротких замыканиях, далеко относящих от генераторов системы. Вблизи генераторов периодическая составляющая изменяется по более сложному закону и за счет форсированного возбуждения может возрастать с течением времени до установившегося значения. Наибольшая сила действия на изоляцию возникает в первый полупериод периодической составляющей тока короткого замыкания, когда апериодическая составляющая имеет еще высокое значение. Наибольшее амплитудное значение тока короткого замыкания называют ударным током короткого замыкания. Обычно при расчетах коротких замыканий в системах определяют периодическую составляющую. Наибольший ударный ток определим по формуле

                                         i_p = 2,55I,                                                       (2.8)

где i_p о более сложному закону и за счет форсированного возбуждения может возрастать с течением времени до – амплитудное значение ударного тока;

I - действующее значения периодической составляющей тока короткого замыкания.

Короткие замыкания в системах сравнительно редки и отключаются релейной защитой в течение короткого времени. Отключение близко расположенных к электростанциям коротких замыканий происходит за 0,1с, а отдаленных– за 3-5с.

 

2.3.2 Внутренние напряжения. Выбор расчетных условий эксплуатации.

Внутренние механические напряжения возникают как при изготовлении электроизоляционных конструкций, так и при их эксплуатации. При изготовлении керамических изделий и  изделий из термореактивных пластмасс происходят химические реакции, сопровождающиеся уплотнением материала. Так как уплотнение происходят неравномерно по объему изделия, то в отдельных участках возникают механические напряжения. Эти механические напряжения частично рассасываются за счет текучести материалов. Однако в некоторых изделиях механические напряжения приводят к трещинам.

Обычно изготовление изделий методом прессования, экструзии, обжига происходит при повышенной температуре. Наличие металлических или других элементов в изделии приводит к появлению температурных механических напряжений. Рассмотрим механические напряжения, возникающие в изоляции провода в процессе охлаждения при условии, что деформации подчиняются закону Гука, т.е. находятся в области упругих деформаций. На границе раздела провод-изоляция возникают механические напряжения  и деформации материалов. При отсутствии провода изменение длины внутренней поверхности изоляции составило бы

                                Δl₁ = 2πrα₁Δt.                                                          (2.9)

 

 

Изменение длины окружности провода при отсутствии изоляции найдем по формуле

                               Δl₂=2πrα­₂Δt,                                                            (2.10)

где r- радиус окружности провода и изоляции до охлаждения;

α_1­­ и α­₂ – температурные коэффициенты линейного расширения материалов изоляции и провода;

Δt – разность температур нагретого и охлажденного провода.

В процессе охлаждения из-за разности Δl₁ и Δl₂ возникнут механические напряжения, которые будут стремиться деформировать изоляцию и провод. Если обозначить дополнительную деформацию провода за счет механических сил через Δl’₂, то деформацию изоляции за счет механических сил получим по формуле

                               Δl’₁= Δl₁ - Δl₂ - Δl’₂=2πr(α­₁ - α­₂)Δt - Δl’₂.              (2.11)

По закону Гука имеем

                                  σ₁ / G₁ = Δl’₁/ l₁,                                                   (2.12)

                                   σ₂ / G₂ = Δl’₂/ l₂,                                                   (2.13)

 где σ₁ и σ₂ – механические напряжения в изоляции и проводе соответственно;

G₁ и G₂ – модули упругости материалов изоляции и провода соответственно;

l₁ и l₂ – длины окружностей изоляции и провода при температуре, до которой производилось охлаждение, и механическое напряжение равно нулю.

Если при охлаждении целостность конструкции не нарушается, то механические напряжения σ₁ и σ₂ равны, но имеют противоположные направления. Длины l₁ и l₂ определим по формулам

                          l₁= 2πr - Δl₁= 2πr(1 - α­₁Δt),                                         (2.14)

                          l₂= 2πr – Δl₂= 2πr(1 - α­₂Δt).                                        (2.15)

Из выражения (3.11) с учетом (3.13) найдем

                        Δl’₂  = σ₂ / G₂·2πr (1 - α­₂Δt).                                         (2.16)

 Подставляя в (3.9) Δl’₁ из (3.8) и учитывая (3.13), после преобразований получаем

                          .                                         (2.17)

Механическое напряжение, возникающее в изоляции, может быть как растягивающим, так и сжимающим изоляцию в зависимости от разности α­₁ - α­₂. Если  α­₁ - α­₂>0 и σ₁>0, то на изоляцию действует растягивающая сила. Если α­₁ - α­₂<0 и σ₁<0, то в изоляции возникают сжимающие силы. В последнем случае при недостаточной адгезии металла с изоляцией может возникнут ее отслоение.

Механическое напряжение σ₁ возникает за счет радиальной усадки материалов. Механические напряжения в изоляции возникают за счет осевой усадки σ_п.

Значение σ_п численно равно σ₁, но направлено под углом π/2 относительно σ₁. Полное механическое напряжение в изоляции

                         .                     (2.18)

При больших растягивающих нагрузках в изоляции может возникать ее растрескивание, приводящее к отказу электроизоляционной конструкции.

При быстром нагреве или охлаждении внутренние механические напряжения могут возникать из-за значительного градиента температур. Точный расчет внутренних напряжений зависит от распределения температур в конс-трукции при нестационарном тепловом режиме. Наибольшее внутреннее напряжение, возникающее при резком изменении температуры

                                                                                             (2.19)

где Δt – температурный градиент между внешним и внутренним слоями изоляции;

α­ – коэффициент линейного расширения;

G – модуль упругости.

Изделия, производимые серийно, целесообразно проектировать на некоторые усредненные условия эксплуатации. Изготовление изделий крупносерийными партиями уменьшает их стоимость при их выборе. Чтобы оценить срок службы электрической изоляции, в задании должны иметься следующие расчетные данные по условиям эксплуатации:

         а) назначение и место установки изделия согласно классификации ГОСТ  15150-69 (СП СЭВ 458-77, 460-77);

          б) номинальное напряжение и перенапряжения (число перенапряжений в год, параметры функции распределения амплитуд перенапряжений, средняя продолжительность одного перенапряжения);

          в) климатические условия эксплуатации с указанием величины и продолжительности действия каждого климатического фактора;

г) номинальный ток через токопроводящие элементы конструкции;

д) функции распределения механических напряжений с указанием продолжительности их действия.

 

        3 Регулирование электрических полей в изоляции

 

3.1  Методы регулирования электрических полей

 

Размеры электроизоляционных изделий и их форма предопределяются стойкостью к механическим, электри­ческим и тепловым воздействиям. Форма изделий во многом предопределяется тем аппаратом, для которого они предназначены. В большинстве случаев при конст­руировании электрической изоляции не удается исполь­зовать наилучшую ее форму с точки зрения получения наиболее выгодного для работы электроизоляционных материалов равномерного поля. Действительно, трудно представить кабель с токопроводящими жилами в виде бесконечных плоских электродов, при которых только и можно получить равномерное поле. В равномерном поле участки электроизоляционного материала нагружа­ются практически одинаковой напряженностью поля, т. е. имеет место наилучшее его использование. В не­равномерном поле отдельные участки электроизоляци­онной конструкции несут повышенную электрическую нагрузку, что может привести к довольно быстрому разрушению материалов перегруженных областей, а на оставшиеся части будет действовать повышенная на­пряженность поля, что поведет к их разрушению.

         При неоднородном электрическом поле можно по­высить работоспособность электрической изоляции, сни­жая напряженность поля в наиболее нагруженных участках путем увеличения размеров конструкций. Од­нако такой путь экономически не оправдан.

Второй возможный путь — выравнивание электриче­ского поля в конструкции. Путем регулирования (вы­равнивания) электрического поля создают более равно­мерное распределение электрической нагрузки на от­дельных участках электроизоляционных материалов, что повышает, как правило, их работоспособность. Ре­гулировать электрическое поле можно двумя способа­ми: изменяя либо активную проводимость, либо емкость отдельных участков изоляции.

Регулирование электрического поля с помощью активных проводимостей осуществляется путем повыше­ния активной проводимости отдельных участков изоля­ции, что приводит к уменьшению на них падения напря­жения и сопротивления электроизоляционной кон­струкции, но при этом увеличиваются диэлектриче­ские потери и повышается температура. Поэтому регу­лирование поля с помощью активных проводимостей ограничивается допустимыми сопротивлениями электри­ческой изоляции и наибольшей ее температурой. Мало­эффективно регулирование поля изменением активной проводимости при высокой частоте и при импульсном режиме из-за большой емкостной проводимости элек­трической изоляции. Регулирование поля с помощью активной    проводимости    целесообразно     использовать на   постоянном    и    переменном    напряжениях    низкой частоты.

Изменения активной проводимости можно добиться несколькими путями:

1) подбором электроизоляционных материалов с разной проводимостью;

2) использованием активных делителей напряжения;

3) установкой коронирующих электродов;

4) применением полупроводящих покрытий.

         Первый путь следует использовать при конструиро­вании комбинированной изоляции, размещая в области большей напряженности поля материалы с повышенной проводимостью. Подбирая электроизоляционные мате­риалы,  можно   значительно   выровнить распределение потенциалов в

ВП — вспомогательные коль­цевые электроды; U₀— начальное напряжение;  φ— потенциал; l — длина колонны.

Рисунок 3.1- Выравнивание потенциалов с помощью активного делителя напряжения вдоль опорной колонны

 

электрической изоляции. Однако такой подбор не всегда возможен, так как электроизоляцион­ный материал должен одновременно отвечать опреде­ленным требованиям по механическим, тепловым и дру­гим свойствам. Делитель напряжения для регулирова­ния электрического поля целесообразно применять в тех случаях, когда он одновременно будет использо­ваться и в других целях, например, для измерения на­пряжения. Таким примером может служить электроста­тический генератор, в котором с помощью делителя напряжения измеряется напряжение и одновременно на отдельные участки колонны с наложенными зондами подается принудительный потенциал. На рисунке 3.1 пока­зано распределение потенциалов вдоль высоты опорной колонны без делителя 1 и с делителем 2. Как видно из рисунка 3.1, падения напряжения на отдельных участках одинаковы. Однако на каждом участке распределение потенциалов неравномерно, хотя и с меньшей степенью неоднородности, чем без делителя. С помощью делителя напряжения вряд ли возможно получить равномерное распределение потенциалов, так как для этого необхо­димо было бы иметь бесконечно большое число зондов и элементов делителя.

Коронирующие электроды  повышают   проводимость участка промежутка,   особенно   значительное   в   месте существования коронного разряда. Таким образом, в ме­сте коронного разряда падение напряжения уменьшится и распределение потенциалов станет более   равномер­ным. Вместе с тем использование   коронного   разряда для регулирования электрического поля имеет ограни­ченное применение из-за ряда серьезных недостатков - выделяются  химически  активные  продукты,   вызываю­щие разрушение элементов конструкции; коронный раз­ряд в жидкости вызывает ее   разрушение;   создаются радиопомехи,   что  может привести  к  нарушению  нор­мальной высокочастотной связи до линиям электропере­дачи; шум от коронного разряда отрицательно влияет на работоспособность обслуживающего персонала.

Полупроводящие покрытия обычно  используют для выравнивания электрического поля в изоляторах, изоля­ции электрических машин, кабелях и других конструк­циях.  Устройство   полупроводящих   покрытий   сравни­тельно просто. При тщательном исполнении можно по­лучить практически равномерное распределение потен­циала. Расчет полупроводящих покрытий дается в § 4-2[1].

Емкостные    способы   регулирования    электрических нолей основаны на увеличении емкости   тех   участков электрической  изоляции,  в которых  необходимо пони­зить падение напряжения. Увеличение ёмкости отдель­ных участков  изоляции  получают   следующими способами:        

1) размещением в тех местах, где нужно понизить падение напряжения, диэлектриков с повышенной диэлектрической проницаемостью  (градирование изоля­ции);

2) применением внутренних и внешних экранов;

3) использованием   конденсаторных обкладок.

Емкост­ные способы регулирования электрических полей эффективны при переменном напряжении и импульсах. Расчет и конструирование емкостных способов регулирова­ния электрических полей рассматриваются в следующих параграфах настоящей главы

 

3.2 Расчет полупроводящих покрытий

 

Применение полупроводящих покрытий повышает напряжение возникновения поверхностных разрядов в результате понижения наибольшей напряженности поля по границе раздела двух сред. Полупроводящие покрытия повышают температуру изоляции за счет тока утечки, что способствует подсушиванию ее поверхности и увеличению разрядных характеристик во влажной и загрязненной атмосфере.

                         

Рисунок 3.2 - Токи через изо­ляционную колонну и элементы  ее поверхности

 

 

 

Рисунок 3.3- Схема замеще­ния электроизоляционной колонны

 

Полупроводящие покрытия применяют в подвесных и проходных изоляторах, изоляции электрических ма­шин и других электроизоляционных конструкциях.

На рисунке 3.2 показаны токи утечки в опорной колон­не. Ток утечки i₁ складывается из токов по объему ко­лонны и по полупроводящему покрытию на ее поверх­ности. Токи i₂ и i₃ — токи утечки с поверхности колонны через окружающую среду на нижний и верхний элек­троды соответственно. Заменив отдельные участки ко­лонны их проводимостями, составим схему замещения (см. рисунок 3.3), на которой обозначены: Y_x— полная прово­димость единицы длины участка колонны,  Y_n — проводимость полупроводящего покрытия на единице длины колонны, Y₂ и Y₃ — полные проводимости единицы дли­ны поверхности колонны относительно нижнего и верх­него электродов соответственно.

Для  схемы  замещения  получим  дифференциальные уравнения

 

                                                                                                      (3.1)

 

где φ — потенциал на поверхности колонны на расстоя­нии х от нижнего электрода;

φ₁ и φ₂ — потенциалы со­ответственно нижнего и верхнего электродов.

Решение дифференциальных уравнений проведем в предположении, что Y_ь Y₂ и Y₃ не зависят от х, a Y_n может являться функцией х. Дифференцируя (3.1) по х и подставляя в него значение i из (3.1) и di\dx из (3.2), после преобразования находим:

                                                 (3.3)

Полупроводящие покрытия выполняются либо рав­ной толщины по длине колонны (Y_п постоянно и не за­висит от х), либо из условия постоянства напряженно­сти поля по длине колонны. В первом случае dY_n/dx=0 и решение дифференциального уравнения (3.3) имеет вид

 

                              

 

где  найдем из характеристического уравнения

                                                                                                   (3.4)

 

 

Определяя из граничных условий (при х=0 φ=φ₁ и при х=l φ=φ₂) и (3.3) постоянные интегрирования A_h А₂ и А₃, после преобразований получаем:

 

                                   (3.5)

 

Обозначим φ₂- φ₁ =U₀ и положим φ₁=O, тогда

 

                                                       (3.6)

 

Напряженность поля вдоль длины колонны

 

                                                   .                                                (3.7)

     Произведя дифференцирование, получим:

                                                              (3.8)

 

На рисунке 3.4 дается распределение потенциалов и напряженностей поля вдоль длины колонны при двух значениях γl и различных соотношения Y₂ и Y_3.

 

 

 

1- Y₂ = Y₃ ;  2 - Y₂ = Y₃;   3- Y₂ =5Y₃; 4- Y₂ = 0,2Y₃; для кривых 1                 γl =1, для 2-4 γl =3; Е_о средняя напряженность поля.

 

Рисунок 3.4 - Распределение потенциала (а) и напряженности поля по длине колонны (б)

 

При уменьшении γl распределение потенциалов становится более равномерным. Увеличивая проводимость полупроводящего покрытия Y_п, можно в значительной степени выравнять электрическое поле вдоль колонны. Однако при постоянной толщине покрытия увеличение его про­водимости приводит к росту потерь электрической энер­гии, что ограничивает возможности выравнивания элек­трического   поля.   Обычно   принимают компромиссное решение: проводимость покрытия выбирают таким образом, чтобы максимальная напряженность поля, имею­щая место у одного из электродов, была меньше допу­стимой. Во втором случае

 

                              

 

Уравнение (3.3) преобразуется к виду

                                                                          (3.9)

После дифференцирования получим:

 

                                                                  (3.10)

 

Проводимость Y_п в зависимости от х изменяется по кривой с минимумом. Учитывая, что Y_n не может быть отрицательной, постоянную интегрирования находим, полагая минимальную Y_п, равной нулю. Приравнивая производную dYu/dx нулю, находим х, при котором Y_a минимальная, а подставляя его в   (3.10), получаем

                                          

                                                                                    (3.11)

Для цилиндрической колонны

 

                                                             ,

 

где D — внешний диаметр колонны;

р_п — удельное объ­емное сопротивление полупроводящего покрытия; 

Δх — толщина покрытия.

    Подставляя    Y_n   в   (3.11),   получаем   толщину   по­крытия:

 

                                                                           (3.12)

 

    Подсчитаем потери энергии в  полупроводящем по­крытии, которые составят:

 

                                                   (3.13)

 

        Подсчитаем потери энергии в полупроводящем по­крытии колонны на E₀=:500 кВ длиной 5м

 

     Приведенный пример показывает, что обеспечение условия E=const с помощью полупроводящих покрытий приводит к значительным потерям энергии и его можно применять только в условиях повышенных загрязнений и длительного увлажнения.

 

 

Рисунок 3.5 - Схема конструкции (а) и схема замещения (б) приходного

изолятора

 

На рисунке 3.5 приводится схема конструкции, модели­рующая проходной изолятор, края обкладок конденса­тора, электрическое поле изоляции электрических ма­шин при переходе из пазовой в лобовую часть. На этом же рисунке дается схема замещения. Пользуясь выше­изложенной методикой, получаем дифференциальное уравнение:

 

                                                        (3.14)

 

Решение полученного уравнения проведем для двух случаев:

1) Y_n=const,

2) E=const.

В первом случае аналогично предыдущему, полагая φ₂- φ₁=U₀ и φ ₁=0, находим:

 

                                                                                                 (3.15)

                                                                                      (3.16)

 

Напряженность   поля    вдоль    поверхности   раздела определим по формуле

                                                                                       (3.17)

 

Максимальная напряженность поля имеет место при х=1, т. е.

