ИЭ (13.03.02) / Лекции / Текст / Лекция 1_8_text

Лекция 8.

Слайд 1.

Внутренняя изоляция установок высокого напряжения обеспечивает электрическую прочность промежутков образованных токоведущими элементами, располагаемыми внутри корпусов оборудования высокого напряжения (трансформаторы, выключатели, вводы и т.п.). С учетом требований к компактности оборудование и его элементов внутренняя изоляция должна обладать существенно более высокой электрической прочностью по сравнению с газовой изоляцией при атмосферном давлении. Для повышения электрической прочности внутренних изоляционных конструкций чаще применяют комбинированную изоляцию, в состав которой входят жидкие, например трансформаторное масло, и твердые диэлектрики, такие как электрокартон, специальные виды бумаги, полимерные пленки, эпоксидные компаунды, вязкие канифольные пропитки, полимерные изоляционные композиции и т.п.

В силовых трансформаторах и некоторых других установках высокого напряжения широко применяется маслобарьерная изоляция, представляющая собой изоляционные промежутки заполненные трансформаторным маслом с внедренными в них барьерами из электрокартона. При этом размеры и положении барьеров выбирается таким образом, чтобы вектор напряженности электрического поля преимущественно был направлен перпендикулярно поверхности барьера.

Основной эффект применения барьеров состоит в предотвращении сквозных проводящих цепочек примесей и загрязнений при приложении электрического поля. На графике данного слайда приведены зависимости электрической прочности масляных промежутков в зависимости от положения барьера из электрокартона внутри них. Как видно из кривых, электрическая прочность промежутка с барьером при любом положении барьера в промежутке. Кроме того нетрудно увидеть, что существует и оптимальное положение барьера при котором пробивное напряжение маслобарьерного изоляционного промежутка достигает максимальной величины. Отмеченные свойства показывают, что применение маслобарьерной изоляции позволят до 50% повышать электрическую прочность одинаковых по длине промежутков.

Слайд 2.

В случае резко неоднородного поля эффект барьера выражен существенно сильнее. Как показываю графики в левой верхней части слайда, в промежутке игла-плоскость введение барьера из электрокартона увеличивает электрическую прочность промежутка более чем в два раза. Вместе с тем влияние барьера в масляном промежутке в случае воздействия импульсного напряжения незначительно, вследствие иных в отличие от описанных проводящих цепочек, механизмов пробоя.

Развитие пробоя маслобарьерной изоляции начинается в результате пробоя масляного канала, который может быть проявить как мощный частичный разряд с зарядом около 1000 ПКл. При этом на поверхности электрокартона остаются черные (науглероженные следы).

Как уже отмечалось выше, следует избегать расположения поверхности барьера параллельно вектору напряженности электрического поля, так как в этом случае возникает скользящий вдоль поверхности электрокартона разряд, напряжение начала которого существенно ниже, чем в промежутке при отсутствии твердого диэлектрика. Это демонстрируют зависимости, приведенные на графике в левом нижнем углу.

Скользящие разряды наряду с коронным разрядом вызывают обугливание картона с образование науглероженных дорожек ползущего по поверхности разряда. Кроме того указанные виды разряда вызывают химическое разложение масла и его загрязнение продуктами такого разложения. В результате масло мутнеет вследствие появления взвешенных в нем частиц, которые постепенно выпадают в осадок на дне бака трансформатора. В составе масла также появляются некоторые характерные химические элементы. Все эти физические и химические изменения, происходящие в масле при воздействии разрядов используются в различных системах диагностики состояния маслонаполненного электрооборудования. В частности используются оптические методы, хромотографический анализ и т.д.

Слайд 3.

В случае частичных разрядом малой интенсивности меньших 100 пКл газовыделение в масле незначительно и газообразные продукты успевают растворяться в масле, так что концентрация и размер пузырьков в масле не

возрастают. Поэтому частичные разряды малой интенсивности не вызывают ускоренного старения маслобарьерной изоляции. Кратковременное действие таких частичные разрядов вызвают незначительное выделение газа, который адсорбируется на поверхности картона, оставляя т.н. белый след.

