22. Электрический пробой в бумажно-масляной и маслобарьерной изоляции

Масло-барьерная изоляция (МБИ). Основу МБИ составляет масло (минеральное). Для повышения пробивного напряжения масло-барьерной изоляции U_проб применяются твердые диэлектрики. В масляных прослойках устанавливают барьеры (из электрокартона, гетинакса и др.). Электроды покрывают или изолируют бумагой или лакотканью.

Барьеры в масле, как и в газе, выравнивают электрическое поле за счет осевших на них объемных зарядов. Это повышает U_проб промежутка при частоте f = 50 Гц в 2…2,5 раза (искровой промежуток стержень–плоскость). При этом барьер должен располагаться от стержня на расстоянии 10…25 % от длины промежутка L.

Рис. 2. Расположение барьера между электродами: Б – барьер; 1, 2 – электроды

Барьеры в масляных промежутках с однородным, со слабонеоднородным полем, в отличие от газовых промежутков, также повышают U_проб. Они препятствуют образованию проводящих мостиков между электродами. Пробивное напряжение в этом случае не зависит от места установки барьера и увеличивается на 30…50 %. Покрытие электродов тонким слоем диэлектрика (1…2 мм) не изменяет картину электрического поля между электродами, а лишь препятствует образованию мостиков. Например, Uпроб при расстоянии L = 10 см между электродами провод–провод d = 10 мм составляет 185 кВ. При покрытии этих проводов двумя слоями кабельной бумаги U_проб увеличивается на 50 % и составляет 280 кВ.

Изолирование электродов толстым слоем диэлектрика (десятки мм) приводит к существенному уменьшению напряженности электрического поля вблизи электродов, т.к. проницаемость (_т) твердого диэлектрика больше проницаемости масла (_м). При этом электрическая прочность изоляции возрастает. В отличие от покрытия, изолирование наиболее эффективно в промежутке с резконеоднородным полем. При несимметричных электродах изолируют электрод с меньшим радиусом кривизны, а при симметричных – оба электрода.

Свойства МБИ зависят от состояния твердого компонента и масла. Они сильно ухудшаются при их увлажнении. Увлажнение барьера до 3 % резко сокращает срок службы изоляции. Поэтому МБИ при изготовлении должны подвергаться сушке и вакуумированию. Влагосодержание (W_наиб) бумаги не должно превышать 0,5 %.

Конструкция МБИ обеспечивает интенсивное охлаждение токоведущих частей и поэтому применяется в силовых трансформаторах, вводах, реакторах, т.е. в тех случаях, когда во время эксплуатации электрооборудования (ЭО) выделяется большое количество тепла.

На рис. 3 для примера показана структура МБИ трансформатора.

Рис. 3. Основные элементы глав­ной изоляции и масляные проме­жутки обмоток трехфазного транс­форматора на 110 кВ с линейным вводом в верхней части обмотки (испытательное напряжение глав­ной изоляции обмоток ВН 200 кВ): 1 – цилиндры из электрокартона, 2 – прессующее стальное кольцо, 3 – угло­вые шайбы из электрокартона, 4 – междуфазная перегородка (барьер), 5 – емкост­ное кольцо, 6 – нижний изоляционный барьер

Бумажно-масляная изоляция (БМИ). Исходными материалами для БМИ служат кабельная или конденсаторная бумага и минеральное масло (трансформаторное, кабельное, конденсаторное).

Основу БМИ составляют слои бумаги. В зависимости от размеров, конструкции электродов (токоведущих частей), каждый слой бумаги может быть сплошным или состоять из отдельных лент. В первом случае используются рулоны бумаги большой ширины (до 3,5 м), во втором – ролики из бумажной ленты шириной от 20 до 40 мм. Рулонная БМИ используется в силовых конденсаторах и вводах (проходных изоляторах), ленточная – для изолирования электродов сложной конфигурации или большой длины (кабели, обмоточные провода для трансформаторов). Бумажная лента при этом может накладываться на изолированные части последовательными слоями по спирали с положительным или отрицательным перекрытием, рис. 4. Положительное перекрытие применяется для изоляции сложных электродов (трансформатор тока), отрицательное перекрытие применяется при машинной намотке бумажных лент для кабельной изоляции.

Рис. 4. Структура бумажно-масляной изоляции:

а) положительное перекрытие (намотка внахлест); б) отрицательное перекрытие (намотка с зазором между соседними витками)

Н

б)

аличие зазоров (L = 1…2 мм) между витками в слое придает БМИ большую гибкость. После намотки производится сушка под вакуумом при температуре t = 120С до остаточного давления р = 0,1…10 Па. Затем производится пропитка под вакуумом дегазированным маслом.

БМИ – многослойная, поэтому вероятность совпадения дефектов в нескольких слоях незначительная. БМИ имеет сложную структуру. При плотной намотке между слоями остаются маленькие (меньше 0,01 мм) зазоры, обусловленные с микронеровностями бумаги.

В самой бумаге имеется большое количество микропор между волокнами. В БМИ создается система распределенных по всему объему и связанных зазоров и микропор, которые в целом занимают 50 % объема изоляции. Благодаря этой системе при вакуумной сушке обеспечивается удаление из изоляции воздуха и влаги, а при пропитке надежное заполнение всех зазоров и микропор маслом. Этим в БМИ гарантируется отсутствие газовых включений и ограничение ЧР.

Бумажно-масляная изоляция обладает высокой электрической прочностью, превосходящей прочность ее компонентов. Пробивные напряженности тонких слоев бумажно-масляной изоляции в поперечном по отношению к бумаге направлении составляют 500…600 кВ/см. В то время как масло имеет напряженность пробоя около 200 кВ/см, кабельная бумага 100…150 кВ/см.

Прочность бумажно-масляной изоляции вдоль слоев бумаги ниже прочности в поперечном направлении в 10…20 раз. Поэтому для МБИ опасны продольные составляющие напряженности электрического поля. В зависимости от качества исходных материалов и технологии изготовления допустимые рабочие напряженности БМИ составляют 120…180 кВ/см, а в маслобарьерной изоляции только 40…60 кВ/см.