 

                                                                                           (3.18)

 

Приравнивая E_max=E_доп, из (3.18) определяем γ, подставим его в (3.16) и, полагая Y₂ равным нулю, под­считаем толщину полупроводящего покрытия.

Во втором случае значение У_п, как и при расчете полупроводящего покрытия колонны, найдем по фор­муле

 

                                                                               (3.19)

 

Постоянная интегрирования С=0 находится при гра­ничных условиях (х=0, Y_п=0).

Для цилиндрической системы проводимости опреде­лим по формулам

 

                                                                      (3.20)

 

                                                                                             (3.21)

 

где r₁ и r₂ — внутренний и внешний радиусы изоляции;

ρ и ε— удельное объемное сопротивление и относи­тельная диэлектрическая проницаемость изоляции;

∆п— толщина полупроводящего покрытия;

ρ_п — удельное объемное сопротивление полупроводящего  покрытия.

Решая  совместно   (3.19) — (3.21),  находим  толщину полупроводящего покрытия:

                                       (3.22)

В целях снижения потерь энергии применяют полу­проводящее покрытие не на всю длину изоляции, а только в области наибольшей напряженности поля. Толщину и длину покрытия выбирают опытным путем, добиваясь снижения максимальной напряженности поля до допустимого уровня.

 

3.3 Градирование электрической изоляции

 

Выравнивание электрического поля путем размеще­ния диэлектриков с большей диэлектрической проницае­мостью в местах повышенной напряженности широко, применяется в кабелях высокого напряжения (градиро­вание электрической изоляции с целью уменьшения на­пряженности поля у токопроводящего стержня). Наи­лучшее градирование электрической изоляции получим при таком подборе электроизоляционного материала, когда напряженность поля остается постоянной по всем слоям.

По теореме Гаусса

 

                                 (3.23)

где q—заряд внутреннего электрода в двухэлектродной системе.

Если Е и q постоянны, то условие наилучшего гра­дирования электрической изоляции имеет вид:

                                          (3.24)

 

При изотропном диэлектрике и условии, что диэлектрическая проницаемость вдоль эквипотенциальной поверхности не меняется, получим:

                                    (3.25)

 

Таким образом, условие наилучшего градирования электрической изоляции (E=const) выполняется тогда, когда произведение диэлектрической проницаемости на площадь эквипотенциальной поверхности остается неиз­менной. Соотношение (3.25) справедливо для любого электрического поля, в котором один электрод имеет заряд одного знака, а другой — равный заряд противо­положного знака.

Для сферического конденсатора, площадь эквипотенциальной  поверхности  которого  равна   условие постоянства напряженности поля имеет вид:  Аналогично в цилиндрическом конденсато­ре, площадь эквипотенциальной поверхности которого  при постоянной длине l условие наилучшего градирования запишется в виде

 

                                                                       (3.26)

 

Однако трудно подобрать электроизоляционные ма­териалы, чтобы их диэлектрическая проницаемость плав­но изменялась в широком диапазоне. Действительно, если радиус токопроводящей жилы в кабеле равен 5, а внешний 15 мм, то для получения постоянной напря­женности поля в его изоляции необходимо иметь набор электроизоляционных материалов, обеспечивающих плавное изменение диэлектрической проницаемости в 3 раза. Кроме того, такую электрическую изоляцию трудно изготавливать.

В кабелях и других электроизоляционных конструк­циях широко применяется многослойная изоляция.

Разность потенциалов в каждом слое найдем по формуле

 

                                                                 (3.27)

 

где E_i — максимальная напряженность поля в i-м слое изоляции; r_i и r_i+1 — внутренний и внешний радиусы i-гo слоя изоляции соответственно.

Суммарная разность потенциалов на электрической изоляции составит:

 

где n — число слоев изоляции.

На границе раздела двух диэлектрических сред элек­трическое смещение неизменно, а напряженность поля меняется скачкообразно. Для цилиндрического конден­сатора на границе раздела i- и (i+1)-гo слоя будем иметь:

 

или

 

Напряженность поля i-го слоя через напряженность поля первого слоя получим по формуле

 

                                                                   (3.28)

 

Подставляя из (3.28) в формулу напряжения, после преобразования получаем:

 

 

Нетрудно показать, что в любом i-м слое максималь­ная напряженность поля имеет вид:

                             (3.29)

 

При многослойном градировании стараются получить одинаковые максимальные напряженности поля во всех слоях. Это условие будет выполняться, если

 

                                         (3.30)

 

По (3.30) можно рассчитать радиусы слоев при из­вестных диэлектрических проницаемостях выбранных материалов.

Градирование широко применяется в кабелях с бумажно-масляной изоляцией. Диэлектрическая проницае­мость пропитанной бумаги зависит от плотности по­следней. Кабельная бумага выпускается плотностью от 800 до 1200 кг/м³. Диэлектрическая проницаемость бумаги, пропитанной маслом, может изменяться от 3,5 до 4,3. В кабелях ча­ще всего используется градирование двумя слоями изо­ляции. По жиле накладывается слой изоляции из бумаги большей плотности (большей диэлектрической проницаемости), а второй - слой из бумаги меньшей плот­ности (меньшей диэлектрической проницаемости). Гра­дирование электрической изоляции дает наибольший эффект при малых радиусах токбпроводящей жилы, когда  неравномерность электрического поля велика. Проиллюстрируем сказанное примерами. Допустимую напряженность поля в бумажно-масляной изоляции кабеля примем 10 МВ/м. Изоляция кабеля изготавливает­ся в два слоя: первый слой из бумаги с ε_r=4,3, а вто­рой — ε_r=3,5. Рабочее напряжение кабеля  Первый кабель имеет токопроводящую жилу радиусом r₁=5, второй — r₁=15мм. Определим толщину изоля­ции для первого и второго кабеля при двухслойном и однослойном исполнении.

Для неградированной изоляции внешний радиус ее найдем по формуле максимальной напряженности поля в цилиндрическом конденсаторе

 

r_a=r₁e ^{Uраб/Eдопr1},

 

где U_раб — рабочее напряжение, приложенное к изоля­ции;

Е_доп — допустимая наибольшая напряженность по­ля в кабельной изоляции.

Для первого кабеля

 

;

для второго       

 

 

Толщина изоляции первого кабеля 58,5, второго - 20 мм. Из (3.30) определим внешний радиус первого слоя градированной изоляции:

для первого кабеля

 

;

для второго

 

 

Внешний радиус изоляции при ее градировании в два слоя получим из (3.29):

 

 

Внешний радиус  градированной  изоляции составит:

для первого кабеля

 

 

для второго

 

 

 

Толщина градированной изоляции для первого кабе­ля r₃—r₁=41—5=36 мм и второго — 16 мм.

Таким образом, за счет градирования изоляции ее толщину у первого кабеля можно уменьшить с 58,5 до 36 мм, т. е. на 22,5 мм, а у второго — с 20 до 16 мм, т. е. всего на 4 мм, т. е. градирование электрической изоля­ции дает возможность снизить ее толщину, особенно значительную при резконеоднородном поле.

 

3.4 Применение экранов и их расчет

 

Высоковольтное оборудование подстанций, гирлянды изоляторов снабжаются специальными экранами. Ос­новное назначение экранов — повысить напряжения по­явления коронного разряда на элементах конструкций. Коронный разряд на элементах конструкций сопровож­дается радиопомехами, образованием в воздухе продук­тов разряда, вызывающих ускоренное старение электро­технических материалов.

В зависимости от места расположения экранов их подразделяют на внешние и внутренние. Внешние экра­ны устанавливаются на оборудовании вне основной части твердой изоляции. Внешние экраны в форме ша­ров, колец, рогов, устанавливаемых по концам и по длине конструкции, выравнивают электрическое поле и тем самым повышают напряжение появления коронного разряда, а в некоторых случаях и пробивное напря­жение.

Внутренние или встроенные экраны устанавливаются в пределах основных, габаритных размеров твердой изо­ляции. Внутренние экраны находят применение в изоля­ции проходных и опорных изоляторов, электрических машин, трансформаторов и других конструкций. Внут­ренние экраны по сравнению с внешними имеют то пре­имущество, что их установка не приводит к увеличению внешних габаритных размеров конструкции. Последнее имеет немаловажное значение для элементов, работаю­щих внутри сосудов, например, для изоляции внутри баков трансформаторов.

На концах аппаратных и трансформаторных вводов высокого напряжения устанавливаются шаровые или тороидальные экраны. Размеры экранов определяют из условия отсутствия коронного разряда при рабочем на­пряжении, т. е. должно соблюдаться неравенство

  U_ф<U_кр,                                       (3.31)

где — наибольшее фазное рабочее напряжение обо­рудования;

U_кр — критическое напряжение короны при самых неблагоприятных климатических условиях.

Для опорных конструкций по концам шин подстанции Целесообразно выбирать экраны, размеры которых отвечали бы не только требованию неравенства (3.31), но и условию, чтобы критическое напряжение короны превышало расчетные перенапряжения. Если выполня­ется последнее условие, то экран создает поле в значи­тельной степени выравненное, что повышает пробивное напряжение воздушной изоляции. При соответствующем выборе экранов последнее позволяет снизить межэлек­тродное расстояние и повысить надежность электриче­ской изоляции подстанции. Максимальную напряжен­ность поля у поверхности шарового экрана найдем но формуле

                        (3.32)

где U — приложенное напряжение;

R —радиус экрана;

Н — расстояние от центра экрана до земли.

Критическую напряженность поля короны в воздухе, МВ/м, определяют по эмпирической формуле

 

                       (3.33)

 

где m_н — коэффициент негладкости шаровой поверхно­сти;

δ — относительная плотность воздуха;

R — радиус шарового экрана, м.

Если оборудование предназначено для работы в горных условиях, то следует учесть изме­нение плотности воздуха с повышением высоты над уровнем моря:

   δ=1,01—0,0875h,                                  (3.34)

где h — высота над уровнем моря, км.

В трехфазной системе на напряженность поля у по­верхности шарового экрана оказывают влияние соседние  фазы. Предполагая, что соседняя фаза имеет рав­ный, но противоположный по знаку заряд, получаем:

 

                                        (3.35)

где D — расстояние между центрами сферических экра­нов соседних фаз.

Приравняв критическую напряженность поля макси­мальной и приняв U_ф=0,9 U_кр, получим для одиночного экрана:

 

                                          (3.36)

 

Для двух экранов с противоположными по знаку и равными зарядами над плоскостью земли

 

                     (3.37)

В (3.36) и (3.37) фазное напряжение подставляется в мегавольтах, а радиус экрана получается в метрах. Так как в (3.36) и (3.37) радиус шара входит в правую и левую часть уравнения, то расчет экрана проводят методом последовательных приближений.

Изготовление шарового экрана достаточно трудоем­ко. Поэтому такие экраны применяют в тех изделиях, в которых необходимо обеспечить минимальные габа­ритные размеры конструкции, например, на концах вво­дов в трансформаторы и автотрансформаторы. Приме­нение в этих конструкциях кольцевых экранов может привести к необходимости увеличивать их размеры.

Для тороидального (кольцевого) экрана напряжение появления коронного разряда подсчитывается по фор­муле

 

                                        (3.38)

 

где r — радиус трубы, из которой изготавливается экран;

R— радиус осевой линии тороида;

Н — расстояние от оси тороида до поверхности земли;

Е_кр —критическая напряженность поля коронного разряда, МВ/м, вычисляемая по формуле

 

                                            (3.39)

 

где δ — относительная плотность воздуха.

Напряжение появления короны должно быть на 10% выше фазного напряжения, так как при нормаль­ной работе корона не допускается.

Из (3.38) нельзя одновременно определить r и R. Для их определения необходимо дополнительное соот­ношение. Напряжение появления короны при постоян­ной поверхности тороида в зависимости от r изменяется по кривой с максимумом. Наибольшее значение напря­жения появления короны име­ет место при R/r=6,25. Под­ставляя R = 6,25r в (3.38), по­лучаем:

 

                                         (3.40)

 

Определив подбором из (4-40) радиус r, находим R.

 

 

 

 

Рисунок 3.6 - Схема внутреннего экрана и распределение потенциалов вдоль поверхно­сти изоляции с внутренним экраном (1) и без него (2)

 

На рисунке 3.6 показаны устройство внутреннего экрана Э и распределение потенциа­лов вдоль поверхности изоля­ции при наличии и отсутствии экрана. Как видно из рисунка 3.6, при установке внутреннего эк­рана падение напряжения у электрода уменьшается, и область наибольшей напря­женности поля смещается к концу экрана. Форму и размеры внутреннего экрана выбирают из условия повышения напряжения появления поверхностных разрядов до требуемого уровня при одновременном относительно небольшом снижении про­бивного напряжения твердой изоляции у конца экрана.

 

3.5 Регулирование поля применением конденсаторных обкладок

 

Конденсаторные обкладки применяют для выравни­вания электрических полей в проходных изоляторах и в концевых кабельных муфтах. На рисунке 3.7 дается схема расположения конденсаторных обкладок в проходном изоляторе.

 

 

Рисунок 3.7-Схема проходного          Рисунок 3.8 - Расчетная схема

изолятора конденсаторного типа      изолятора конденсаторного типа

Для получения основных соотношений предположим, что конденсаторные обкладки сдвинуты в од­ну сторону так, чтобы их концы расположились в пло­скости, перпендикулярной оси изолятора. Если прене­бречь рассеянием электрического потока, то линия, соединяющая противоположные концы обкладок, будет являться силовой линией (см. Рисунок 3.8). Напряженность по­ля в точке А разложим на две составляющие: радиаль­ную, совпадающую по направлению с радиусом, и аксиальную, направленную вдоль оси изолятора. Ради­альная напряженность поля остается постоянной по длине изолятора при постоянном радиусе, аксиальная составляющая напряженности поля возникает у концов обкладок. Внутри изолятора аксиальная составляющая напряженности поля будет равна нулю.

Падение напряжения на элементе изолятора при до­статочно большом количестве обкладок найдем по фор­муле

    dU=E_adx=-E_rdr,                                      (3.41)

 

где Е_а—аксиальная составляющая напряженности по­ля;

dx— приращение длины обкладок;

Е_r — радиальная составляющая напряженности поля;

 dr— приращение радиуса обкладок.

Электрический поток в изоляторе, если пренебречь его рассеянием, остается постоянным, т. е.

          2πrxε_rε₀Е_r=соnst,

или, учитывая, что изолятор делается из одного мате­риала, получим:

  rxE_r=const,                                         (3.42)

где r, х — радиус и длина обкладки соответственно.

Обкладки в изоляторе можно выбрать при двух ва­риантах: радиальная составляющая напряженности по­ля постоянна, аксиальная составляющая напряженности поля постоянна. Рассмотрим каждый из них:

1) Радиальная напряженность поля постоянна. Из (3.42) следует:

 

rx=C₁=const.                                        (3.43)

 

Аксиальную составляющую напряженности поля най­дем из (3.41):

                                           (3.44)

Производную dx/dr определим с учетом соотноше­ния (3.43):

 

Следовательно,

                                         (3.45)

Из (3.45) следует, что аксиальная напряженность поля возрастает с уменьшением длины обкладки, т. е. наибольшая напряженность поля будет иметь место у фланца. Подставив Е_а из (3.45) в (3.41), после инте­грирования получим:

                                    (3.46)

Постоянные уравнения определим из граничных условий

 

х=l_ф; U=0;

x=l_ст; U=U₀,

 

где l_ф и l_ст — длины обкладок у фланца и стержня соот­ветственно.

Определив из граничных условий постоянную С₁Е_r и подставив ее в (3.45), получим:

 

                                                                (3.47)

 

Приравнивая наибольшую аксиальную напряжен­ность поля допустимой, находим:

 

                                            (3.48)                                

 

Для обеспечения нормальной работы необходимо увеличивать l_ф и l_ст, т. е. длину изолятора. Так как Е_r постоянна, толщина изоляции будет иметь небольшое значение. Таким образом, из условия Е_r=const разме­ры изолятора по длине будут весьма значительны при малых радиальных размерах. Экономически такой под­ход не может быть оправдан.

2) Аксиальная составляющая напряженности поля постоянна (E_а=const). Определив из (3.41) Е_r и под­ставив его в (3.42), после преобразования найдем:

                                         (3.49)

Разделяя переменные после интегрирования, полу­чаем:

                                            (3.50)

Граничные условия для определения постоянных ин­тегрирования имеют вид:

х=l_ф; r=r_ф;

x=l_ст; r=r_ст.

 

Подставив граничные условия в (3.50) и решив по­лученную систему уравнений, найдем постоянные интегрирования:

 

                                                                 (3.51)

 

                                                       (3.52)

 

Подставляя постоянные интегрирования в (3.50), по­лучаем уравнение силовой линии, проходящей по концам обкладок:

 

                                                                            (3.53)

 

Уравнение (3.53) служит основным выражением для расчета длин и радиусов обкладок при постоянной со­ставляющей аксиальной напряженности поля. Радиаль­ную напряженность поля в изоляции найдем из (3.41), (3.49) и (3.51):

 

                                                                     (3.54)

 

Так как аксиальная напряженность поля постоянна, то

 

                                                                          (3.55)   

 

Подставив значение E_а в (3.54), найдем:

      

                                                (3.56)

Из (3.56) видно, ра­диальная напряженность поля обратно пропорцио­нальна произведению rx. Наибольшее значение Е_r имеет место при минималь­ных значениях xr, т. е. около фланца и стержня. На рисунке 3.9 приводятся возможные зависимости Е_т от r. Очевид­но, наиболее приемлем слу­чай 1, при котором радиаль­ные напряженности поля у фланца и стержня равны,

 

 

 

 

 

Рисунок 3.9 - Возможные зависимо­сти радиальной напряженности поля от радиуса

 

т. е. E_rст=E_rф=E_rmax. Максимальная напряженность поля в этом случае

 

                             (3.57)

 

Обозначим

 

                                                                   (3.58)

Тогда

 

                                     (3.59)

 

Определим значение z, при котором максимальная радиальная напряженность поля имеет минимальное значение. Приравняв производную E_rmax по z нулю, по­лучим:

 

 

Так как z не может быть равно бесконечности, то числитель полученного выражения должен равняться нулю. Из условия минимума максимальной радиальной напряженности поля z=3,6.