Мы уже отмечали выше, что взаимодействие плазмы разряда с поверхностью электрокартона приводит к его обугливанию и образованию проводящих дорожек. Такой механизм реализуется в результате частичных разрядов большой мощности с кажущимся зарядом свыше 1000 пКл, например при пробое масляного канала. Фотографии ползущего разряда приведены на рисунке в нижней части слайда.

Слайд 4.

Бумажно-масляная изоляция широко применяется в кабелях, отводах, измерительных трансформаторах тока и напряжения и т.д. Бумажномасляная изоляция представляет собой некоторое количество кабельной бумаги, пропитанных трансформаторным или кабельным маслом. Наличие масляной пропитке обеспечивает «залечивание» пор и дефектов, образующихся при частичных разрядах и мало интенсивных пробоях. Иными словами бумажно-масляная изоляция способна к частичному самовосстановлению, что продлевает срок эксплуатации изоляционных конструкций такого типа.

Два основных типа намотки бумажно-масляной изоляцией представлен на рисунках данного слайда. Различают намотку с положительным и отрицательным перекрытием. Отрицательное перекрытие возникает на стороне большого радиуса криволинейных деталей при их обмотке. На стороне малого радиуса будет иметь место положительное перекрытие. Характерные размеры и толщины обмоточной бумажной ленты приведены на рисунках.

После намотки необходимого количества слоев производится сушка детали с намоткой под вакуумом при температуре 130 град. С. Далее осуществляется пропитка конструкции маслом под вакуумом. Кратковременная электрическая прочность бумажно-масляной изоляции достаточно высока при напряжении промышленной частоты 50 -120 кВ/мм. Еще более высокая прочность данного вида изоляции при постоянном напряжении вследствие отсутствия частичных разрядов 100-250 кВ/мм.

Коэффициент импульса для бумажно-масляной изоляции в однородном поле достигает 2-х.

Слайд 5.

Максимальная электрическая прочность бумажно-масляной изоляции достигается при 6-10 слоях бумаги, как показывает экспериментальная зависимость на рисунке слева вверху слайда. Первоначальный рост пробивной напряженности при увеличении количества слоев обусловлен снижением вероятности совпадения ослабленных и дефектных мест различных слоев, а спад при большом числе слоев – затрудненным теплоотводом и большей вероятностью развития теплового пробоя.

Рассчитаем напряженность электрического поля в масляных прослойках бумажно-масляной изоляции с помощью расчетной модели представленной на рисунке справа вверху. Там же приведена формула, связывающая напряженность поля в масляной прослойке и среднюю по структуре бумага-прослойка напряженность. Анализ предельных случаев полученного выражения показывает, что в случае листовой изоляции, когда толщина прослоек существен выше толщины бумажного листа напряженность в масляной прослойке в два раза превосходит среднюю. Для ленточной изоляции, когда толщины прослоек и изоляции примерно равны напряженность в масляной прослойке на 30% выше, чем средняя.

И в том и в другом случае остаются постоянными отношение толщины прослойки и бумаги и отношение средней напряженности и напряженности в масляной прослойке. Уменьшение толщины прослойки при сохранении напряженности в ней увеличивает ее электрическую прочность. Поэтому целесообразно применять тонкие бумаги, что приводит к заметному росту электрической прочности. Эту особенность иллюстрирует кривая на рисунке в левом нижнем углу слайда.

Очевидно, что структура бумажно-масляной изоляции анизотропна. Поэтому и электрическая прочность такой изоляции зависит от направления вектора электрического поля. В частности при действии электрического поля вдоль слоев бумажно-масляной изоляции электрическая прочность в 2-3 раза ниже чем при нормальном ее использовании.

Слайд 6.

Сложная структура и технология бумажной изоляции предполагает появление маломасштабных дефектов, как на стадии изготовления, так и в процессе ее эксплуатации. Поэтому частичные разряды являются неизбежным процессом, происходящим в бумажно-масляной изоляции при воздействии рабочего напряжения промышленной частоте.

