Лабораторная работа №10. Ограничение перенапряжений

Цель работы: изучение конструкций разрядников, их назначение и использование в схемах электроснабжения.

10.1. Изоляция аппаратов высокого напряжения

10.1.1. Классы номинальных напряжений.

Одним из основных требований к аппаратам высокого напряжения (АВН) является надежная работа при напряжениях, достигающих многих сотен киловольт. Поэтому вопрос электрической прочности изоляции является одним из важнейших.

Для электрооборудования высокого напряжения переменного тока в России установлена шкала номинальных напряжений от 3 до 1150 кВ.

Класс Наибольшее рабочее напряжения напряжение, кВ 3 3,6 6 7,2 10 12,0 35 40,5 ПО 126,0 220 252,5 500 525,0

В соответствии с классом напряжения проектируются изоляционные конструкции, которые содержат внешнюю изоляцию, где изолирующей средой является атмосферный воздух, и внутреннюю, где изолирующей средой является газообразный, жидкий или твердый диэлектрик, а также вакуум.

Как для внутренней, так и для внешней изоляции возможны два вида нарушения электрической прочности изоляции:

электрический пробой промежутка между токоведущими частями, имеющими различный потенциал, или токоведущими и заземленными частями, например, между первичной и вторичной обмотками трансформатора тока, между контактами выключателя в их разомкнутом состоянии - внутренние перенапряжения (коммутационные);

перекрытие изоляции по поверхности, соединяющей эти части -внешние (атмосферные).

Первые возникают при коммутации электрических цепей (катушек индуктивности, конденсаторов, длинных линий). Они характеризуются относительно низкой частотой воздействующего напряжения (до 1000 Гц) и длительностью до 1 с. Электрическая прочность внутренней изоляции при пробое нарушается, как правило, необратимо. Вторые возникают при воздействии атмосферного электричества, имеют импульсный характер воздействующих напряжений и малую длительность (десятки микросекунд). Электрическая прочность внешней изоляции после пробоя или перекрытия и быстрого отключения источника напряжения может восстановиться до исходного уровня. Поэтому изоляция и изоляционная конструкция рассчитываются и проектируются так, чтобы при повышении напряжения более вероятным было нарушение внешней изоляции, а не внутренней.

Изоляционная конструкция в процессе эксплуатации должна выдерживать длительное (десятки лет) воздействие наибольшего рабочего напряжения, а также кратковременные (от единиц до тысяч микросекунд) многократные воздействия возникающих в сети атмосферных (грозовых) и внутренних (коммутационных) перенапряжений. Габаритные размеры оборудования при этом получаются чрезмерно большими, так как перенапряжения могут быть в 6-8 раз больше номинального напряжения. С целью облегчения изоляции возникающие перенапряжения ограничивают с

помощью разрядников и изоляцию оборудования выбирают по этому ограниченному значению перенапряжения.

Надежная работа изоляционных конструкций из фарфоровых и стеклянных изоляторов при длительном воздействии рабочего напряжения обеспечивается выбором соответствующей длины пути утечки (ГОСТ 9920-75). Под длиной утечки понимается наименьшее расстояние по поверхности изолирующей детали между металлическими частями (арматурой) разного потенциала. Электрооборудование в зависимости от длины пути утечки внешней изоляции разделяются на следующие категории исполнений: А -нормальная, Б - усиленная, В - особо усиленная.

10.1.2. Разновидности изоляционных материалов для АВН

В электрооборудовании высокого напряжения используют газообразные, жидкие и твердые изоляционные материалы.

Элегаз, или шестифтористая сера SF₆ , находит все более широкое применение в АВН, что объясняется хорошими изоляционными, дугогасящими и теплоотводящими свойствами этой среды. До настоящего времени в конструкциях АВН находил применение элегаз в газообразном состоянии, однако в патентной литературе имеются описания АВН и на жидком элегазе.

Электрическая прочность элегаза, как и любого газа, зависит от давления, степени неоднородности электрического поля, состояния поверхности и материала электродов.

Электрическая прочность технически чистых масел зависит от концентрации и вида примесей, так как частицы примесей вызывают местные искажения электрического поля, а также образуют цепочки, вдоль которых облегчается развитие разряда. Главной из возможных примесей в

высокополимерные органические диэлектрики - винипласт, фторопласт, оргстекло;

электроизоляционные бумаги и картоны, в том числе фибра; слоистые электроизоляционные пластмассы - гетинакс, текстолит, стеклотекстолит;

- заливочные и пропиточные компаунды - битумные, эпоксидные, эпоксидно-полиэфирные;

электрокерамические материалы - фарфор, стеатит, кордиерит. Эти материалы используются для изготовления изоляционных корпусов аппаратов, дугогасительных камер, панелей, перегородок, тяг и других элементов конструкций. Они должны иметь высокий уровень электрической и механической прочности, работать в широком диапазоне изменения окружающей температуры, быть стойкими к химическим воздействиям, воздействию высокой температуры электрической дуги, удовлетворять ряду специфических требований.