Из условий минимума объема активных материалов определим z. Приближенно объем электроизоляционных материалов найдем по формуле

 

Подставив r_ф из (3.59) и l_ст из (3.55), после преобразований получим:

        

                                                             (3.60)

 

Наибольшие аксиальные и радиальные напряженно­сти поля определяются характеристиками применяемых материалов и не зависят от z. Приравняв производную объема по z нулю, найдем:

 

 

откуда z=4,1. Обычно в расчетах принимают z в пре­делах от 3,6 до 5

Из уравнения (4-60) следует, что при постоянных z, Е_а и Е_rmax объем изоляции пропорционален кубу напря­жения, действующего на изоляцию. Пропорциональ­ность объема электриче­ской изоляции кубу действу­ющего напряжения прибли­женно соблюдается для большинства электроизоля­ционных конструкций.

 

 

Рисунок 3.10 - Теоретическое (1) и действительное (2) значение ак­сиальной напряженности поля на участке длины изолятора. x_i,x_i+1, x_i+2-длины обкладок

                                  

Приведенные выше расчеты справедливы, если число обкладок бесконечно велико. В реальных конструкциях количество обкладок всегда конечно. Это приводит к тому, что условие постоянства аксиальной напряжен­ности поля строго не выполняется. На рисунке 3.10 приво­дится кривая изменения аксиальной напряженности по­ля на небольшом участке длины изолятора. При по­стоянстве средней аксиальной напряженности поля на­блюдается местная повышенная напряженность поля у краев обкладок. Поскольку при конечном числе об­кладок невозможно получить постоянство аксиальной напряженности поля, в некоторых конструкциях не до­биваются строгого выполнения условия постоянства средней аксиальной напряженности поля.

В ряде случаев такой подход облегчает изготовление электроизоляционных конструкций и  удешевляет их.

 

 

4 Старение изоляции

 

4.1  Основные понятия о старении изоляции

 

Изоляция электротехнических установок, согласно ГОСТ 1516.2-97, подразделяется на внутреннюю и внешнюю. Внутренняя изоляция – это части изоляционной конструкции, в которых изолирующей средой являются жидкие, твердые или газообразные диэлектрики или их комбинация, не соприкасающиеся с атмосферным воздухом и не подверженные влиянию атмосферных и других внешних факторов. Внешней изоляцией являются воздушные промежутки и поверхность твердой изоляции в атмосферном воздухе, которые подвержены влиянию атмосферных и других внешних факторов.

В эксплуатации на внутреннюю изоляцию электрооборудования воздействуют электрические, тепловые, механические и другие нагрузки. Они вызывают в изоляции сложные процессы, следствием которых является постепенное ухудшение свойств изоляции, именуемое старением. Как правило, изменения свойств изоляции носят необратимый характер и завершаются пробоем. Однако в отдельных случаях последствия старения могут быть устранены путем восстановительного ремонта изоляции.

Процессы старения изоляции ограничивают срок службы изоляционных конструкций. Поэтому при разработке, изготовлении и в процессе эксплуатации оборудования высокого напряжения должны предусматриваться меры, снижающие темпы старения изоляции до такого уровня, при котором обеспечивается требуемый срок службы изоляционных конструкций (обычно 20-30 лет и более).

Изменение свойств внутренней изоляции в процессе эксплуатации происходит за счет воздействия на нее различных видов энергии. Кроме того, старение изоляции может быть обусловлено проникновением в нее из окружающей среды загрязнений и частиц влаги.

 

4.2 Электрическое старение изоляции

 

Электрическое старение может происходить при напряженностях электрического поля во много раз меньше пробивного напряжений. С увеличением напряжения, приложенного к изоляции, темпы электрического старения возрастают, а срок службы соответственно уменьшается. Экспериментально установлено, что зависимость срока службы τ от значения воздействующего напряжения  U в диапазоне значений τ от единиц до 10¹⁴ч имеет вид.

                                                                                            (4.1)

 

где  – постоянная, зависящая от свойств изоляции;

- показатель степени, зависящий от конструктивных особенностей изоляции и рода воздействующего напряжения (при напряжении промышленной частоты и при постоянном напряжении).

Для области больших сроков службы (более 10¹⁴ч) используют другую формулу:

                                                                                  (4.2)

         где -напряжение появления в изоляции частичных разрядов, являющихся основной причиной электрического старения внутренней изоляции.

Типичным значением постоянной для твердой изоляции при нормальных условиях является значение 6∙10⁹ год/(кВ)ⁿ. Показатель степени  обычно выбирают равным 6. Таким образом, формула (4.2) записывается так:

 

                                                                                          (4.3)

 

Частичные разряды представляют собой локальные пробои ослабленных участков изоляции, которыми являются газовые полости. Зависимости t=f(U) получили название «кривых жизни» изоляции. Формулой (4.3) пользуются для случая, когда . При  электрического старения изоляции не происходит, и срок ее службы неограниченно возрастает. На рисунке 4.1 приведена «кривых жизни» изоляции в двойном логарифмическом масштабе.

Рисунок 4.1 - «Кривая жизни» изоляции в двойном логарифмическом масштабе

 

4.3 Тепловое старение изоляции

 

Диэлектрические материалы, используемые для изготовления внутренней изоляции установок высокого напряжения, при комнатной температуре практически инертны. Однако при рабочих температурах (90-180⁰С) в этих материалах возникают или резко ускоряются химические реакции, которые изменяют структуру материалов и вызывают ухудшение свойств всей изоляции в целом. Эти процессы именуют тепловым старением. Твердые диэлектрические материалы в процессе теплового старения постепенно снижают механическую прочность. Это приводит к повреждению изоляции под действием механических нагрузок и затем уже к пробою.

В жидких диэлектриках в результате теплового старения образуются газообразные, жидкие и твердые продукты реакций. По мере накопления этих продуктов, загрязняющих изоляцию, проводимость и диэлектрические потери растут, а электрическая прочность снижается.

Темпы теплового старения внутренней изоляции определяются скоростями химических реакций, зависящими от температуры. Обычно полагают, что срок службы при тепловом старении обратно пропорционален скорости химических реакций. Тогда отношение сроков службы изоляций  и при разных температурах  и  будет выражаться:

 

                                 ,                                                      (4.4)

 

где - повышение температуры, вызывающее сокращение срока службы изоляции при тепловом старении в 2 раза.

Значение для разных видов внутренней изоляции лежит в пределах 8-12⁰С,  в среднем для изоляции тяговых электродвигателей составляет 10⁰С. Для изоляции силовых трансформаторов принимают  Если же изоляция трансформаторов сильно изношена, то принимают  Уравнение (4.4) называют правилом Монтзингера, или правилом десяти градусов. Для ограничения теплового старения и обеспечения требуемого срока службы изоляционной конструкции для отдельных видов изоляции, в соответствии с ГОСТ и рекомендациями Международной электротехнической комиссии (МЭК), устанавливаются наибольшие допустимые рабочие температуры. По величине допустимой рабочей температуры все изоляционные материалы делятся на 7 классов нагревостойкости.

 

Класс нагревостойкости	Y	A	E	B	F	H	C
	90	105	120	130	155	180	более 180
Наибольшая рабочая температура,  0 К	363	378	393	403	428	453	более 453

 

К классу Y относятся волокнистые материалы на основе целлюлозы и шелка (пряжа, хлопчатобумажные и шелковые ткани, ленты, бумага, картон, древесина и т.п.), если они не пропитаны и не погружены в жидкий электроизоляционный материал.

К классу А принадлежат те самые органические волокнистые материалы, пропитанные лаками или компаундами, или погруженные в жидкий электроизоляционный материал, предохраняющий от доступа кислорода воздуха, который ускоряет тепловое старение изоляции. Например, это хлопчатобумажная изоляция проводов в пропитанной лаком обмотке электрической машины или хлопчатобумажная изоляция обмотки маслонаполненного трансформатора. К классу А относится также изоляция эмаль-проводов на масляно-смоляных лаках.

К классу Е относятся пластические массы с органическим наполнителем на основе термоактивного связующего типа феноло-формальдегидных смол (гетинакс, текстолит). К этому же классу относятся и лавсановые пленки, эпоксидные, полиэфирные и полиуретановые смолы, а также изоляция эмаль поводов на таких смолах.

Итак, к первым трем классам нагревостойкости Y, A и E относятся главным образом органические электроизоляционные материалы.

К классу В относятся материалы, содержащие неорганические компоненты (щепанную слюду, асбестовые и стекловолокнистые материалы) в сочетании с органическими связующими и пропитывающими материалами. Сюда входят миканиты, стеклоткани и стеклотекстолиты на феноло-формальдегидных термоактивных смолах и эпоксидные компаунды с неорганическими наполнителями.

К классу F принадлежат слюдяные продукты (миканиты), изделия на основе стекловолокна без подложки или с неорганической подложкой с органическими связующими и пропитывающими веществами, обладающими повышенной нагревостойкостью. К таким связующим относятся эпоксидные, термоактивные, полиэфирные и кремнийорганические смолы.

К классу Н относятся материалы, применяемые для класса F, но для изготовления которых применяют кремнийорганические смолы особо высокой нагревостойкости.

К классу С относятся чисто неорганические материалы без связующих и пропитывающих органических веществ: слюда, стекло, стеклоткани, асбест, кварц, микалекс. Их органических электроизоляционных материалов к классу С относятся только политэтрафторэтилен (фторопласт-4 или тефлон) и материалы на основе полиимидов.

При указанных температурах обеспечиваются технико-экономически целесообразные сроки службы электрооборудования. При повышении температуры срок службы изоляции снижается. Наивысшая рабочая температура определяется на основании тщательного изучения поведения материала при различных температурах с учетом коэффициента запаса, зависящего от условий эксплуатации, необходимой надежности и заданного срока службы.

 

4.4 Механическое старение изоляции

 

Внутренняя изоляция или ее отдельные элементы из твердых диэлектрических материалов обычно подвергаются в эксплуатации значительным статическим и динамическим ударным механическим нагрузкам. Под действием эти механических нагрузок (растяжение, сжатие, изгиб, вибрация и т.д.) в диэлектрике образуются и постепенно увеличиваются микротрещины. Когда количество и размеры микротрещин достигают некоторых критических значений, наступает механическое разрушение материала. Однако, кроме механического разрушения диэлектрика, наличие микротрещин приводит к преждевременному пробою изоляции, так как наличие трещин существенно снижает электрическую прочность диэлектрика. Воздействия механических напряжений более подробно рассмотрены в разделе 2.  

 

4.5  Влияние увлажнения изоляции на процесс ее старения

 

 В процессе эксплуатации во внутреннюю изоляцию электроустановок может попадать влага. Она может попадать из окружающего воздуха или образоваться в самой изоляции в результате термоокислительных процессов.

Появление влаги в изоляции (адсорбция влаги) приводит к резкому снижению сопротивления утечки, так как во влаге содержатся растворенные и диссоциированные примеси, т.е. свободные ионы. Уменьшение сопротивления утечки опасно тем, что приводит к росту диэлектрических потерь. Вследствие этого снижается напряжение теплового пробоя и, кроме того, происходит дополнительный нагрев изоляции, что влечет за собой ускорение темпов теплового старения. Например, если при влагосодержании 0,3%, бумажная изоляция считается хорошо высушенной и имеет полный срок службы, то при влагосодержании 1,5% старение начинает ускоряться, а при влагосодержании более 3,3% процессы старения и окисления становятся опасными для изоляции.

Вода – сильнополярный диэлектрик, ее относительная диэлектрическая проницаемость равна 80, т.е. во много раз больше, чем у диэлектрических материалов, используемых во внутренней изоляции. В связи с этим сильное увлажнение может влиять на диэлектрическую проницаемость увлажненных слоев. При неравномерном увлажнении это обстоятельство может привести к искажению электрического поля в изоляции и снижению пробивного напряжения.

Увлажнение в принципе – процесс обратимый, т.е. адсорбированная влага может быть удалена из изоляции путем сушки. Однако сушка требует затрат времени и энергии. Для периодического контроля состояния изоляции электрооборудования высокого напряжения в эксплуатации используются методы, позволяющие обнаружить опасную степень увлажнения изоляции.

 

5. Изоляция электротехнических установок

 

5.1 Общие сведения

 

         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 несамовосстанавливающейся, поэтому она 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.

         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 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. Изготовление изоляции должно допускать применение современных прогрессивных технологий 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.

 

 

5.2 Высоковольтные изоляторы

 

         Изолятором, согласно ГОСТ 27744 – 88, называют электротехническое устройство, предназначенное для электрической изоляции и механического крепления электроустановок или их отдельных частей, находящихся 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 метрологических 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 трекингоскорость 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 1,5 мм составляет 30 – 40 кВ/мм и уменьшается при увеличении толщины. Электрическая стекла при тех же условиях составляет 45 кВ/мм. Механическая прочность фарфора и стекла зависит от вида нагрузки. Например, предел прочности обожженного фарфора составляет: при сжатии – 450 МПа, при изгибе – 70 МПа, а при растяжении – 30 МПа. 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 фосфором. Поэтому стеклянным изолятором можно придать более рациональную форму по сравнению с фарфоровыми и получить меньшие габариты при сохранении требуемых электрических характеристик [2].

         Еще большими преимуществами по сравнению с изоляторами из стекла и фарфора обладают полимерные изоляторы. 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 при монтаже контактных подвесок в искусственных сооружениях с ограниченными габаритами.

         Полимерная изоляция 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. В полимерных изоляторах и изолирующих элементах используются стеклопластиковые стержни диаметром 14 – 55 мм.

         Материал защитной оболочки полимерных стержневых изоляторов должен обладать высокой трекингоэрозионной стойкостью, дугостойкостью, устойчивостью к гидролизу, агрессивным средам и ультрафиолетовому облучению. Этим показателям удовлетворяет полиэтрафторэтилен (фторопласт-4), кремнийорганические резины (эластомеры) и этиленпропиленовые материалы. В последнее время в изоляторах защитные оболочки в основном выполняются из кремнийорганической резины [2].

         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, 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 заменит гирлянду изоляторов одним.

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

 

                                            Р(τ) = 1 – 0,0003τ,                                                   (5.1)

 

где- τ время с начала эксплуатации, годы;

0,0003 – коэффициент, характеризующий годовую повреждаемость.

         Срок службы полимерных изоляторов должен быть не менее 25 лет.

 

         5.3 Классификация изоляторов, требования и технология

 

Среди изоляторов по расположению токоведущей части различают опорные, проходные и подвесные изоляторы, по конструктивному исполнению различают тарельчатые, стержневые и штыревые изоляторы, а по месту установки различают линейные и станционные изоляторы.

 

5.4 Изоляторы воздушных линий электропередачи и подстанций

 

Линейные изоляторы применяются для подвески проводов в ЛЭП, контактной сети и гибких шин в открытых распределительных устройствах. Изоляторы воздушных линий электропередачи чаще всего бывают тарельчатые, штыревые и стержневые.  Подвесные изоляторы делятся на тарельчатые и стержневые. Изоляторы для контактной сети делятся по назначению на подвесные, натяжные, фиксаторные и консольные и изолирующие элементы.

Эти изоляторы спроектированы так, чтобы в сухом состоянии пробивное напряжение превышало напряжение перекрытия примерно в 1.6 раза, что обеспечивает отсутствие пробоя при перенапряжениях. Для повышения надежности изоляции и повышения разрядных напряжений тарельчатые изоляторы соединяют в гирлянды. Узел крепления у тарельчатых изоляторов выполнен шарнирным, поэтому на изолятор действует только растягивающая сила.

Стержневые изоляторы изготавливают из высокопрочного фарфора и из полимерных материалов. Механическая прочность фарфоровых стержневых изоляторов меньше, чем у тарельчатых, поскольку фарфор в стержневых изоляторах работает на растяжение, а иногда и на изгиб, а в тарельчатых – на сжатие внутри чугунной шапки изолятора.

Несущей конструкцией полимерного изолятора обычно является стеклопластиковый стержень, имеющий слабую дугостойкость. Этот стержень закрывают ребристым чехлом из кремнийорганической резины или фторопласта, которые обладают отталкивающими свойствами к влаге и загрязнениям.

Штыревые изоляторы крепятся на опоре с помощью металлического штыря или крюка. Из-за большого изгибающего усилия на такой изолятор применяют штыревые изоляторы на напряжения не выше 35 кВ.

Подвесные изоляторы используют на напряжение 35 кВ и выше.

В качестве станционных изоляторов используются опорные изоляторы, в основном стержневого типа, проходные изоляторы разных типов и подвесные изоляторы (гирлянды тарельчатых изоляторов).

Все линейные изоляторы по месту их расположения относятся к 1-й категории. Они подвергаются действию увлажнений и загрязнений, которые снижают напряжение перекрытия. Аппаратные изоляторы по месту их расположения могут выполняться всех пяти категорий.

На рисунке 5.1 показано 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 – конструктивные исполнение. Механическая разрушающая сила на изгиб 12,5 кН. Длина пути утечки 265 мм. Провод крепится на верхней или боковой бороздке изолятора с помощью вязки или специальных зажимов.

Рисунок 5.1- Штыревой линейный изолятор типа ШФ-10Г

 

                   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.   

Рисунок 5.2- Подвесной стеклянный тарельчатый изолятор типа ПС 120-Б

 

         На рисунке 5.2 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 320 мм.

         Основу изолятора составляет стеклянное тело – тарелка l, 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. 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, не происходит падения провода на землю.

На рисунке 5.3 приведена конструкция полимерного консольного стержневого изолятора КСК 120-6-3/0,6.

Рисунок 5.3- Консольный стержневой изолятор типа КСК 120-6-3/0,6

 

         Обозначение расшифровывается следующим образом: К – консольный, С – стержневой, К – оболочка из кремнийорганической резины, 120 – класса 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.

 

5.5 Аппаратные изоляторы

 

         Аппаратные 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.

На рисунке 5.4 показан опорной фарфоровый изолятор типа ОФ на напряжение 6 кВ для работы внутри помещения, а на рисунке 4.5 – опорный штыревой 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 ОНШ, показанного на рисунке 5.5, составляет 5 кН.

