Глава I. Изоляционные конструкции

1. Вводы высокого напряжения

Проходные изоляторы высокого напряжения, называемые иначе вводами, имеют неблагоприятное расположение электродов с большой напряженностью электрического поля. Проходные изоляторы и вводы используются там, где токоведущие части проходят через стены, перекрытия зданий, ограждения электроустановок или вводятся внутрь металлических корпусов обору­дования. Вводы имеют более сложную конструкцию изоляции и выполняются с маслобарьерной изо­ляцией (до 750 кВ) или с бумажно-масляной изоляцией (110 кВ и выше).

Наибольшая напряженность электрического поля наблюдается у края фланца изолятора (рис. 1.1), где велики и нормальная к поверхности изолятора составляющая напряженности электрического поля, и тангенциальная составляющая. В этом месте возможно возникновение короны, скользящих разрядов, приводящих к перекрытию и к радиальным пробоям. Довольно часто при эксплуатации появляются наиболее опасные механические нагрузки на изгиб изолятора. Кроме того, на изолятор воздействуют тепловые нагрузки за счет нагрева токоведущих частей и диэлектрических потерь в изоляционном теле.

Рис.1.1.Схематическое изображение проходного изолятора.

Для увеличения напряжения перекрытия U_пер на наружной по­верхности изолятора делают ребра, а также увеличивают диаметр изоля­тора у заземленного фланца. И для создания более равномерного электрического поля используются конструкции конденсаторного типа, в которых требуемое распределение напряжения по изоляционной конструкции принудительно осуществляется при помощи металлических обкладок, закладываемых в изоляцию в процессе ее намотки. Такая конструкция уменьшает требуемые размеры ввода, особенно его диаметр, что улучшает условия отвода тепла. Чаще всего изоляторы конденсаторного типа выполняются так, чтобы обеспечить постоянство аксиальной (продольной) составляющей напряженности электрического поля. Для этого толщину слоя изоляции выбирают так, чтобы обеспечить одинаковые емкости между обкладками и одинаковые напряжения на каждом слое; уступы также принимаются одинаковыми. Иногда, однако, выполняют одинаковую толщину слоев.

Вводы содержат внешнюю и внутреннюю изоляцию сложной конструкции. Внешней изоляцией является фарфоровая покрышка. Внутренняя — участки изоляции в теле ввода.

Самым распространенным видом внутренней изоляции для вводов в настоящее время является бумажно-масляная изоляция, основу которой представляет бумажный остов, намотанный на токоведущую трубку и пропитанный изоляционным маслом. В бумажном остове располагаются уравнительные обкладки, регулирующие электрическое поле. Благодаря высокой кратковременной и длительной электрической прочности бумажно-масляная изоляция с успехом эксплуатируется в высоковольтных вводах уже десятки лет.

Для внутренней установки на напряжение до 35 кВ используются фарфоровые армированные проходные изоляторы, внутри которых проходит токоведущий стержень, или бумажно-бакелитовые проходные изоляторы конденсаторного типа. Бумажно-бакелитовые изоляторы изготавливаются путем намотки бумаги, пропитанной бакелитовой смолой, с обкладками из металлической фольги, обжимаются и выдерживаются при температуре 160^оС, при которой происходит полимеризация смолы. Недостатками бумажно-бакелитовых вводов являются малая влагостойкость и наличие газовых включений, поэтому на напряжения выше 35 кВ их не применяют.

На напряжении 110 кВ и выше используются конденсаторные вводы с маслобарьерной или бумажно-масляной изоляцией. В связи с более простой технологией изготовления наиболее распространены последние. В этой конструкции на токоведущий стержень наматывается изоляция из кабельной бумаги, а между слоями бумаги закладываются металлические обкладки из алюминиевой фольги. Бумага высушивается под вакуумом и пропитывается трансформаторным маслом. Сверху конструкция закрывается фарфоровыми покрышками, укрепленными на металлическом фланце. Пространство внутри покрышек заполняется трансформаторным маслом. Для повышения тепловой устойчивости ввода увеличивают площадь сечения стержня и улучшают качество изоляции снижением тангенса угла диэлектрических потерь. [14]