Винипласт - материал на основе поливинилхлорида, термопластичен, хорошо сваривается, поддается механической обработке, стоек к химически активным средам, растворителям и маслам, негорюч. Температура его разложения 150°-160°С. При воздействии электрической дуги выделяет газы, способствующие её гашению.

Фторопласт имеет более высокую рабочую температуру, устойчив в интервале температур от -180° до +190°С; негорюч, химически стоек.

Оргстекло стойко к минеральным маслам, бензину, щелочам. При 80°-120°С материал размягчается, а при 250°-300°С разлагается. При воздействии электрической дуги генерирует газы.

Фибра - материал, получаемый прессованием листов бумаги, предварительно обработанных раствором хлористого цинка, поддается всем

технических маслах является вода, повышение концентрации которой выше растворяющей способности масла приводит к образованию эмульсии. Слияние отдельных капель и образование тончайших водяных каналов при некотором напряжении, приложенном к промежутку, приводит к сильному искажению электрического поля и снижению электрической прочности промежутка. Загрязнение масла в процессе эксплуатации продуктами воздействия дуги на масло и стенки ДУ, растворенными газами также существенно снижает его электрическую прочность.

При больших масляных промежутках из-за неоднородности электрического поля их электрическая прочность относительно невелика. Для повышения электрической прочности масляных промежутков используют покрытие и изолирование электродов твердой изоляцией, чаще всего слоями кабельной бумаги, а также барьеры из твёрдых диэлектриков. Такого вида изоляция встречается в конструкциях баковых масляных выключателей в конструкции ввода, недостатком которых являются большие габариты и масса.

Вводы с твердой изоляцией имеют меньшие габаритные размеры и массу. Недостатком таких вводов является необходимость применения бумаги и смол с высокими диэлектрическими характеристиками.

Разновидностью бумажно-масляного ввода является ввод конденсаторного типа, в котором в толщу изоляции закладываются электроды из металлической фольги таким образом, чтобы емкости частичных конденсаторов, создаваемых металлическими обкладками и слоем изоляции, были примерно равны.

Конденсаторная изоляция широко применяется в изоляции трансформаторов тока (ТТ).

В качестве твердых изоляционных материалов АВН используется множество диэлектриков:

видам механической обработки и штамповки, а также формовки после размягчения в горячей воде. Обладает газогенерирующими свойствами.

Слоистые электроизоляционные пластмассы выполняются на основе специальных сортов пропиточной бумаги (гетинакс), хлопчатобумажных (текстолит) и стеклянных (стеклотекстолит) тканей, древесины. В качестве связки применяются бакелитовые или кремнийорганические смолы, переведенные горячим прессованием в неплавкое и нерастворимое состояние.

Электрокерамические материалы получаются путем обжига исходных керамических масс на основе глины с добавками кварца, полевого пшата (электрофарфор), талька, углекислого бария или углекислого кальция (стеатит), электрокорунда (кордиерит). Все эти материалы имеют высокую стойкость к атмосферным воздействиям, негигроскопичны.

Пропиточные компаунды применяются для пропитки обмоток с целью повышения электрической и механической прочности междуслойной и витковой изоляции. А также улучшения отвода тепла от обмотки за счет ликвидации воздушных включений, снижения влагопоглощения, повышения монолитности и однородности конструкции.

Сам процесс пропитки предполагает проведение предварительных операций сушки, в том числе при вакууме, вакуумирования смолы, вакуумирования компаунда и собственно пропитки с применением среднего или глубокого вакуума.

Заливочный компаунд должен свободно заливаться в форму, иметь небольшую вязкость при заливке, составляющие компаунда должны хорошо совмещаться при перемешивании, компаунд должен иметь малую усадку.

Фарфор широко применяется в АВН для изготовления опорных и проходных изоляторов, покрышек, стержней, тяг. Обладая хорошими диэлектрическими свойствами, фарфор имеет невысокую механическую прочность, особенно при растяжении и изгибе.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Назвать шкалу номинальных напряжений.

2. Когда возникают внутренние (коммутационные) перенапряжения и чем они опасны.

3. Когда возникают внешние (атмосферные) перенапряжения.

4. Требования к изоляционным конструкциям.

5. Перечислить категории исполнения электрооборудования в зависимости от длины пути утечки.

6. Охарактеризовать элегаз как изоляционный материал.

7. Охарактеризовать масло как изоляционный материал.

8. Охарактеризовать твердые изоляционные материалы.