                                             

 

Рисунок 5.4- Опорный изолятор ОФ для работы в помещении на напряжение 6 кВ

 

1-штырь; 2- фарфор; 3- шапка; 4-ц.

Рисунок 5.5- Опорный штыревой изолятор типа ОНШ на напряжение 10 кВ

Рисунок 5.6- Опорный стержневой полимерный изолятор ИОСК 6-80-1УХЛ на напряжение 10кВ

 

На рисунке 5.6 показана конструкция опорного стержневого полимерного изолятора ИОСК 6-80-1 УХЛ на напряжение 10 кВ. Наибольшее рабочее напряжение 12 кВ. Минимальная механическая разрушающая сила на изгиб не менее 6 кН. Испытательное напряжение грозовых импульсов не менее 80 кВ. Длина пути утечки 22 мм. Одноминутное испытательное напряжение частоты 50 Гц в сухом состоянии и под дождем не менее 42 и 28 кВ. 50%-ное разрядное напряжение промышленной частоты в загрязненном и увлажненном состоянии 12 кВ при удельной поверхностной проводимости слоя загрязнения 10 мкСм.

Опорные стержневые изоляторы для работы на открытом воздухе отличаются от таких же изоляторов для работы в помещении большим количест-

 

вом 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 рисунке 5.7. Они состоят из изоляционного фарфорового тела, токоведущего стержня и фланца, с помощью которого изолятора укрепляется на стене, перекрытии или ограждении. Проходные изоляторы так же, как изоляторы других типов, конструируют так, чтобы пробивное напряжение их внутренней изоляции превышало разрядное напряжение по поверхности. Проходные изоляторы на напряжение более 35 кВ имеют более сложную конструкцию и называются вводами.

Рисунок 5.7- Проходные изоляторы: а и б – для работы в помещении; в и г –для работы на открытом воздухе; а и б –на 6 кВ; б и г –на 35кВ

 

Основными характеристиками изоляторов являются разрядные напряжения, геометрические параметры и механические характеристики, а также номинальное напряжение электроустановки.

К разрядным напряжениям изоляторов относят три напряжения перекрытия и одно пробивное напряжение:

а) сухоразрядное напряжение Uсхр – напряжение перекрытия чистого сухого изолятора при напряжении частотой 50 Гц;

б) мокроразрядное напряжение Uмкр – напряжение перекрытия чистого изолятора, смоченного дождем, падающим под углом 45^о к вертикали, с интенсивностью 5мм/мин, при напряжении частотой 50 Гц);

в) импульсное разрядное напряжение Uимп – пятидесятипроцентное напряжение перекрытия стандартными грозовыми импульсами (амплитуда импульса, при которой из десяти поданных на изолятор импульсов пять завершаются перекрытием, а оставшиеся пять не приводят к перекрытию);

г) пробивное напряжение Uпр – напряжение пробоя изоляционного тела изолятора на частоте 50 Гц. Редко используемая характеристика, поскольку пробой вызывает необратимый дефект изолятора.

У подвесных тарельчатых изоляторов мокроразрядное напряжение в 1,8-2 раза меньше сухоразрядного напряжения, у стержневых изоляторов различие не столь велико, порядка 15-20%. Импульсное разрядное напряжение практически не зависит от увлажнения и загрязнения изолятора и обычно примерно на 20% больше амплитуды сухоразрядного напряжения. Загрязнения на поверхности изолятора сильно снижают мокроразрядное напряжение.

К геометрическим параметрам относят следующие:

а) строительная высота Hc, то есть габарит, который изолятор занимает в конструкции после его установки; у некоторых изоляторов, например, у тарельчатых подвесных, строительная высота меньше реальной высоты изолятора;

б) наибольший диаметр D изолятора;

в) длина пути утечки по поверхности изолятора lу;

г) кратчайшее расстояние между электродами по воздуху lс (сухоразрядное расстояние), от которого зависит сухоразрядное напряжение;

д) мокроразрядное расстояние lм, определяемое в предположении, что часть поверхности изолятора стала проводящей из-за смачивания дождем. Длина пути утечки изолятора нормируется ГОСТ 9920-75 для различных категорий исполнения и в зависимости от степени загрязненности атмосферы. Эффективной длиной пути утечки называют длину пути, по которому развивается разряд по загрязненной поверхности изолятора.

 Основными механическими характеристиками изоляторов являются три следующие характеристики:

а) минимальная разрушающая сила на растяжение, имеющая преимущественное значение для подвесных изоляторов;

б) минимальная разрушающая сила на изгиб, имеющая преимущественное значение для опорных и проходных изоляторов;

в) минимальная разрушающая сила на сжатие, которая для большинства изоляторов имеет второстепенное значение.

Измеряют минимальную разрушающую силу в деканьютонах (даН), что почти совпадает с килограммом силы, или в килоньютонах (кН).

 

5.6 Распределение напряжения вдоль гирлянды изоляторов

 

Напряжение, приложенное к гирлянде изоляторов, распределяется неравномерно, и на разные изоляторы приходятся разные доли напряжений, что снижает напряжение начала короны и напряжение перекрытия гирлянды. В наиболее неблагоприятной ситуации оказывается изолятор, ближайший к проводу. Основной причиной неодинаковых напряжений на изоляторах можно считать наличие паразитных емкостей металлических частей изоляторов по отношению к земле. В гирлянде можно различить три вида емкостей: собственные емкости изоляторов C₀, емкости металлических частей по отношению к земле C₁ и емкости по отношению к проводу C₂. Порядок величин емкостей примерно таков: C₀.50 пФ, C₁.5 пФ, C₂.0.5 пФ. При переменном напряжении по емкостным элементам протекает емкостный ток, и ток первого снизу изолятора разветвляется на ток емкостного элемента по отношению к земле и ток оставшейся части гирлянды. Через второй снизу изолятор течет емкостный ток меньшей величины, и падение напряжения максимально на нижнем, ближайшем к проводу изоляторе, который находится в наихудших условиях. При числе изоляторов больше трех-четырех минимальное напряжение приходится, однако, не на самый верхний изолятор. Наличие емкостей C₂ приводит к некоторому выравниванию неравномерности падения напряжения, и минимальное напряжение оказывается на втором-третьем изоляторе сверху. Для выравнивания напряжения по изоляторам гирлянды применяют экраны в виде тороидов, овалов, восьмерок, закрепляемых снизу гирлянды; на линиях с расщепленными фазами утапливают ближайшие изоляторы между проводами расщепленной фазы; расщепляют гирлянду около провода на две. Все эти меры выравнивают распределение напряжения из-за увеличения емкости C₂.

 

5.7 Технология изготовления изоляторов

 

Одним из широко применяемых материалов для изоляторов является электротехнический фарфор. Исходная масса состоит из глинистых веществ (42-50%), кварца (20-25%), калиевого полевого шпата (22-30%), измельченных бракованных фарфоровых изделий (5-8%) и воды. Отощающие материалы (кварц, полевой шпат или пегматит), бракованные фарфоровые изделия подвергаются измельчению сначала гранитными катками (бегунами), затем на шаровых мельницах, пропускают через сито, очищают магнитной сепарацией, распускают в воде. Полученная масса (шликер) содержит 45-50% воды. Затем под давлением 6-8 атм ее пропускают через фильтр-пресс, получают коржи с 25% содержанием влаги, перерабатывают с помощью вакуум-пресса в пластическую массу, из которой выдавливают заготовки для изоляторов. Изоляторы изготавливают прессованием в гипсовых и стальных формах и другими методами, далее обрабатывают на токарных станках. Затем они поступают в сушильные печи, где их влажность снижается до 0,5-2%. Высушенные фарфоровые изделия покрывают жидкой глазурной суспензией (глазурью). Термическую обработку – обжиг изоляторов производят в туннельных печах непрерывного действия. Изоляторы изготавливают также из закаленного электротехнического стекла и полимерных материалов (кремнийорганическая резина, стеклопластик, фторопласт). Закаленное электротехническое стекло является дешевым материалом. Сырье – кварцевый песок, сода, доломит, мел и некоторые другие компоненты. Смесь этих веществ в определенной пропорции называется шихтой. Шихта загружается в стекловаренную печь и при нагревании до 1600^оС плавится, образуя жидкую стекломассу, из которой изготавливают различные стеклянные изделия. Так, посредством вытягивания изготовляют листовое стекло, а посредством прессования получают изоляторы.

Структура полимерного изолятора следующая. Стержень состоит из эпоксидного волокнита или электроизоляционного стеклопластика, т.е. ровинг из стеклянных волокон, связующее из эпоксидноциклоалифатической, полиэфиримидной или эпоксиднодиановой смолы. В качестве защитного корпуса применяется кремнийорганическая или, так называемая, силиконовая резина. Оконцеватель выполняется из углеродистой стали или ковкого железа и прессуется на концы стержня с нанесенным полимером на специальных прессах. Защитный корпус формируется на поверхности стержня монолитно на прессах, или набирается “шашлычным” методом, нанизывая на стержень готовые изоляционные кожухи.  Преимущества полимерных изоляторов:

а) выдерживаемое напряжение в зоне сильного загрязнения;

б) стойкость к вандализму;

в) легкий вес;

г) простота в транспортировке и монтаже.

Недостатки:

а) старение органического материала;

б) излом при сильном изгибе;

в) порча поверхности птицами; излом при грубом обращении и неправильном монтаже.

 

6 Изоляция электрических машин и требования к ним

 

6.1 Изоляция электрических машин высокого напряжения

 

К электрическим машинам высокого напряжения относятся турбогенераторы, гидрогенераторы, синхронные компенсаторы, синхронные и асинхронные двигатели большой мощности с номинальными напряжениями 3 кВ и выше.   Стоимость изоляции в электрических машинах составляет 50 – 80% стоимости всех других ее материалов. Поэтому к изоляции вращающихся машин предъявляются очень высокие требования в отношении надежности и сроков службы. Активные материалы, т.е. медь обмотки и сталь статора или якоря, работают в электрических машинах при больших удельных нагрузках (плотностях токов и индукциях). Соответственно потери мощности в единице объема этих материалов получаются высокими, и для эффективного отвода выделяющегося тепла требуются большие перепады температур активных частей над температурой охлаждающей среды. Поскольку тепло от меди отводится через изоляцию, она должна обладать высокой теплопроводностью и выдерживать высокую температуру. В связи со сказанным во вращающихся машинах используют изоляцию классов В (130⁰С) и Н (180⁰С).

В электрических машинах изоляция работает в условиях постоянной вибрации, особенно сильной на лобовых частях обмотки. Кроме того, она периодически подвергается ударным механическим воздействиям, возникающим при прохождении по обмотке больших токов при пуске и торможениях машин, а также при набросе и сбросе нагрузки. Неравномерный нагрев отдельных частей обмотки в переходных режимах также приводит к деформации изоляции. Наиболее опасные механические напряжения возникают на участках выхода обмотки из пазов. Основное требование к изоляции электрических машин – в пределах требуемого ресурса противостоять указанному выше комплексу эксплуатационных воздействий.

В современных машинах, как правило, используются двухслойные обмотки, когда в одном пазу располагаются катушки двух разных секций (см. рисунок 6.1).  

В электрических машинах высокого напряжения изоляцию обмоток статоров разделяют на следующие виды:

а) корпусная или главная изоляция – между обмоткой и сталью статора;

б) междуфазная изоляция – между обмотками различных фаз;

в) витковая или продольная изоляция – между витками одной секции или между катушками;

г) изоляция элементарных проводников – между проводниками в одном витке или стержне обмотки.

В зависимости от номинального напряжения, мощности и типа машины (турбо- или гидрогенераторы, синхронные компенсаторы, электродвигатели) и способа охлаждения применяются разнообразные конструкции корпусной изоляции и различные изоляционные материалы.   

 

 1- элементарный проводник; 2- изоляция проводника; 3- витковая изоляция;4- изоляция катушки (корпусная изоляция); 5- полупроводящее покрытие; 6- паз; 7- прокладки из миканита; 8- клин

 

Рисунок 6.1- Разрез пазовой части обмотки вращающейся машины

 

В генераторах старых конструкций применялась термопластичная непрерывная микалентная компаундированная изоляция на основе битумного лака, которая как в пазовой, так и в лобовой части выполнялась из одного и того же материала - микаленты, наматываемой на стержень слоями вполнахлеста.

В современных конструкциях преимущественно применяются термореактивная изоляция различных типов таких, как Монолит-1, Монолит-2, Монолит-3, Монолит-4, ВЭС-2, Слюдотерм, Монотерм, о которых будет сказано ниже. В них применяются:

а) стекломикалента, состоящая из лепестков слюды и двойной подложки из стеклоткани;

б) стеклослюдинитовая или стеклослюдопластовая лента, представляющая собой композицию из слюдобумаги и подложки из стеклоткани.

Главная изоляция в связи с очень жесткими требованиями к электрической и механической прочности и нагревостойкости выполняется только на основе слюдяных изоляционных материалов. В них основным диэлектрическим барьером служат слюдинитовые ленты, изготовленные из слюды двух разновидностей: мусковит и флогопит (см. таблицу 6.1).

 

Таблица 6.1- Электрические свойства слюды

Виды слюды	p, Ом·м	εr	tgδ при частоте 50Гц
Мусковит	1012 – 1016	6 – 8	0,015
Флогопит	1011 – 1012	5 – 7	0,05

 

Слюда относится к высшему классу нагревостойкости С (допустимая температура более 180⁰С). Для изоляции электрических машин слюду используют в виде клееных слюдяных изоляций – миканитов. Миканиты бывают листовые или ленточные из слюдинитовой бумаги. Миканиты – листовые или рулонные материалы, склеенные из отдельных лепестков слюды с помощью клеящего лака или сухой смолы, иногда с применением волокнистой подложки из бумаги или ткани, которые наклеиваются с одной стороны или с обеих сторон. Подложка увеличивает прочность материала на разрыв и затрудняет отставание лепестков слюды при изгибе материала.

Вследствие большого содержания слюды миканиты обладают сравнительно высокой нагревостойкостью и относятся к классу В (130⁰С) даже при употреблении обычных клеящих веществ и органических подложек. При использовании специальных клеящих веществ и неорганических подложек получаются материалы классов F (155⁰C) и Н (180⁰С), а нагревостойкие (без содержания органических веществ) мканиты, как и чистая слюда, относятся к классу нагревостойкости С. Для пазовой изоляции применяются гибкие миканиты. Разновидностью гибкого миканита является микалента. В настоящее время из слюдяных отходов изготавливают слюдяные бумаги – слюдиниты и слюдопласты, которые во многих случаях заменяют микаленты.

В качестве пропиточных составов в настоящее время применяются пропиточные компаунды типа КП-99ИД на основе эпоксидных и полифирных смол. Такой состав после полимеризации  не размягчается при нагреве,  а сама изоляция называется термореактивной (в отличие от компаундированной термопластичной изоляции с масло битумными связующими). В качестве  подложки использует стеклоткань. Термореактивные смолы способны к затвердеванию при нагревании до определенной температуры и не подвержены размягчению при повторных нагреваниях. Наиболее распространены эпоксидные смолы, затвердевающие при температуре 150-160^оС.

Слюдобумага на стеклянной подложке значительно гибче, чем обычные микаленты, и допускают более плотную обтяжку в процессе изолирования. Она более равномерна по толщине и дает возможность получить изолированные стержни с меньшими допусками по сечению. Важное преимущество слюдобумаг заключается в их поведении при температурных деформациях меди. Коэффициент теплового расширения меди в среднем в пять – шесть раз больше, чем у слюды. При удлинении меди связь листков слюды друг с другом и с медью нарушается. При нарушении механической связи возникает вспучивание изоляции. В слюдобумагах мелкие чешуйки слюды связаны между собой мостиками из синтетической смолы, которые воспринимают усилия расширения, благодаря чему нарушения общего строения изоляции не происходит.

В настоящие время слюдяные ленты выпускается двух типов: предварительно пропитанные и непропитанные. Слюдяные ленты, имеющие долю связующего вещества в пределах 35-40%, относят к классу предварительно пропитанных (ЛСМ, ЛСК), а имеющие 5-11% - к  классу непропитанных (ЛСКН, ЛСКО).

Из предварительно пропитанных лент изготовляют изоляцию типа Слюдотерм и Монотерм. За рубежом эта технология называется RR(resin rich). После намотки таких лент на токоведущие части осуществляется их опрессовка и отверждение под давлением при температуре 160⁰С. Технология c предварительно пропитанными лентами широко применяется на электромашиностроительных заводах при изготовлении крупных электрических машин, тяговых электродвигателей. Одним из преимуществ данной технологии является полная ремонтопригодность электрических машин.

Из непропитанных лент изготовляют изоляцию типа Монолит. На изолируемые части наматывается сухая лента, затем производится вакуумно-нагнетательная пропитка горячим составом обмотки в корпусе статора или отдельно до значения 35 – 40%, опрессовка и полимеризация (запечка) пропиточного состава. За рубежом технология с вакуумно-нагнетательной пропиткой называется VPI (vacuum pressure impregnation), а технология пропитки изоляции в сборе с сердечником статора или якоря получила название Global-VPI [3].

По сравнению с компаундированной термореактивная изоляция в нагретом состоянии имеет в 1,5 – 2 раза более высокую электрическую прочность, в 4 – 5 раз большую прочность на разрыв и в 3 – 4 раза меньшие диэлектрические потери. Однако она более хрупкая.

При изготовлении изоляции Монолоит основное связующее вводится в процесс вакуумно-нагнетательной пропитки. Из-за наличия небольшого количества технологического связующего в непрапитонной ленте слюдяная бумага легко повреждается при изолировочных работах. Поэтому сохранение целостности слюдяного барьера при изготовлении изоляции является важной составной частью технологии Монолит. В новых лентах Элмикапор АО «Элинар», за счет модификации технологического связующего, повышена адгезионная прочность слюдяных бумаг к подложке, что позволяет снизить вероятность повреждения слюдяного барьера в процессе переработки. Основные показатели новой ленты находятся на уровне требований лучших зарубежных аналогов. Для ослабления сцепления секций обмотки с сердечником статора и устранения повышенных термомеханических напряжений в изоляции используют антиадгезионный слой. Это позволяет повысить срок службы изоляции.