Рис. 1.2. Трансформаторный ввод с бумажномасляной изоляцией: а — конструкция ввода, б — общий вид ввода

Регулирование электрического поля в конструкциях вводов с бумажно-масляной изоляцией конденсаторного типа осуществляется с помощью, так называемых конденсаторных обкладок, представляющих собой дополнительные электроды из ме­таллической фольги, которые располагаются в толще изоляции между главными электродами. В результате обра­зуется цепочка последовательно включенных конденсато­ров, емкости которых при переменном напряжении (или сопротивления изоляции между обкладками при постоян­ном напряжении) определяют распределение напряженностей в изоляции.

П утем изменения размеров, числа и взаимного располо­жения конденсаторных обкладок можно изменять емкости последовательно включенных конденсаторов, регулируя тем самым характер распределения напряженностей.

Рис. 1.3. Варианты расположения конденсаторных обкладок в изоляции:

а — между электродами для регулирования в об­ласти основной изоляции; б — между дополни­тельными электродами для регулирования поля между их краями; 1 — электроды; 2 — диэлект­рик; 3 — конденсаторные обкладки

Конденсаторные обкладки могут располагаться: в об­ласти основной изоляции между электродами для регули­рования поля как в радиальном, так и в осевом направле­нии (рис. 1.3, a), a также в области между краями элек­тродов для выравнивания электрического поля между ними (рис. 1.3, б).

Выбор размеров и расположение обкладок в изоляции с осевой симметрией производятся па основании предпо­ложения о постоянстве потока смещения через все обклад­ки, расположенные между главными электродами (иска­жением поля на краях конденсаторных обкладок прене­брегаем) :

где E_r—напряженность поля у конденсаторной обкладки; — радиус обкладки; — длина обкладки.

Если принять, что максимальные напряженности поля в пределах каждого слоя между двумя соседними обклад­ками должны быть одинаковыми, то размеры обкладок могут выбираться из условия

Rl= const.

При достаточно большом количестве обкладок расстоя­ние между обкладками ∆r = r_n+l— r_п мало (2—4 мм), поэтому в пределах каждого слоя разница между макси­мальной и минимальной напряженностями поля незначи­тельна и, таким образом, напряженность поля в радиальном направлении практически постоянна (рис. 1.4.). Это поз­воляет существенно уменьшить диаметр изоляционной кон­струкции.

Рис. 1.4. Регулирование электрического поля с помощью конденсаторных обкладок в радиальном направлении.

Из технологических соображений обычно принимают значение ∆r постоянным. При этом, как следует из Rl, ∆r = r_n+l— r_п оказывается обратно пропорциональной r², т. е. при увеличении радиуса обкладок существенно умень­шается значение Δl. Это означает, что вблизи краев корот­кого электрода возникают значительные по величине со­ставляющие напряженности поля, направленные вдоль оси конструкции. Вместе с тем в этом направлении (вдоль сло­ев бумаги) электрическая прочность бумажно-масляной изоляции значительно меньше, чем в радиальном направ­лении. Поэтому при проектировании вводов часто исходят из постоянства напряженности поля в осевом направлении (между краями обкладок). При этом некоторое повышение радиальных напряженностей поля у электродов (рис. 1.4.) не оказывает существенного влияния на габариты ввода.

Отметим, что с помощью конденсаторных обкладок можно также регулировать электрическое поле и во вво­дах с маслобарьерной изоляцией. В этом случае обкладки располагают на барьерах цилиндрической формы. Посколь­ку число барьеров во вводах невелико, регулирование полу­чается более грубым, чем во вводах с бумажно-масляной изоляцией.

На краях тонких обкладок из фольги напряженности электрического поля велики, и в этих местах возникают частичные разряды. Для того чтобы исключить их или по крайней мере уменьшить размеры области, в которой они возникают, увеличивают радиус закругления края обклад­ки, например путем наворачивания его, а также располага­ют между краями обкладок дополнительные электроды, помощью этих электродов удается более равномерно распределить напряжение меж­ду краями соседних обкладок и уменьшить напряженность поля у краев основных обкладок. .[11]