Матер. вед

На рис. 8.6 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.

Рис. 8.6. Опорный стержневой полимерный изолятор ИОСК 6-80-1 УХЛ на напряжение 10 кВ

Опорные стержневые изоляторы для работы на открытом воздухе отличаются от таких же изоляторов для работы в помещении большим количеством ребер. Ребра служат для увеличе-

123

ния 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 рис. 8.7. Они состоят из изоляционного фарфорового тела, токоведущего стержня и фланца, с помощью которого изолятор укрепляется на стене, перекрытии или ограждении. Проходные изоляторы, также 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.

Рис. 8.7. Проходные изоляторы:

а) и б) для работы в помещении; в) и г) для работы на открытом воздухе; а) и в) на 6 кВ; б) и г) на 35 кВ

124

8.5.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. Конденсатор представляет собой систему из двух или более проводников (обкладок),разделенных диэлектриком (рис. 2.1). Основное назначение конденсатора – накапливать электрический заряд и электрическую энергию.

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 — Фарад. В настоящее время в России производятся все виды современных электрических конденсаторов от единиц фарад до долей пикофарад.

Важнейшая характеристика конденсатора — удельная энергия, равная отношению запасенной в конденсаторе электрической энергии к объему активного диэлектрика:

	W		CU 2		ε0 εr S U 2		ε0 εr U 2	= ε0 εr E 2 . (8-2)
w =		=	2	=	2d	=
					S d		2d 2
	V S d							2

Здесь S – площадь пластин конденсатора, d – толщина диэлектрика.

Как следует из формулы (8-2) для увеличения удельной энергии следует выбирать материал с высокой относительной диэлектрической проницаемостью и высокой электрической прочностью.

Из формулы (8-2) можно выразить энергию конденсатора:

W = wV =	ε		ε		E 2	(8.3)
		0		r	Sd ≡ l 3 .

2

Здесь l – линейные размеры конденсатора.

125

Как видно из формулы (8-3), энергия конденсатора, а, следовательно, и потери растут пропорционально кубу линейных размеров. 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.

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 рис. 8.8.

Рис. 8.8. Схематическое устройство силового конденсатора

для повышения коэффициента мощности

126

Рис. 8.9. Плоскопрессованная рулонная секция:

1 – электроды из фольги;

2 – слои бумаги; 3 – выводы

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 (рис. 8.9), выполняющей роль электродов. В рулонных секциях обе поверхности электро-

дов являются активными, вследствие чего сокращается расход металла на электроды. Отдельные секции (см. рис. 8.8) соединяются перемычками 7 в параллельную, последовательную или смешанную схему в зависимости от рабочего напряжения и требуемой емкости. Конденсатор имеет два вывода 8.

В силовых конденсаторах используется бумажно-масля- ная изоляция. Чаще всего изоляцию секций выполняют из 6–8 слоев конденсаторной бумаги типа КОН толщиной 10–15 мкм (tgδ =–0,003). Внутренний объем конденсатора заполнен пропитывающим составом. В качестве пропитки используют минеральные масла (εr = 2,1–2,2) и синтетические полярные жидкости на основе хлордифенила (ХД) (εr = 4,8–5,5). Конденсаторное масло отличается от трансформаторного более тщательной очисткой. У конденсаторной бумажной изоляции до 30% объема занимают поры между волокнами и узкие щели между слоями бумаг. Поэтому относительная диэлектрическая проницаемость пропитывающей жидкости сильно влияет на емкость конденсатора. При пропитке хлорированными жидкостями емкость конденсатора в два раза превосходит емкость при пропитке минеральным маслом. Рабочие напряженности в конденсаторах промышленной частоты составляют 12–14 кВ/мм при

127

пропитке минеральными маслами и 15–20 кВ/мм при пропитке хлорированными жидкостями..

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 (εr = 2,2–2,3, Епр = 180 кВ/мм, tgδ = 0,0004, ρ = 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. Так например, крупнейший отечественный производитель всех типов силовых конденсаторов Серпуховской конденсаторный завод «КВАР», внедряя указанную технологию, разработал и освоил выпуск конденсаторов для комплектации силовых фильтров высших гармоник мощностью 300квар 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 εr, что позволяет выполнять конденсаторы с меньшими габаритами и весом. Большая часть керамических материалов с высокой εr имеют в качестве основной составной части диоксид титана TiO2. Одна из его модификаций — рутил имеет в направлении главной кристаллографической оси εr = 173. Низкочастотная керамика имеет εr = 15000–20000. Име-

128

ются полупроводниковая керамика с εr = 50000. Таким образом, керамические материалы по сравнению с полимерными пленками дают огромный выигрыш по значению εr. Низковольтные и высоковольтные керамические конденсаторы применяются в высокочастотной технике: в измерительных схемах и в 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

вкачестве катода.

Вдиффузионных конденсаторах в качестве диэлектрика служит запорный слой на границе p-n перехода в полупроводнике. В конденсатора на МДП структурах (металл-диэлектрик-полу- проводник) в качестве диэлектрика используется слой диоксида кремния, выращенный на поверхности кремниевой пластины. Обкладками служит 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

вколебательных контурах радиоаппаратуры.

8.6.ИЗОЛЯЦИЯ СИЛОВЫХ КАБЕЛЕЙ

Электрическим кабелем (от голландского kabel – канат, трос) называют систему гибких изолированных проводников, имеющих кроме собственной изоляции об-

щую 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

129

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%. Рассмотрим устройство кабелей с различными видами изоляции.

На рис. 8.10 показан разрез трехжильного силового кабеля с секторными жилами и бумажной изоляцией с вязкой пропиткой [33]. 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 заполняется низкокачественной изо-

Рис. 8.10. Трехжильный кабель с секторными жилами:

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

130

ляцией (бумажными жгутами). Наибольшее действующее значение рабочей напряженности в кабелях до 10 кВ не превышает значения 2 кВ/мм.

Чтобы кабель был гибким, жилы его выполняются из большого числа скрученных тонких проводов. Изоляция кабеля должна быть достаточно гибкой, механически прочной и и иметь высокую электрическую прочность. Последнее особенно важно, так как при уменьшении толщины изоляции повышается гибкость кабеля, уменьшается его вес и стоимость, улучшается теплоотвод и повышается рабочий ток кабеля. Кроме того, высокое значение электрической прочности повышает надежность работы кабеля, а, следовательно, снижает его эксплуатационные расходы, так как на поиск места повреждения кабеля и 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-Пе- тербурге некоторые кабели с бумажно-масляной изоляцией на напряжение 10 кВ эксплуатируются более 75 лет.

Внастоящее 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 бу-

маги примерно такой же как для непропитанной конденсаторной бумаги и составляет примерно tgδ = 0,002.

Вкачестве вязкой пропитки ленточной бумажной изоляции применяются масляно-канифольные или синтетические нестекающие 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, которые снижают электрическую прочность изоляции.

131

Металлическая оболочка выполняется обычно из свинца или алюминия. Поверх оболочки накладываются защитные покровы, включающее 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 [7, 8].

Для поддержания неизменного давления масла в кабеле на кабельной 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 и 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 рис. 8.11. В стальном трубопроводе, заполненном маловязким маслом под давлением 1,5 МПа 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.

132