Для устранения частичных разрядов в воздушных слоях между поверхностью изоляции и стенками пазов и особенно скользящих разрядов по поверхности изоляции в местах выхода обмотки из паза, где электрическое поле получается резко неоднородным, применяют полупроводящие лаки и проводящую ленту ЭЛКОНД-1 толщиной 0,085 мм, предварительно пропитанную проводящим связующим. Удельное поверхностное сопротивление ленты ЭЛКОНД-1 после отверждения составляет 10⁵ Ом.

В качестве примера приведем описание конструкции изоляции обмотки якоря тягового электродвигателя типа НБ-418 К6 электровоза ВЛ80с. Каждая катушка обмотки состоит из четырех элементарных проводников, расположенных в пазу плашмя и выполненных из проводов ПЭТВСД. Корпусная изоляция якорных катушек выполнена из четырех слоев предварительно пропитанной слюдинитовой ленты ЛСЭК толщиной 0,1 мм, наложенных с перекрытием в половину ширины ленты, одного слоя фторопластовой ленты толщиной 0,02 мм, наложенной с перекрытием в 1/4  ширины ленты, и одного слоя стеклоленты толщиной 0,1 мм, наложенной встык. Обмотку 3 раза пропитывают в лаке ФЛ-98, в том числе один раз вакуум-нагнетательным способом. В качестве пазового клина 8 (см. рисунок 6.1) используют профильный стеклопластик типа СПП-180-У толщиной 5 мм. Повышенные физико-механические характеристики стеклопластика достигаются за счет комбинированной ориентации стекловолокон в продольном и поперечном направлениях. Класс нагревостойкости Н. Стеклопластик не токсичен, но при механической обработке выделяется стеклянная пыль, и рабочие места должны быть оборудованы воздухоотсосами.

Витковая изоляция выполняется обычно из стеклослюдяной ленты или на основе эмалированных проводов со стекловолокнистой обмоткой, пропитанных эпоксидным компаундом.

Итак, изоляция статорных обмоток элек­трических машин может быть разде­лена на следующие части:

а) изоля­ция между параллельными проводни­ками одного витка;

б) изоляция меж­ду витками;

в) изоляция относительно корпуса (главная изоляция); г) изоля­ция между слоями.

Изоляция   между   параллельными проводниками одного витка не подвергается действию высокого напряжения и поэтому выполняется в машинах небольшой и средней мощности в виде изоляции обмоточных медных проводов, а в мощных машинах с обмоткой   стержневого типа дополнительно   используются  прокладки из  миканита между полустержнями и в местах перехода.

Изоляция   между   витками    для машин сравнительно небольшой мощности и напряже­ния до 11 000 В обычно состоит из изоляции обмоточной меди и одного слоя хлопчатобумажной ленты, синтоленты, микаленты; для более мощных машин или на более высокие напряжения для витковой изоляции применяют­ся один - два слоя микаленты и один слой стеклоленты (пропитанной кремнийорганическими лаками).

Изоляция между слоями представляет собой двойную изоляцию относительно корпуса с до­бавлением прокладки из электрокартона.

Главная изоляция, т. е, изоляция относительно кор­пуса (см. поз. 4, рисунка  6.1), имеет два основных конструк­тивных выполнения:

а) непрерывная изоляция, при которой катушки или стержни изолируются по всей длине одним и тем же материалом в виде изоляционной ленты (микаленты, синтоленты и др.);

б) гильзовая изоляция, при ко­торой пазовые части катушек или стержней изолируются с помощью микафолиевых гильз, а лобовые части — посредством нескольких слоев изоляционной ленты (микаленты, лакотканевой ленты).

Гильзовая изоляция относится к старейшей машинной изоляции. Основными недостатками ее явля­ются сложность производства и не­равномерная   прочность  изоляции. В отечественной промышленно­сти для электрических машин высо­кого напряжения применяется непрерывная изоляция.

При непрерывной микалентной компаундированной изоляции стержень или секцию (см. рисунок 6.2) по всей дли­не, включая лобовые части, обматывают слоями мика­ленты и после намотки определенного числа слоев под­вергают компаундировке, которая повторяется по мере на­матывания определенного числа новых слоев микаленты.

 

 

1-проводники; 2 – изоляция проводников; 3-витковая      изоляция (микалента); 4-главная корпусная изоляция (микалента); 5- покровная лента.

 

Рисунок 6.2- Разрез секции с   непрерывной    микалентной компаундированной изоляцией

 

Компаундированная изоляция становится монолит­ной, крупные воздушные включения в ней отсутствуют, теплопроводность повышается. Одинаковое выполнение изоляции как пазовой, так и лобовой части стержня или секции обеспечивает почти равные пробивные на­пряжения этих частей. Единственным незначительно ослабленным местом является угол стержня (изгиб в лобовой части).

Непрерывная изоляция из микаленты по сравнению с гильзовой обладает более высокой нагревостойкостью, влагостойкостью, озоностойкостью, эластично­стью, меньше подвержена старению. Электрическая прочность непрерывной микалентной изоляции достигает 20 кВ/мм, a tgδ имеет порядок 0,04.

Недостатком непре­рывной компаундирован­ной изоляции по сравне­нию с гильзовой являет­ся снижение допустимой температуры нагрева (105 вместо 120°С), что обу­словлено опасностью вы­текания компаунда.

На рисунке 6.3 представ­лена кривая зависимости толщины главной изоляции от номинального напряжения для статорных обмо­ток стержневого типа мощных гидро- и турбогенерато­ров. Меньшая толщина изоляции в пазу по сравнению с лобовой частью объясняется большей плотностью на­мотки на прямых частях и последующей опрессовкой.

Непрерывная изоляция в последних конструкциях машин высокого напряжения заменяется более одно­родной изоляцией, в которой применяются изоляцион­ные ленты на основе слюды с подложкой из стеклотка­ни и связующими материалами на основе синтетических смол (полиэфирных, эпоксидно-алкидных и др.). Вме­сто компаундировки применяется однократная пропит­ка изоляции синтетическими смолами в пресс-формах, охватывающих пазовую и лобовые части, а также ги­дравлическая опрессовка в котле без специальных пресс-форм.  Электрическая  и  механическая   прочность непрерывной изоляции новых конструкций значительно выше.

 

1 — толщина микаленты в пазовой ча­сти; 2 — общая толщина в пазовой ча­сти; 3 — общая толщина в лобовой части

 

Рисунок 6.3 - Зависимость толщины главной изоляции от номинально­го напряжения машины.

 

Непрерывная изоляция обматывается снаружи слоем покровной ленты для защиты от механических повреждений, при этом на напряжение 6 кВ и выше при­меняются специальные покрытия, предотвращающие появление на поверхности изоляции короны и других видов электрических разрядов.

Возникновение ко­роны возможно в узких воздушных промежут­ках между поверхно­стью твердой изоляции и стенкой паза, в обла­сти вентиляционых каналов, при выходе секции из паза.

Коронирование может быть исключено, а распре­деление напряжения выравнено путем при­менения специальных полупроводящих по­крытий. Изоляцию в пазовой части покрывают полупроводящей (железо-асбестовой) лентой, принимающей потенциал стенок паза.                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                          

 

 

а - при отсутствии проводящих покрытий;б - при наличии проводящих покрытий. 1- сталь статора; 2 – поверхность изоляции; 3-медь.

 

Рисунок 6.4 - Схемы замещения изоляции при выходе провода из паза

 

Лента    накладывается впритык в пазовой части и несколько выступает над краем паза. Кроме устранения коронирования, полупро­водящие ленты выравнивают поле под вентиляционными каналами.

Напряженность в местах выхода проводов из пазов могут быть уменьшены, если полупроводящие покрытия продлить за пределы паза и особенно если это покрытие осуществить двухступенчатым.

Роль проводящих покрытий поясняют схемы заме­щения рисунка 6.4. При отсутствии покрытия (см. рисунок 6.4,а) изоляция лобовой части замещается простейшей ем­костной цепочкой с резко неравномерным распределением напряжения (см. рисунок 6.5, кривая 1). При нанесении проводящих покрытий (см. рисунок 6.4,6) продольные емко­сти CQ шунтируются сопротивлениями , при <<1/ωC₁ получается омически-емкостная цепочка, кривая изменения на­пряжения в которой зависит от произведе­ния rωC₁ (см. рисунок 6.5, кривые 2). Максимальную на­пряженность у выхода провода из паза мож­но регулировать изме­нением удельного со­противления и длиной покрытия. Длина по­крытия принимается такой, при которой обеспечивается доста­точное падение потен­циала вдоль него. При меньших длинах со­здаются большие на­пряженности у края покрытия (см. рисунок 6.5, кривые 3), а за преде­лами покрытия омически-емкостная цепочка переходит в емкостную.

Наиболее рациональное распределение напряженностей (см. рисунок 6.5, кривые - 4) можно получить применением покрытия из двух ступеней с различными удельными сопротивлениями. Такое покры­тие осуществляется при помощи полупроводящих масляно-сажевых лаков с различным поверхностным сопро­тивлением.

Требуемая длина полупроводящих покрытий выби­рается с таким расчетом, чтобы напряженность элек­трического поля при рабочем напряжении машины не превосходила 20 кВ_действ/см.

 

             

а– кривые потенциалов у поверхности изоляции провода; б – кривые напряженностей. 1- без покрытия;  2- полупроводящее покрытие большой длины;  3 - полупроводящее покрытие малой длины; 4 – двухступенчатое покрытие.

 

Рисунок 6.5 – Характер распределения потенциалов и напряженностей у края паза

Пробивные напряжения при промышленной частоте изоляции статорных обмоток имеют большой разброс, что объясняется в основном неоднородностью изоляции (наличие различных материалов с различными харак­теристиками, особенности конструктивного выполнения и др.

В таблице 6.1 приведены величины пробивных напря­жений и напряженностей для новой изоляции при веро­ятности пробоя 50%. Эти величины получены на осно­вании многочисленных измерений по кривым вероятно­сти пробоя изоляции. В этой же таблице даны величи­ны рабочих напряженностей, которые вычислены путем деления фазового напряжения на толщину изоляции, а также приводятся значения коэффициентов запаса по отношению к фазовому и линейному напряжению.

Как видно из таблицы 6.1, с увеличением напряжения рабочая напряженность Е_раб растет, а пробивная на­пряженность Е_пр уменьшается, следовательно, запас прочности с увеличением напряжения снижается. Боль­шой запас прочности новой изоляции оправдывается тем, что в процессе эксплуатации изоляции стареет и ее прочность снижается. Отклонения пробивных напряжений от напряжения при 50%-ной вероятности (см. таблицу 6.1) могут достигать 40%', а если учесть, что при повышении температуры об­моток машины до 75° С пробивные напряжения сни­жаются на 10—15%, то минимальные пробивные напряжения изоляции в горячем состоянии могут быть при­мерно в 2 раза меньше величин, приведенных в таблице 6.1.

 

Таблица 6.1 Пробивные напряжения и напряженности изоляция вращающихся машин

U. кв	6,6	10,5	15,7
Uпр, кВдейст	51,0	63,0	75,6
Ераб, кВдейст/	1,7	2,0	2,1
Епр, кВДей/	18,9	19,0	14,5
Uпр/ Uф	11,0	8,5	6,8
Uпр/ Uлин	7,7	6,0	4,8

 

Пробивные напряжения при импульсах изоляции статорных обмоток зависят от формы волны, амплитуды и числа импульсов. Как правило, они имеют большой разброс.

Для импульсных пробоев характерно так называемое самовосстановление изоляции, т. е. свойство изоляции после пробоев импуль­сами восстанавливать свою электрическую прочность в течение времени от нескольких микросекунд до не­скольких десятков ми­кросекунд. Исследова­ние места разряда в изоляции показало, что разряд происходит по извилистому пути  (длина разряда значительно превосходит толщину изоляции).                                                                                                                                                                                                                                         

В  замкнутом извилистом канале создается вы­сокое давление газов испаренной изоляционной массы (под действием высокой температуры), которое и гасит дугу. Повторные разряды обычно проходят по новым путям.

В результате явления самовосстановления изоляции ее прочность мало снижается после воздействия им­пульсов.

Снижение импульсной прочности в зависимости от числа импульсов характеризуется кривой рисунка 6.6. Импульсная прочность изоляции в горячем состоянии ниже, чем в холодном; она снижается с ростом темпе­ратуры и времени воздействия напряжения.

 

 

Рисунок 6.6. Кривая зависимости импульсного пробивного напряжения от числа импульсов

 

Кратковременная электрическая прочность корпусной изоляции при толщинах от 3 до 12 мм характеризуется на частоте 50 Гц средней электрической прочностью 30..35 кВ/мм. Однако рабочие напряженности электрического поля, в связи с нестабильностью характеристик, выбираются на уровне 2-4 кВ/мм. При рабочих напряженностях в высоковольтных электрических машинах в течение длительного времени существуют частичные разряды (ч.р.) заметной интенсивности, которые слабо влияют на надежность и долговечность изоляции, поскольку слюда весьма стабильна к воздействию ч.р.

Тангенс угла диэлектрических потерь tgδ изоляции статорных обмоток имеет резкую зависимость от тем­пературы: с увеличением нагрева обмотки tgδ резко возрастает, а при остывании снижается, если напряже­ние незначительно превосходит номинальное. Одновременное действие повышенного напряжения и температу­ры приводит к необратимому увеличению tgδ.

Увлажнение изоляции крупных электрических ма­шин в результате поглощения влаги из воздуха возмож­но только тогда, когда машина не работает (во время транспортировки, монтажа, длительного ремонта и т. п.). При этом различные части изоляции увлажняются по-разному в зависимости от материала, из которого они сделаны. Во время нормальной работы электрической машины изоляция ее не подвергается опасности увлаж­нения, так как большинство крупных машин имеет за­мкнутую систему вентиляции (циркулирующий охлаж­дающий газ или воздух не сообщается с внешней сре­дой); кроме того, переход влаги от холодного воздуха к разогретой изоляции весьма затруднен.

Токоведущая часть стержней выполняется прямоугольной формы, и электрическое поле в пазах неоднородно. Степень неравномерности электрического поля характеризуется коэффициентом неравномерности k_н=E_max/E_ср, который определяется в основном отношением радиуса закругления меди r к толщине изоляции d. Для снижения неоднородности поля углы стержней закругляют или применяют экраны (прокладки) из алюминия. Обычно r  принимается равным 0,6-1,5 мм, что обеспечивает в современных конструкциях приемлемое значение k_н= 2,0-2,4.

При конструировании изоляции электрических машин большое внимание уделяется ослаблению влияния короны, частичных разрядов, возникающих в пазовой части изоляции, и скользящих разрядов, возникающих в месте выхода обмотки из паза. Для избежания опасного влияния этих разрядов используются следующие мероприятия:

а) применение изоляции с повышенной стойкостью к воздействию частичных разрядов (слюдосодержащие типы изоляции);

б) регулирование электрического поля.

В пазовых частях изоляция покрывается полупроводящми покрытиями (асбестожелезистыми лентами), ослабляющими электрическое поле в газовых включениях и воздушных зазорах между изоляцией и стенками пазов, что уменьшает частичные разряды в этих включениях.  В лобовых частях обмоток для устранения разрядов применяется регулирование поля путем покрытия поверхности изоляции в зоне выхода из паза полупроводящими лаками различной проводимости. Выбор толщины изоляции и рабочей напряженности основывается главным образом на эксплуатационном опыте. Установлена связь между толщиной изоляции d и номинальным напряжением машин U_ном , которая может быть апроксимирована формулой

 

                             d = 1,45 + 0,24 U_ном,                                                   (6.1)

где d - выражено в миллиметрах,

U_ном - в килвольтах.

 

6.2 Технология изготовления термопластичной изоляции

 

Компаундированная термопластичная изоляция на асфальто-битумных связующих выполняется по методу непрерывного изолирования стержней микалентой на асфальтовом лаке. Сущность процесса заключается в том, что здесь метод горячей прессовки прямых участков секции в пресспланках заменяется компаундированием, т.е. гидростатической прессовкой в котлах с предварительной сушкой секции в вакууме.

Технологический процесс изготовления компаундированной обмотки протекает в следующем порядке.

1  После заготовки и формовки плетеного стержня пазовая часть подвергается прессовке в планках для получения надлежащего сечения стержня.

2 Стержни, закрепленные в раме, помещают в котел, где их нагревают и сушат. Сушка в вакууме ведется при температуре 150-160^оС. Сушка перед пропиткой имеет целью удалить максимальное количество влаги и воздуха, содержащееся в собственно изоляции проводников и между ними. Качество сушки определяется степенью вакуума в котле; практически достигает 15-20 мм рт. ст. Выдержка в вакууме длится 4 ч., причем к концу сушки температура стержня должна точно равняться температуре пропиточного компаунда, чтобы при впуске его избежать внезапного изменения температуры стержней.

3 Затем производят пропиточное компаундирование. В котел впускают жидкий компаунд до полного погружения стержней, повышают давление до 6-7 ати. При постоянной температуре 150-165^оС стержни выдерживают 4 ч.

4 Раму выгружают из котла. Стержни очищают от излишков компаунда и приступают к наложению изоляции - вручную или на специальных намоточных станках. Число слоев изоляции определяется рабочим напряжением по соответствующей таблице.

5 Перед каждым прессовочным компаундированием стержни подвергаются сушке. Весь процесс, начиная от сушки перед пропиткой и кончая последним прессовочным компаундированием, занимает до 76 часов.

Главные недостатки существующих типов изоляции сводятся к следующему:

- как микалента, так и микафолий представляют собой композицию из лепестков слюды, наклеенных на бумажную подложку. Эти материалы, с одной стороны, не обладают достаточной гибкостью и прочностью на разрыв и в силу этого затрудняют плотную намотку их на изолируемый стержень;

- с другой стороны, бумажная подложка разлагается под действием температуры и приводит к постепенному нарушению монолитности изоляции, сокращается срок жизни;

- неодинаковый коэффициент теплового расширения меди и изоляции как шеллачной, так и асфальтовой, при определенном числе температурных циклов нарушает механическую связь;

- диэлектрические потери сильно зависят от температуры и напряжения; механическая прочность в разогретом состоянии недостаточна, особенно при больших объемах тока в пазу.

 

6.3 Технология изготовления термореактивной изоляции

 

В настоящее время известны три основных способа изготовления термореактивной изоляции высоковольтных обмоток.

1 Стержень, предварительно упрочненный путем промазки эпоксидным (или иным) лаком так, что форма и геометрические размеры лобовой части в дальнейшем не изменяются, обматывается заданным числом слоев слюдинитовой ленты, предварительно пропитанной термореактивным лаком повышенной вязкости. Изолированный стержень сушится при 70^оС  и атмосферном давлении в течение 30 мин и затем в вакууме в течение 4 ч., после чего его прессуют в горячих прессформах при температуре 150-160 ^оС в течение 2 ч. Данный процесс не требует дополнительной пропитки изоляции.

2 Стержень, предварительно упрочненный, как в п.1, обматывается лентой, содержащей малое количество склеивающего вещества без растворителей. Далее, изолированный полным числом слоев ленты  стержень пропитывается в термореактивной смоле небольшой вязкости под вакуумом при  температуре 150-160 ^оС в течение 4-6 часов. При этом связующее проникает на всю толщину изоляции в процессе однократной пропитки. Само строение  слюдинитовой ленты обеспечивает хорошее проникновение связующего внутрь изоляции.

3 Третий способ изолирования заключается в наложение гильзы из стеклослюдинитового листа на пазовую часть. Гильза обкатывается при намотке в приспособление, затем подвергается горячей прессовке аналогично пункту 1.

 

7  Изоляция трансформаторов и требования к ним

 

Трансформаторы по своему назначению подразделяются на силовые, измерительные, испытательные, преобразовательные и т. д. В зависимости от их назначения к ним предъявляются' и соответствующие требования.

В силовых трансформаторах изоляция состоит из нескольких различных по конструкции элементов, работающих в неодинаковых условиях и имеющих разные характеристики. Воздушные промежутки между вводами по их поверхностям на землю составляют внешнюю изоляцию, а все изоляционные участки  внутри бака – внутреннюю изоляцию трансформатора. В свою очередь внутренняя изоляция подразделяется на главную и продольную. К главной изоляции относится изоляция обмоток относительно земли и между разными обмотками. К продольной изоляции относится изоляция между разными точками одной и той же обмотки: между витками, слоями, катушками.

         Основные габариты главной и продольной изоляции определяются величинами импульсных перенапряжений – грозовых и коммутационных. Наибольшее импульсное напряжение на главной изоляции может превосходить воздействующее напряжение на 20% при заземленной нейтрали и на 80% при изолированной нейтрали. Если импульс перенапряжения имеет крутой фронт, то на продольной изоляции могут возникать напряжения, более чем в 10 раз превышающие напряжения нормального режима. Наибольшие напряжения на продольной изоляции возникают при срезах, т.е. при пробе какого-либо промежутка, распложенного поблизости от трансформатора. На конструкцию изоляции трансформаторов оказывает сильное влияние то обстоятельство, что в активных частях трансформатора, в обмотках и магнитопроводе, при работе выделяется значительное количество тепла. Это заставляет выполнять изоляцию так, чтобы можно было непрерывно охлаждать активные части.

В современных силовых трансформаторах в качестве главной изоляции используется преимущественно маслобарьерная изоляция. Барьеры изготовляются из электрокартона и располагаются перпендикулярно силовым линиям электрического поля. В трансформаторах электрическое поле имеет сложную конфигурацию, поэтому приходится применять комбинацию барьеров разной формы. В основном применяют три типа барьеров (см. рисунок 7.1): цилиндрический барьер, 1, плоскую шайбу 2 и угловую шайбу 3. Количество барьеров зависит от номинального напряжения. В ряде случаев цилиндрический барьер выполняется из бакелита.

 

 

1- цилиндрический барьер; 2- плоская шайба; 3- угловая шайба; 4- масло; 5- ярмо; 6- стержень.

 

Рисунок 7.1. Схема главной изоляции обмоток силового трансформатора

 

         В качестве жидкого диэлектрика используется нефтяное трансформаторное масло. Масло в трансформаторе выполняет две функции: во-первых, повышает электрическую прочность изоляции и, во-вторых, улучшает условия охлаждения. Масло отводит теплоту потерь от обмоток и магнитопровода трансформатора в 25 – 30 раз интенсивнее, чем воздух.

1- провод обмотки; 2- витковая изоляция; 3- катушечная изоляция; 4- межкатушечная изоляция – масло.

 

Рисунок 7.2. Продольная изоляция силового трансформатора

 

         Продольная изоляция выполняется бумажно-масляной. Продольная изоляция обмоток силовых высоковольтных трансформаторов состоит из двух основных элементов (см. рисунок 7.2): витковой изоляции (изоляции между проводниками двух соседних, прилегающих друг к другу витков одной катушки) и катушечной изоляции (изоляции между проводниками двух соседних катушек, разделенных масляным каналом). Витковая изоляция представляет собой бумажно-масляную изоляцию, в которой слои кабельной бумаги накладываются на провод обмотки вполнахлеста. Изоляция между катушками состоит из масляного канала шириной от 8 до 30 мм и бумажной изоляции провода, которая усиливается в случае необходимости дополнительной подмоткой бумаги, охватывающей все витки катушки.

Катушечные обмотки могут выполняться с вводом на конце и с вводом в середине. Катушечные обмотки имеют лучшие условия охлаждения за счет хорошего омывания катушек маслом и более высокую устойчивость при коротких замыканиях. Однако в катушечных обмотках распределение потенциалов при воздействии импульсных напряжений более неравномерно, чем в цилиндрических слоевых. Цилиндрические слоевые обмотки имеют более равномерное распределение потенциалов вдоль слоев при переходных режимах, что делает целесообразным их применение на высокие напряжения. Недостатками цилиндрических слоевых обмоток являются их меньшая механическая устойчивость при коротких замыканиях и худший теплоотвод. Силовые трансформаторы большой мощности изготавливают, как правило, с катушечными обмотками. Слоевые цилиндрические обмотки находят применение в трансформаторах испытательных, измерительных (трансформаторах напряжения) и силовых небольшой мощности. Электрическая изоляция обмоток трансформаторов делается либо маслобарьерной, либо бумажно-масляной. Пробивное напряжение маслобарьерной изоляции определяется масляными прослойками. Так как электрическая прочность масла ниже, чем бумажно-масляной изоляции, то размеры маслобарьерной изоляции больше, чем бумажно-масляной.

         Для длительной и надежной работы трансформаторов «Правила технической эксплуатации электрических станций и сетей (ПТЭ)» требуют соблюдения установленного температурного режима трансформаторов и периодического контроля состояния изоляции. Несоблюдение теплового режима при эксплуатации трансформатора ведет к быстрому износу его изоляции. Кроме того, периодически в процессе эксплуатации берутся пробы масла, измеряются значения tgδ и C₂/C₅₀.

По конструктивному выполнению трансформаторы подразделяют на маслонаполненные, газонаполненные и воздушные (сухие). Большинство силовых, высоковольтных измерительных, испытательных трансформаторов делаются маслонаполненными. На рисунке 7.3 приводится конструкция маслонаполненного силового трехфазного трансформатора. Как видно из этого рисунка, обмотки трансформатора и их изоляция помещены   в   трансформаторное масло, которое выполняет двоякую функцию:

 1) обеспечивает повышение пробивной напряженности поля в изоляции;

2) создает хорошие условия теплоотвода от нагреваемых частей трансформатора.

Помещенная в бак изоляция надежно защищается от внешних воздействий, что позволяет установить трансформатор на открытом воздухе. На рисунке 6.4 приводится классификация изоляции масляных трансформаторов. Внешняя изоляция трансформатора обеспечивается проходными изоляторами (вводами) и воздушными промежутками между концами вводов разных фаз и напряжений и до заземленных частей трансформатора. Расстояние между концами проходных изоляторов определяется по условиям отсутствия пробоя воздушных промежутков при U_c и импульсах. Если на концах проходных изоляторов не устанавливаются выравнивающие электрическое поле экраны, то воздушный промежуток имитируется электродами «острие — острие». Если по концам проходных изоляторов имеются экраны, то расчет длины воздушных промежутков производится в предположении, что электрическое поле между ними является слабо неоднородным. Внутренняя изоляция между концами вводов обычно выполняется маслобарьерной. Изоляция отводов от обмоток выполняется из кабельной бумаги или лакоткани.

1- ввод на 110кВ; 2- ввод на 35кВ; 3- изоляционный цилиндр; 4- ввод на 11кВ; 5- привод переключателя; 6- выхлопная труба; 7-маслорасширитель; 8- магнитопровод; 9-переключатель ответвлений обмотки 110кВ; 10-обмотка 110кВ; 11-экранирующие витки обмотки 110кВ; 12- термосифонный фильтр; 13-тележка; 14-бак; 15-трубчатый радиатор; 16-двигатель-вентилятор.

 

Рисунок 7.3-Трехфазный трехобмоточный трансформатор на     110/38,5/11кВ

Переключатели в трансформаторе предназначены для изменения коэффициента трансформации. Изоляция переключателя определяется напряжением, действующим между регулировочными отводами.

Наличие в маслобарьерной изоляции свободных каналов создает благоприятные условия охлаждения обмоток циркулирующим маслом. Электрическая прочность в бумажно-масляной изоляции выше, чем в маслобарьерной, что позволяет снизить ее толщину.

Циркуляция масла в бумажно-масляной изоляции практически не происходит, что ухудшает теплоотвод от обмоток.

 

Рисунок 7.4- Классификация изоляции масляных трансформаторов

Иногда в бумажно-масляной изоляции делают каналы для циркуляции масла. Однако в этом случае размеры изоляции определяются допустимой напряженностью поля в масляном канале, что приводит к уменьшению средней напряженности поля. Барьеры изготавливаются из электрокартона и располагаются перпендикулярно силовым линиям электрического поля. В трансформаторах  электрическое поле имеет сложную конфигурацию, поэтому приходится применять комбинацию барьеров разной формы. В основном применяют три типа барьеров: цилиндрический барьер, плоскую шайбу и угловую шайбу. Количество барьеров зависит от номинального напряжения. В ряде случаев цилиндрический барьер выполняется из бакелита.

В газонаполненных трансформаторах, внутрибаковой изоляцией служит газ с высокой электрической прочностью (элегаз, фреон) под давлением 0,2—0,3 МПа. Электрическая прочность этих газов при давлении 0,2— 0,3 МПа приближается к электрической прочности трансформаторного масла. Теплоотвод от обмоток трансформатора при обтекании их высокопрочными газами примерно в 2 раза меньше, чем при обтекании маслом. Однако теплоотвод может быть значительно увеличен, если применять фреон с температурой кипения около 50—80°С при давлении 0,2—0,3 МПа. В этом случае трансформатор заливается жидким фреоном, который при повышении температуры обмоток до 60—90°С закипает. Коэффициент теплоотдачи к кипящей жидкости в сотни и тысячи раз больше, чем при обычной конвекции. За счет вскипания теплоотвод к жидкости увеличивается в десятки и сотни раз, что обеспечивает интенсивное охлаждение трансформатора. Образующийся газ собирается в верхней части бака трансформатора и направляется в конденсатор. Образующийся конденсат направляется в бак трансформатора. Описанная схема охлаждения трансформатора использует высокую электрическую прочность фреона в газообразном состоянии. Применение фреона позволяет заметно снизить габаритные размеры трансформатора и его массу. Конденсационное устройство получается достаточно компактным из-за высокого коэффициента теплоотдачи от конденсирующейся жидкости.    Газонаполненные трансформаторы находят применение в передвижных установках, например в электровозах переменного тока. Изоляция газонаполненного трансформатора может быть подразделена на те же виды, что и у маслонаполненного.

Воздушные трансформаторы не имеют бака, и в качестве изоляции используется окружающий воздух в сочетании с твердой изоляцией. Изоляция обмоток трансформатора подвержена действию окружающего воздуха, что приводит к возможности ее увлажнения и загрязнения. Твердая изоляция, служащая для крепления обмоток, должна быть влагостойкой. Воздушные трансформаторы применяют в закрытых помещениях.

Для изготовления некоторых видов трансформаторов применяют твердую изоляцию на основе эпоксидных компаундов. Заливка эпоксидным, компаундом обмоток обеспечивает их изолирование и герметизацию. Сравнительная простота изготовления изоляции на основе эпоксидных компаундов обеспечила достаточно широкое их применение в измерительных трансформаторах на напряжение до 35 кВ. Силовые трансформаторы на основе эпоксидных компаундов, как правило, не изготавливаются. Недостаток эпоксидных компаундов - значительные механические внутренние напряжения, разви­вающиеся в нем при понижении температуры.

Продольная изоляция обмоток трансформатора подвергается в рабочем режиме сравнительно небольшим напряжениям. Так, между двумя соседними витками разность потенциалов обычно не превышает 30—50 В при U_раб. Наибольшие напряжения, действующие на продольную изоляцию, возникают при действии на обмотку импульсов с крутым фронтом.

 Главная изоляция трансформаторов подвергается действию достаточно высокого переменного U_раб и перенапряжений. Наибольшее импульсное напряжение на главной изоляции может превосходить воздействующее напряжение на 20% при заземленной нейтрали и на 80% при изолированной нейтрали.

 

 

8 Изоляция конденсаторов и требования к ним.

 

8.1 Изоляция конденсаторов

 

Название «конденсатор» было введено в конце XVIII в., когда существовало представление об «электрических жидкостях» и конденсатор рассматривался как прибор для сгущения, конденсирования  этих жидкостей.

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 Фарада. В настоящее время производится все виды современных электрических конденсаторов – от единиц до долей пикофарад.

Конденсатор –это устройство, состоящее из системы двух или более проводников (обкладок), разделенных электрической изоляцией, предназначенное для использования его в электрической емкости. Основное назначение конденсатора – накапливать электрический заряд и энергию.В современных конденсаторах используют изоляцию с линейными и нелинейными характеристиками. В зависимости от применяемого линейного материала различают следующие виды:

а) газовые, в которых изоляционными материалами являются газы, воздух, вакуум;

б) жидкостные: маслонаполненные, водяные, с синтетическим жидким диэлектриком и т.д.;

 в) с твердой неорганической изоляцией: слюдяные, керамические, стеклянные;

г) с твердой органической изоляцией: бумажные, пленочные и т.д.;

д) комбинированной изоляцией: бумажно-пленочно-масляные и т.д.

Конденсаторы различают по роду напряжения, при котором они работают. Это может быть: постоянное, выпрямленное, переменное промышленной частоты, переменное повышенной частоты (10²-10⁴ Гц), переменное высокой частоты (выше 10⁵ Гц), импульсное напряжение.      

Силовые конденсаторы применяют в следующих случаях:

1) в силовых сетях промышленной частоты высокого и низкого напряжений частотой 50 Гц (косинусные конденсаторы, конденсаторы продольной емкостной компенсации,  конденсаторы емкостного отбора мощности);

2) в силовых установках повышенных частот (электротермические установки частотой до 10 кГц);

3) в установках постоянного и пульсирующего напряжений;

4) в установках импульсного напряжения.

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

                    W_уд =W_к/V = (CU²/2)/ Sd = ε₀ε_rЕ² / 2,                            (8.1)

 

где S – площадь пластин конденсатора;

d – толщина диэлектрика.

Как следует из формулы (8.1.), для увеличения удельной энергии следует выбирать материал с высокой диэлектрической проницаемостью и высокой электрической прочностью.

Из формулы 8.1 можно выразить энергию конденсатора

                               W_к=W_удV ε₀ε_rЕ² / 2 Sd = l³,                                  (8.2)

где l – линейные размеры конденсатора.

Как видно из форомулы (8.2), энергия конденсатора, а следовательно, и потери растут пропорционально кубу линейных размеров.    

Основное характерное отличие силовых конденсаторов от прочих конденсаторов – сравнительно большие протекающие через них токи, которые даже при малых диэлектрических потерях приводят к заметному нагреву конденсаторов.

Основные проблемы, решаемые при проектировании и изготовлении конденсаторов, заключаются в обеспечении требуемой емкости, рабочего напряжения и тепловой устойчивости. Все это определяется изоляцией  конденсатора: диэлектрической проницаемостью диэлектрика, допустимой величиной рабочей напряженности электрического поля, диэлектрическими потерями и условиями теплоотвода. 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 tgδ. Рассмотрим с учетом сказанного, как выполняется изоляция в различных видах конденсаторов.

 

Рисунок 8.1- Схематическое устройства силового конденсатора для повышения коэффициента мощности

 

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 рисунке 8.1

 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 (см. рисунок 8.2), выполняющей роль электродов. В рулонных секциях обе поверхности электродов являются активными, вследствие чего сокращается расход металла на электроды. Отдельные секции (см. рисунок 8.1) соединаются перемычками 7 в параллельную, последовательную или смешанную схему в зависмости от рабочего напряжения и требуемой емкости. Конденсатор имеет два вывода 8.

         Секции наматывают на цилиндрическую оправку и после снятия с оправки расплющивают, либо оставляют на цилиндрическом изоляционном каркасе,  получая цилиндрическую секцию. Пакет помещают в корпус, пропитывают и герметизируют для предотвращения попадания воздуха и влаги. Секции конденсаторов выполняются либо со скрытой, либо с выступающей фольгой. Конструкцию с выступающей фольгой применяют для улучшения теплоотвода и для уменьшения индуктивности секций. Для увеличения напряжения применяют конструкцию со «слепой» промежуточной фольгой, при этом секция состоит из нескольких подсекций, соединенных последовательно, а выводы имеют только первая и последняя фольга. В качестве изоляции используется пропитанная конденсаторная бумага и полимерные пленки. Самые существенные характеристики конденсаторной бумаги – ее толщина (колеблется от 4 до 30 мкм), плотность, угол диэлектрических потерь (у пропитанной бумаги tg .=0.0012..0.0026) и электрическая прочность, сильно зависящая от материала пропитки. Из полимерных пленок в конденсаторах промышленной и повышенной частоты применяют полипропиленовую пленку (ε=2.25, tgδ=0.0003), а в импульсных конденсаторах – лавсановую пленку (ε=3.2, tgδ=0.003 при 50 Гц и tgδ =0.02 при 1 МГц). У полимерных пленок высокая электрическая прочность, достаточная термостойкость и механическая прочность, совместимость с жидкими диэлектриками, применяемыми для пропитки. В силовых конденсаторах часто применяют комбинированную бумажно-пленочную изоляцию, в которой слои конденсаторной бумаги перемежаются со слоями полимерной пленки. Бумага впитывает жидкость, втягивая ее в прослойки между пленками, и обеспечивает отсутствие газовых включений. В такой изоляции благоприятное распределение напряженности электрического поля: в пленке напряженность примерно вдвое больше, чем в бумаге, поскольку ε  пленки примерно вдвое меньше, а электрическая прочность пленки выше. В качестве пропиток используют нефтяное конденсаторное масло (ε_r=2,1–2,2), хлорированные дифенилы (ε_r=4,8 – 5,5) и их заменители, а в импульсных конденсаторах – касторовое масло. Хлорированные дифенилы имеют более высокую диэлектрическую проницаемость по сравнению с конденсаторным маслом, высокую стойкость к разложению в электрическом поле, негорючесть, но токсичны и чувствительны к примесям. Конденсаторное масло отличается от трансформаторного более тщательной очисткой. У конденсаторной бумажной изоляции до 30% объема занимают поры между волокнами и узкие щели между слоями бумаги. Поэтому относительная диэлектрическая проницаемость пропитывающей жидкости сильно влияет на емкость при пропитке минеральным маслом.

1- электроды из фольги; 2- слои бумаги; 3- выводы.

 

Рисунок 8.2- Плоскопрессованная секция

 

         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 (ε_r=2,2 – 2,3, E_пр=180 кВ-мм, tgδ=0,0004, p=10¹⁵ – 10¹⁶ Ом^.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. Например, крупнейший Российский производитель всех типов силовых конденсаторов, Серпуховский конденсаторный завод «КВАР», внедряя указанную технологию, разработал и освоил выпуск конденсаторов для комплектации силовых фильтров высших гармоник мощностью 300 квар 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 ε_r., что позволяет выполнять конденсаторы с меньшими гарбитами и весом. Большая часть керамических материалов высокой ε_r  имеет в качестве основной составной части диоксид титана TiO₂. Одна из его модификаций – рутил имеет в направлении главной кристаллографической оси ε_r=173. Низкочастотная керамика имеет ε_r=150 – 200. Имеется полупроводниковая керамика  с ε_r=500. Таким образом, керамические материалы по сравнению с полимерными пленками дают огромный выигрыш по значению  ε_r.

Низковольтные и высоковольтные керамические конденсаторы применяются в высокочастной технике: в измерительных схемах и 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 конденсаторах на МДП-структурах (металл-диэлектрик-полупроводник) в качестве диэлектрика используется слой диоксида кремния, выращенный на поверхности кремниевой пластины. Обкладками служат 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.

Рабочие напряженности поля Eраб в изоляции бумажно-масляных конденсаторов составляют 12..14 кВ/мм, при пропитке хлордифенилами или их заменителями Eраб возрастают до 18..22 кВ/мм, но при этом возможен недопустимый нагрев и угол потерь должен быть малым. Бумажно-полипропиленовый диэлектрик с двумя листами пленки (.r=2.25) и листом бумаги (.r=4) между ними допускает Eраб от 18 кВ/мм и выше в бумажном компоненте в зависимости от пропитки и до 50..60 кВ/мм в пленке. Конденсаторы с чисто пленочным диэлектриком допускают Eраб до 50..60 кВ/мм, а в конденсаторах с использованием металлизированной полипропиленовой пленки – до 70 кВ/мм. При повышенных частотах допустимые рабочие напряженности поля определяются в основном тепловым режимом. При постоянном напряжении допустимая рабочая напряженность может достигать 80 кВ/мм.

          

9  Силовые кабели. Классификация и назначение

 

9.1 Классификация и назначение кабелей

 

Электрическим кабелем (от голланд. 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 г. русский ученый и изобретатель П.Л. Шиллинг. В 1841 г. 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%.

Кабели по признакам материала проводящих жил передаваемой энергии или информации делят на две группы:

- электрические кабели с металлическими жилами;

- кабели с оптическими волокнами.

Кабели с оптическими жилами могут иметь и дополнительные металлические токопроводящие жилы.

Электрические кабели с металлическими жилами классифицируют по порядку передаваемой через кабели мощности, величине напряжения, типу изоляции, назначению и т.д. В соответствии с этим различают:

- силовые кабели низкого, среднего и высого напряжения;

- силовые гибкие кабели;

- кабели управления;

- контрольные кабели;

- низковольтные провода и шнуры;

- кабели и провода связи;

- радиочастотные кабели;

- специальные кабели и др.

Силовые кабели предназначены для передачи и распределения электрической энергии.

По типу изоляции силовых кабелей различают:

         - силовые кабели с бумажной изоляцией, в том числе пропитанные и маслонаполненные;

- силовые кабели с пластмассовой изоляцией;

- силовые кабели с резиновой изоляцией.

По величине линейного рабочего напряжения силовые кабели подразделяют на:

- кабели на напряжения 1...10 кВ;

- кабели на напряжения 20...35 кВ;

- кабели на напряжения 110...500 кВ.

Приведенная классификация в известной мере условна, однако позволяет систематически представить сведения о части кабелей, насчитывающей более 1000 марок и конструкции.

 

 

 

 9.2  Силовые кабели, их маркировка и конструкции

 

Силовые кабели состоят из одной, трех или четырех одно- или многопроволочных медных или алюминиевых жил, изолированных друг от друга и окружающей среды бумажно – пропитанной, резиновой или пластмассовой изоляцией, герметизированных свинцовыми, алюминиевыми, пластмассовыми или резиновыми оболочками и защищенных, как правило, броней из стальных лент или оцинкованной стальной проволки, а также защитными антикоррозийными покровами.

Изоляции жил кабелей  изготавливаются из бумажных лент, пропитанных маслоканифольным составом, из поливинилхлоридного пластиката, полиэтилена, сшитого полиэтилена, резины.

Диапазон переменного рабочего напряжения, на который изготавливаются силовые кабели, находится в пределах от 660 до 500 кВ. Величина рабочего напряжения влияет на конструкцию кабелей.

Буквенное обозначение определяет конструкцию кабелей, их брони, защитных оболочек и покровов. Кабели с алюминиевыми жилами обозначают буквой А. Наличие медных жил в маркировке кабеля не выделяется. Например: ААБв – кабель с алюминиевыми жилами с бумажной пропитанной изоляцией, в алюминиевой оболочке под броней из стальных лент с выпрессованной из поливинилхлорида защитной оболочкой; СБ – кабель с бумажной пропитанной изоляцией с медными жилами, в свинцовой оболочке (С), с броней из стальных лент (Б), с защитными покровами из кабельной пляжи, проитанной битумом; АСБ – то же, что СБ, но с алюминиевыми жилами; ААБ – то же,что АСБ, но с алюминиевой оболочкой.

Жилы силовых кабелей выполняются однопроволочными и многопроволочными. Сведения об алюминиевых и медных жилах, выпускаемые отечественной промышленностью, приведены в главе 1. В маркировке кабелей однопроволочной жилой добавляется обозначения «ож».

Жилы изготавливают круглой формы для: одножильных и трехжильных кабелей отдельных металлических оболочках всех сечений и многожильных с поясной изоляцией сечением до 16 мм² включительно. Жилы сечением 25 мм² и более для многожильных кабелей с поясной изоляцией изготавливают сегментной  или секторной формы.

Алюминиевые жилы силовых кабелей сечением  6-240 мм^{2 ­­­­} и медные сечением 6-50 мм² изготавливают сплошными однопроволочными. Соответственно алюминиевые сечением 70-800 мм² и медные сечением 25-800 мм² – многопроволочными.

Многопроволочные медные и алюминиевые жилы сегментной и секторной формы уплотняют в процессе изготовления.

Силовые кабели с изоляцией из бумажных лент, пропитанными маслоканифольными составом, изготовляют в соответствии с ГОСТ 18410-73. Для вертикальных или крутых кабельных трасс используются кабели с обедненно-пропитанной изоляцией или изоляцией с нестекающим пропитывающим составом.

Кабели с пластмассовой изоляцией на напряжения 0,66...6 кВ изготавливаются в соответствии с ГОСТ 16442-80. В качестве изоляции для одножильных кабелей напряжения 10, 35 и 110 кВ используется вулканизированный полиэтилен. Напряжение между жилой и заземленном экраном составляет соответственно 5,8; 20 и 64 кВ.

Кабели на напряжения 110 и 220 кВ изготавливают в соответствии с ГОСТ 16441-78 с бумажной пропитанной изоляцией, одной полой жилой, маслонаполненными или с изоляцией из сшитого полиэтилена. Маслонаполненный канал таких кабелей через  специальные муфты периодически соединяются с масляными баками с давлением до 0,5 МПа.

Кабели 110 ...525 кВ могут также прокладыватся в трубопроводе с маслом под избыточным давлением. Такие кабели называют кабелями высокого давления. Они имеют свинцовые оболочки, которые удаляются непосредственно перед укладкой в трубопровод. Внутренний диаметр трубопровода  в 2,85 раз больше диаметра отдельной фазы. Давление масла в трубопроводе достигает величины в 1,5  МПа.

 

9.3 Изоляционные материалы для кабелей и проводов

 

 Для кабелей и проводов применяют резиновую, пластмассовую, пропитанную бумажную и иные виды изоляции. Изоляционные материалы обозначаются буквой И с индексами, соотвествующими материалу.

 Резиновая изоляция изготавливается на основе натуральных или синтетических (бутадиеновые, бутиловые и др.) каучуков. Используются следующие типы установленных ГОСТом изоляционных резин: РТП-0, РТИ-1, РТИ-2, РНИ, классифицируемые в зависимости от содержания каучука. Испытание резин на старение проводят в течение 4 суток при температуре +120^0­­­С. На основе каучука кремнийорганических сортов производится кремнийорганическая резина, обладающая более высокими электрофизическими свойствами. Например, она длительно устойчива к воздействию температур в диапазоне от -60 до +200^0­­­С.

Изоляции из поливинилхлоридного пластификата (ПВХП) представляют собой смеси из поливинилхлорида с пластификаторами, стабилизаторами и иными добавками, которые придают ПВХП эластичность, облегчают его обработку, однако, ухудшают его электроизоляционные свойства, нагревостойкость, химическую стойкость. К ПВХП общего применения относятся марки: И40, И45, И60. ПВХП пониженной горючести, марки НГП 40-32 и НГП 30-32 выпускаются в соответствии с ТУ 2246-425-05761784-98, ПВХП марки ИМ 40-8, ИОМ 40-8 – в соответствии с ТУ 6-02-51-90, ПВХП повышенной тепло- и бензомаслостойкости марки ИТ-105В – в соответствии с ТУ 16. К71-275-98 и т.д. ПВХП марок И40-13, И40-13А, И40-14 используются для изоляции проводов и кабелей в диапазоне температур от -40 до +70^0­­­С. Для той же цели используются марки И50-13, И50-14 в диапазоне температур от -50 до +70^0­­­С, а И60-12 – в диапазоне температур -60 +70^0­­­С, все эти марки изоляции рекамендованы для северных районов. Для изоляции и оболочки кабелей используется марка И45-12.

Полиэтиленовая изоляция изготавливается на основе полиэтиленов низкой плотности (ПЭНП) и полиэтиленов высокой плотности (ПЭВП). ПЭНП получают полимеризацией этилена при высоком давлении, а ПЭВП – при низком давлении с применением металлоорганических катализаторов. Маркировка композиций на основе ПЭНП включает трехзначные цифры, начинающиеся с единицы: 102, 107 и т.д., маркировка на основе ПЭВП – цифры, начинающиеся с двойки: 204, 206, 207 и т.д.  Электрическая прочность для полиэтиленовых изоляций (ПЭИ) толщиной 1 м при частоте 50 Гц составляет 35-40 кВ/мм. Диэлектрическая проницаемость при частоте  МГц изменяется в пределах 2,3 – 2,4. Тангенс угла диэлектрических потерь при той же частоте – в пределах от 2-7*10^-4.

Изоляция из фторопласта (политетрафторэтилена). Сокращенно -    Ф-4, обладает высокими механическими диэлектрическими свойствами. Ф-4 используют в диапазоне температур от -90 до +250º С. Наряду с Ф-4 используются сополимеры Ф-4Д, Ф-7М, Ф-40Ш. Ф-4 исключительно стоек к большинству химических веществ. Толщину изоляции проводов принимают равной 0,25 мм при напряжении до 1000 В. Изоляции на жилы накладывается либо сплошным монолитным слоем из Ф-4Д, Ф-4М, Ф-4оШ, либо обмоткой ленточной изоляции из Ф-4. которую затем для получения монолитности подвергают нагреву. Температурные индексы диэлектрических материалов зависят от их физических свойств и определяются классом нагревостойкости.

 

         9.4 Конструкции силовых кабелей

 

Рассмотрим устройство кабелей с различными видами изоляции.

1- жила; 2- фазная изоляций; 3- поясная изоляция; 4- наполнитель; 5- оболочка; 6- подушка под броней  из пряжи, пропитанной битумом; 7- броня из стальных лент; 8- наружный защитный покров.

 

Рисунок 9.1 -  Трехжильный кабель с секторными жилами

 

         На рисунке 9.1 показан разрез трехжильного силового кабеля с секторными жилами и бумажной изоляцией с вязкой пропиткой. 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 заполняются низкокачественной изоляцией (бумажными жгутами). Наибольшее действующее значение рабочей напряженности в кабелях до 10 кВ не превышает значения 2 кВ/мм.

         Чтобы кабель был гибким, его жилы выполняются из большого числа скрученных тонких проводов. Изоляция кабеля должна быть механически прочной и иметь высокую электрическую прочность. Последнее особенно важно, так как при уменьшении толщины изоляции повышается гибкость кабеля, уменьшаются его вес и стоимость, улучшается теплоотвод и повышается рабочий ток кабеля. Кроме того, высокое значение электрической прочности повышает надежность работы кабеля, а следовательно, снижает эксплуатационные расходы, так как на поиск места повреждения кабеля, 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.

         В настоящее время в силовых кабелях высокого напряжения используется бумажно-масляная изоляция. Кабельная бумага отличается от конденсаторной бумаги большей толщиной (80 – 170 мкм) 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 tgδ=0,002.

         В качестве вязкой пропитки ленточной бумажной изоляции применяются масляно-канифольные или синтетические нестекающее 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, которое снижают электрическую прочность изоляции.

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

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

         Для напряжений 110 – 220 кВ и даже до напряжений 500 кВ 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.

 

 

 

1-    жила; 2- изоляция; 3- герметизирующие покровы; 4- полукруглая проволка; 5- стальная труба; 6- масло; 7- антикоррозийное покрытие.

 

Рисунок 9.2 - Маслонаполненный кабель высокого давления в стальной трубе

         Для поддержания неизменного давления масла в кабеле на трассе через каждые 1 – 2,5 км устанавливают баки давления, которые присоединяются к кабелю через специальные муфты. Чем больше давление масла, тем выше электрическая прочность кабеля, однако, при этом усложняется упрочняющий покров кабеля. Поэтому маслонаполненные кабели высокого давления (около 1,5 МПа) выполняются в стальных трубах. Такие кабели выпускаются на напряжение до 500 кВ. Устройство маслонаполненного кабеля высокого давления показано на рисунке 9.2. В стальном трубопроводе, заполненном маловязким маслом, 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.

         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 антикоррозионных 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 220 кВ 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 могут укладываться на трассах с большим уклоном. Но вместе с тем в таких кабелях условия охлаждения хуже, поэтому рабочие токи меньше.

         Применяются также кабели с элегазовой изоляцией под давлением. Они устроены следующим образом. В стальной трубе на распорках из твердого диэлектрика закреплена токоведущая жила (или три жилы). Линия собирается из таких труб и заполняется элегазом (шестифтористой серой FS₆) под давлением. Элегаз негорюч, обладает хорошей теплопроводностью и хорошей дугогасительной способностью. Особенно эффективны такие кабели при сверхвысоких напряжениях, где они могут оказаться экономически более выгодными, чем воздушные линии электропередачи.

1- центральная жила; 2- полупроводящий полиэтилен; 3- полиэтилен с добавкой TiO₂ c повышенной ε и γ; 4-изоляционный полиэтилен; 5- наружный экран.

 

Рисунок 9.3 - Схема устройства силового коаксиального кабеля с полиэтиленовой изоляцией (а) и эквивалентная схема соединения элементов его изоляции (б)

 

         В последнее время кабели с бумажно-масляной изоляцией и маслонаполненные кабели заменяются на кабели с полиэтиленовой изоляцией. В конструкции таких кабелей вблизи центральной жилы, в области максимальных напряженностей электрического поля, предусмотрено расположение слоев с повышенными значениями электрической проводимости и диэлектрической проницаемости (см. рисунок 9.3). В этих слоях, соединенных последовательно с основной изоляцией, уменьшаются величины напряженностей поля по сравнению с тем случаем, когда у жилы располагается полиэтилен, из которого изготовлена основная изоляция. При этом возрастает надежность всей конструкции, более равномерно нагружаются электрическим полем все участки изоляции. Для производства таких кабелей были созданы специальные машины-экструдеры, которые обеспечивают одновременное нанесение на центральную жилу всех трех слоев системы изоляции. При этом исключаются воздушные включения и примеси. Преимущество кабелей с полиэтиленовой изоляцией по сравнению с кабелями с вязкой пропиткой состоит в том, что они имеют меньшую массу [3].

         Динамика выпуска кабелей с бумажно-пропитанной изоляцией (БПИ) и полиэтиленовой изоляцией (ПИ) на предприятиях СНГ такова.

         Кабели на напряжение от 6 до 1 кВ: в 1997 г. с БПИ 25%, с ПИ 75%, 2002 г. с БПИ 0%, с ПИ 100%.

         Кабели на напряжение 6 – 35 кВ: в 1997 г. с БПИ 99,7%, с Пи 0,3%, планируется к 2005 г. с БПИ 70%, с ПИ 30%.

         Перспективным направлением кабельной промышленности является производство кабелей с полиэтиленовой изоляцией на напряжение до 500 кВ.

         Отходы кабелей (в том числе вышедших из строя) составляют 5 млн. т в год. Поэтому остро стоит проблема охраны окружающей среды от этих отходов, их переработки и повторного использования. В Японии в 1990-х годах, например, повторно использовали следующие материалы: медь и алюминий – 100%, полихлорвинил – 31%, полиэтилен – 17%, сшитый полиэтилен – 50%. В мире разработаны способы переработки отходов пластмассы с помощью дробления и плавления с получением порошкообразного или нефтяного топлива: 1 кг отходов дает 0,6 – 0,7 кг топлива.

Условия и способы прокладки силовых кабелей для разных кабелей раличны. Режим и длительность эксплуатации силовых кабелей зависит от условий их прокладки. Кабели прокладывают в земле (в траншеях), кабельных каналах, шахтах, сырых и сухих помещениях и т.д. Важное значение имеет и степень наклона кабеля к горизонтали. Для прокладки по крутым и вертикальным трассам выбираются соответствующие кабели.

 

     9.5  Силовые кабели на напряжение 1-10 кВ. Одножильные кабели на напряжение 1-10 кВ. Двухжильные силовые кабели. Трехжильные силовые кабели. Четырехжильные силовые кабели

 

    Силовые кабели с алюминиевыми или медными жилами с бумажной изоляцией, пропитанной маслоканифольными составами, в алюминиевой или свинцовой оболочке с защитными покровами или без них предназначены для передачи и распределения электроэнегрии  в стационарных электрических сетях на переменные напряжения 1, 3, 6 и 10 кВ, а также в сетях постоянного  тока. Такие кабели называются кабелями с поясной изоляцией. Они имеют не радиальные электрические поля в изоляции, что допустимо на 10 кВ.

Жилы кабелей изолируются однослойной бумагой на основе сульфатной целлюлозы, которую пропитывают маслоканифольным составом МП-1. Изоляция кабелей для наклонных и вертикальных трасс пропитывается обедненным составом, что отмечается в обозначении буквой В через черточку, например: АСБ-В, либо нестекающим составом, что отмечается буквой Ц (добавка церезина), например, ЦСБ. Толщина бумажной изоляции в зависимости от сечения жил, их числа и величины напряжения изменяются в пределах от 1,2 (1 кВ) до 12 (35 кВ) мм.

Силовые кабели с пропитанной бумажной изоляцией изготавливают с алюминиевой или свинцовой оболочкой, выпрессованными на гидравличес-ких или червячных прессах. В зависимости от марки кабеля и его диаметра под оболочкой свинцовые оболочки имеют толщину от 0,9 мм при диаметре до 13 мм до 2,8 мм при диаметре более 56 мм.

Одножильные кабели изготавливают на переменное напряжение 1...10 кВ. Одножильные кабели сечением 240...800 мм² изготавливают с двумя изолированными контрольными жилами сечением по 1 мм².

Двухжильные силовые кабели изготавливают на переменное напряжение 1 кВ сечением от  6 до 150 мм^2­­­­. Кабели с жилами с сечением до 16 мм² изготавливают с круглыми жилами, 25 мм² и более – с сегментами. Жилы изолируют бумагой, в промежутки укладывают поясную изоляцию из бумаги, алюминиевую или свинцовую оболочку и защитные покровы.

Трехжильные силовые кабели с пропитанной бумажной изоляцией имеют сечения жил от 6 до 240 мм² и изготавливаются  на напряжения 1, 3, 6, 10 кВ. Жилы кабелей с сечением 6...16 мм² изготавливают круглыми, а с сечением 25 мм² и более – секторными жилами. Жилы изолируются бумажной пропитанной изоляцией. Пространство между жилами заполняют жгутами из сульфатной бумаги для получения круглой формы кабеля. Поверх жил накладывают поясную изоляцию, на нее – алюминиевую, либо свинцовую оболочку.

Четырехжильные силовые кабели с пропитанной бумажной изоляцией имеют сечения жил от 10 до 185 мм^2­­ и изготавливаются на напряжение 1 кВ. Четвертая жила является заземляющей или зануляющей, она может иметь одинаковое с фазными жилами сечение для кабелей сечением до120 мм^2­.

Силовые кабели с бумажной пропитанной изоляцией на напряжение 20 и 35 кВ. Технические данные кабелей.

Силовые кабели на напряжения 20 и 35 кВ изготавливаются одножильными или трехжильными. В этих кабелях для получения равномерно распределенного в изоляции радиального электрического поля поверх изоляции жилы накладывают металлическую, как правило, алюминиевую или свинцовую влагозащитную оболочку. Кроме того, они имеют улучшенный отвод тепла от центра и потому допускают по сравнению с кабелями с поясной изоляцией повышение токовой нагрузки на 5-20%. Жилы кабелей сечением от 25 до 400 мм² выполняют одно- и многопроволочными.

Кабели на напряжения 20 кВ сечением 25-400 мм^2­ изготавливаются одножильными, сечением 22-185 мм²– трехжильными в отдельных оболочках.

Кабели на напряжения 35 кВ сечением 120...300 мм² изготавливаются одножильными, сечением 120 и 150 мм² – трехжильными с отдельно освинцованными оболочками.

На круглую алюминиевую или медную жилу одножильного кабеля последовательно наматывают ленты из электропроводящей бумаги, бумажной пропитанной изоляции, экран из электропроводящих лент и оболочку из свинца или алюминия. На одножильные кабели накладывают защитные покровы, а трехжильные – бронируют.

Маслонаполненные кабели на напряжение 110-525 кВ. Силовые маслонаполненные кабели с медными токопроводящими жилами с пропитанной бумажной изоляцией в свинцовой или алюминиевой оболочке изготавливаются в соответствии с ГОСТ 16441-78 и предназначены для передачи и распределения электрической энергии при переменных номинальных линейных напряжениях 110-500 кВ.

Силовые маслонаполненные кабели классифицируются по величине избыточного давления масла: низкого давления (от 0,025-0,3 МПа, буква Н обозначении марки), среднего давления (от 0,06-0,3 МПа, буква С), высокого давления (от 1,1-1,6 МПа, буква В). В кабелях среднего давления первый внутренний повив токопроводящей жилы, образующий центральный маслопроводящий канал, скручивается из зетобразных медных луженых проволок одного и того же профиля и размера. Последующие повивы жилы накладываются из сегментных медных луженых проволок. Слой изоляции, прилегающий к жиле, изготавливают из кабельной уплотненной бумаги КВМУ, КВУ, КВСУ, следующий – из кабельной бумаги нормальной плотности  КВМ, КВ  или КВС. Поверх бумажной изоляции накладывается экран из электропроводящих бумажных лент, затем перфорированная металлизированная бумага. Поверх экрана кабелей среднего давления накладывают герметичную свинцовую оболочку а поверх нее - упрочняющие покровы. Кабели высокого давления МВДТ включают токопроводящую жилу фазы, изоляцию фазы с экранами для обеспечения радиальной формы электрического поля в изоляции. Три фазные жилы с изоляцией помещают в стальной трубопровод заполенный маслом.

Кабельные системы высокого напряжения 110-500 кВ с изоляцией из сшитого полиэтилена.

Кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена среднего класса напряжения (до 35 кВ) применяются в энергетике с начала 60-х годов. Массовое производство кабелей с номинальным напряжением 123 кВ началось с 1971 года. Усиливающаяся тенденция к применению кабелей с пластмассовой изоляцией (т.е. главным образом, с изоляцией из сшитого полиэтилена) в диапазоне напряжений свыше 60 кВ, привела к тому, что были созданы, испытаны и к настоящему времени введены в эксплуатацию кабели с номинальным напряжением до 500 кВ.

Кабельные линии на 110 - 500 кВ применяются, в основном, в энергетических системах между двумя узлами электрической сети такими, как, например, генерирующее оборудование и распределительная подстанция, или между подстанциями. Такие кабельные линии могут использоваться также в совокупности с воздушными линиями.

На рисунке 9.4 представлен кабель на напряжение 110 - 500 кВ.

1 - токопроводящая жила (медная или алюминиевая) служит для протекания электрического тока. Бывают круглые жилы компактной скрутки и сегментированные (милликеновский проводник, состоящий из нескольких проводников секторного сечения, которые формируют цилиндрическую жилу, закрученную в спираль)

2 - полупроводящий экран жилы, предназначенный для выравнивания скачка напряженности электрического поля на границе токопроводящей жилы и слоя изоляции с помощью создания промежуточного полупроводящего слоя между токопроводящей жилой и изоляцией из сшитого полиэтилена.

3 - изоляция (сшитый полиэтилен) между токопроводящей жилой, которая находится под высоким напряжением, и экраном, находящимся под потенциалом земли. Изоляционный материал должен выдерживать воздействие электрического поля как в стационарном, так и в переходных режимах.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 9.4 - Кабель на напряжение 110 - 500 кВ

 

4 - полупроводящий экран изоляции. Назначение этого слоя идентично назначению полупроводящего экрана на жиле. Он позволяет получить плавное изменение напряженности электрического поля между изоляцией, напряженность электрического поля не равна нулю, и проводником (металлический экран кабеля), где напряженность электрического поля равна нулю.

5 - металлический экран. Уровень напряжения в несколько десятков, а иногда и сотен киловольт приводит к необходимости использования металлического экрана, основным назначением которого является устранение электрического поля на поверхности кабеля. Экран формирует второй электрод конденсатора, образуемого кабелем (первым является токопроводящая жила кабеля). Экраны бывают свинцовые, медные, алюминиевые и комбинированные.

6 - антикоррозионная внешняя защитная оболочка. Выполняет двойную функцию: во-первых, электрически изолирует экран от земли, во-вторых, защищает металлический экран от сырости и коррозии. Кроме этого, внешняя оболочка должна защищать кабель от механических воздействий, возникающих при его установке и эксплуатации, а также от специфических вредных воздействий (таких как, например, термиты, углеводороды и т. п.).

Наиболее подходящим материалом для защитной оболочки является полиэтилен. Оболочки из ПВХ еще используются в настоящее время, но применение этого материала сокращается. Одним из основных преимуществ ПВХ является его высокая огнестойкость, но из-за того, что при горении ПВХ выделяются токсичные и коррозийные дымы, этот материал запрещен многими пользователями.

Когда в применении указывается «стойкость по отношению к распространению огня» согласно нормам IЕС 332, то вместо ПВХ используются материалы HFFR (не содержат галогенов, и обладают высокой огнестойкостью). Однако механические свойства этих материалов хуже, чем у полиэтилена, а цена выше. Поэтому эти материалы используют на тех объектах и в тех местах сооружений, где требуется пожаробезопасность. Для того чтобы проверить целостность внешней оболочки, на нее часто наносится слой из полупроводящего материала. Этот слой может быть сформирован с помощью нанесения графитной краски или нанесения слоя полупроводящего полимер одновременно с экструзией внешней оболочки.

Внутренний полупроводящий слой, изоляция, а также внешний полупроводящий слой в технологическом процессе накладываются одновременно на медный или алюминиевый проводник компактной скрутки.

 Для обеспечения продольной водонепроницаемости кабеля на всю поверхность медного проволочного экрана наносится водонабухающий материал, препятствующий нераспространению воды вдоль кабеля при повреждении внешней оболочки.

Внешняя оболочка изготавливается из абразивно стойкого полиэтилена. Поперечная водонепроницаемость обеспечивается путем применения ламинированной алюминиевой ленты, которая жестко соединена с оболочкой. При изготовлении кабеля его конструкция может быть доработана с учетом требований заказчика. В частности, в качестве дополнительных конструктивных элементов могут присутствовать свинцовые, либо алюминиевые оболочки.

9.6 Электрические характеристики силовых кабелей

 

9.6.1 Расчет электрического сопротивления жил.

Электрическое сопротивления токопроводящей жилы постоянному току определяется выражением  

                                     R₌=(r₂₀/s)/[1+a(T-20)],                                 (9.1)

где R - сопротивление постоянному току, Ом∙м;

r₂₀ – удельное сопротивления материала жилы при температуре 20 ⁰С, н Ом∙м;

s – номинальное сечение жилы, мм²;

а – температурный коэффициент сопротивления, который для меди и алюминия можно принять равным 0,004 ⁰С^-1.

Величина удельного сопротивления r₂₀ с учетом скрутки и нагартовки проволок в жиле при ее сечении до 500 мм² составляет для меди 17,76 нОм∙м, а для алюминия – 29,11 нОм∙м. При сечении жил выше 500 мм² соответственно 17,93 и 29,4 нОм∙м. Чтобы определить сопротивление жилы переменному току, следует расчетное сопротивление жилы постоянному току R₌ умножить на величину коэффициента возрастания сопротивления при переменном токе k. С целью уменьшения сопротивления переменному току жилы сечением 625 мм² и более изготавливают секционированными.

 

          9.6.2 Расчет индуктивности кабеля.

Расчет индуктивности кабеля при симметричной нагрузке фаз в трехфазной системе при расположении токопроводящих жил по углам равностороннего треугольника можно выполнить по формуле

                                    L=L_B+A lg(s/r),                                     (9.2)

где L – индуктивность, мГн/км;

L_B – базовая индуктивность;

А – коэффициент, составляющий 0,463 для одножильных и 0,471 для трехжильных кабелей;

s – расстояние между центрами жил, мм;

r – радиус круглой ТПЖ, мм; для кабелей с секторными жилами радиус круглой жилы принимается эквивалентной по сечению секторной жилы.

 

9.5.3 Расчет емкостей кабелей

Расчет емкостей силовых кабелей  с отдельно освинцованными или экранированными жилам можно выполнить по формуле

                              C= (2πε_rε_o)/ (ln (R/r),                                        (9.3)

где С – емкость силового кабеля, Ф/м;

ε_r  - относительная диэлектрическая проницаемость;

ε_o – абсолютная диэлектрическая проницаемость, ε_o = 8,85 10^-12 Ф/м;

R – радиус изоляции жилы, мм; r – радиус жилы, мм.

От рабочей емкости кабеля С_р (мкФ/км при симметричном трехфазном напряжении ) зависит его емкостной ток, А.

                                          I_c = U_нωС_рL /  ,                                  (9.4)

где U_н – номинальное линейное напряжение, В;

ω – угловая частота;

L – длина кабельной линии, км.

 

Список литературы 

1. Богородицкий Н.П., Пасынков В.В., Тареев Б.М. Электротехнические материалы. – М.: Энергия, 1985.-304 с.

2. Дмитриевский В.С. Расчет и конструирование электрической изоляции. – М.: Энергоиздат, 1981.- 392 с.

3. Алиев И.И., Казанский С.Б. Кабельные изделия.-М.: РадиоСофт, 2002.-224 с.

4. Бернштейн Л.М., Изоляция электрических машин общепромышленного применения.-М.: Энергия, 1971.-367 с.

5. Серябряков А.С. Электротехническое материаловедение. Электроизоляционные материалы.- М.: Маршрут, 2005.- 280 с.

Козырев Н.А. Изоляция электрических машин. - Л.: Госэнергоиздат, 1962.- 264 с.

6. Бекмагамбетова К.Х. Электротехническое материаловедение: Учебное пособие.- Алматы: Изд-во «Ғылым», 2001.- 275 с. 

 

 

 

Содержание
Введение	3
1 Электрическая изоляция. Значение электроизоляционных материалов в производстве электротехнических изделий и конструкций	5
1.1 Физические процессы в диэлектриках в электрическом поле	5
1.2 Классификация диэлектриков	5
2 Условия работы электрической изоляции. Классификация действующих   на электрическую изоляцию нагрузок	6
2.1 Электрические напряжения	7
2.1.1 Внутренние перенапряжения	9
2.1.2 Внешние перенапряжения	9
2.2 Температурные условия работы	10
2.3 Механические напряжения	12
2.3.1 Внешние механические напряжения	13
2.3.2 Внутренние напряжения. Выбор расчетных условий эксплуатации	14
3 Регулирование электрических полей в изоляции	16
3.1  Методы регулирования электрических полей	16
3.2 Расчет полупроводящих покрытий	19
3.3 Градирование электрической изоляции	25
3.4 Применение экранов и их расчет	29
3.5 Регулирование поля применением конденсаторных обкладок	33
4 Старение изоляции	39
4.1  Основные понятия о старении изоляции	39
4.2 Электрическое старение изоляции	40
4.3 Тепловое старение изоляции	41
4.4 Механическое старение изоляции	43
4.5  Влияние увлажнения изоляции на процесс ее старения	43
5 Изоляция электротехнических установок	44
5.1 Общие сведения	44
5.2 Высоковольтные изоляторы	45
5.3 Классификация изоляторов, требования и технология	47
5.4 Изоляторы воздушных линий электропередачи и подстанций	47
5.5 Аппаратные изоляторы	50
5.6 Распределение напряжения вдоль гирлянды изоляторов	53
5.7 Технология изготовления изоляторов	54
6 Изоляция электрических машин и требования к ним	55
6.1 Изоляция электрических машин высокого напряжения	55
6.2 Технология изготовления термопластичной изоляции	66
6.3 Технология изготовления термореактивной изоляции	67
7 Изоляция трансформаторов и требования к ним	68
8 Изоляция конденсаторов и требования к ним	74
8.1 Изоляция конденсаторов	74
9  Силовые кабели. Классификация и назначение	79
9.1 Классификация и назначение кабелей	79
9.2  Силовые кабели, их маркировка и конструкции	80
9.3 Изоляционные материалы для кабелей и проводов	82
9.4 Конструкции силовых кабелей	83
9.5 Силовые кабели на напряжение 1-10 кВ. Одножильные кабели на напряжение 1-10 кВ. Двухжильные силовые кабели. Трехжильные силовые кабели. Четырехжильные силовые кабели	87
9.6 Электрические характеристики силовых кабелей	91
9.6.1 Расчет электрического сопротивления жил	91
9.6.2 Расчет индуктивности кабеля	91
9.6.3 Расчет емкостей кабелей	92
Список литературы	93