Начальные частичные разряды бумажно-масляной изоляции имеют достаточно низкий уровень 0.001-0.01 пКл. Они локализуются в области масляных прослоек и не приносят существенного ущерба структуре изоляции, так как количество выделяющегося газа весьма незначительно и он успевает целиком растворяться в масле. Также местом локализации частичных разрядов являются области усиления поля – всевозможные кромки. Эмпирическая формула для расчета напряженности поля возникновения начальных частичных разрядов по заданной толщине бумаги приведена на данном слайде.

Уровню критических частичных разрядов в бумажно-масляной изоляции соответствует кажущийся заряд свыше 1000 пКл. Частичные разряды такой интенсивности вызывают химическое разложение масла и целлюлозы с интенсивным газовыделением. Химические формулы выделяющихся газов приведены на слайде, среди них в частности присутствуют водород, метан окись и двуокись углерода. Физически столь мощные частичные разряды представляют скользящие разряды в области усиления электрического поля, а также микропробои газовых полостей.

Критические частичные разряды сопровождаются развитием ветвистого разряда вдоль поверхности слоев бумаги, следы которого образуют характерные рисунки на поверхности бумаги.

Напряженность начала критических разрядов описывается эмпирической формулой, представленной на слайде.

Если критические частичные разряды связаны с кратковременным увеличением напряжения (перенапряжения), то после возвращения к нормальному режиму напряжения бумажно-масляная изоляция восстанавливает свои свойства благодаря постепенному растворению выделившихся газообразных продуктов в масляной составляющей изоляции. Напряжения возникновения частичных разрядов растет по мере увеличенния длительности «отдыха» изоляции, что видно из приведенного в левом

нижнем углу слайда графика. Такое поведение подтверждает упомянутую выше способность бумажно-масляной изоляции к самовосстановлению.

Слайд 7.

Принцип построения бумажно-масляной изоляции применяется также и при использовании других материалов. Ранее в некоторых специальных случаях для пропитки использовались хлорированные диэлектрики, характеризуемые высокой диэлектрической проницаемостью. Однако в настоящее время вследствие их высокой токсичности и нестабильности они не применяются.

В кабельной изоляции применяются вязкие пропитки, получаемые как смесь канифоли и кабельного масла. Такой компаунд имеет ограниченную текучесть, что позволяет применять изоляционную конструкцию при относительно большом перепаде высоты. Недостатком вязкой пропитки является склонность к образованию газовых пузырей при циклическом изменении температуры конструкции, вызываемом климатическим фактором или изменением токовой нагрузки, если речь идет, например, о силовых кабелях.

Наряду с кабельной бумагой в качестве твердой компоненты изоляции применяются также и полимерные пленки в частности в силовых конденсаторах. Также часто используется комбинированный твердый диэлектрик бумага и полимерная пленка. Полимерная пленка обладает высокой электрической прочностью и однородностью, а располагаемой на поверхности пленки слой бумаги играет роль фитиля втягивающего в твердотельную структуру пропиточный компонент.

Слайд 8.

Несмотря на все преимущества бумажно-масляной изоляции описанные выше – высокая электрическая прочность и способность к самовосстановлению, действие частичных разрядов приводит в конце концов к ее старению. Выше мы отмечали, что газовая изоляция свободна от последствий действия частичных разрядов. Вместе с тем относительная низкая электрическая прочность атмосферного воздуха не позволяет использовать его в компактных высоковольтных устройствах. Однако применение специальных видов газов и высоких давлений позволяет

существенно увеличить электрическую прочность газовых промежутков и уменьшить изоляционные расстояния в установках высокого напряжения.

Электрическая прочность газовой изоляции при высоких давлениях может превосходить прочность жидких и твердых диэлектриков, что показывают графики на рисунке данного слайда. В отличие от воздуха, для увеличения электрической прочности которого требуются весьма высокие давления, гексофторид серы (элегаз) при небольшом избыточном давлении (несколько атмосфер) по электрической прочности становится сопоставимым с трансформаторным маслом. Кроме того элегаз не токсичен, не горюч и взрывобезопасен.

Слайд 9.

Применение газов под давление в условиях низких температур не должно приводить к появлению жидкой фазы. Из приведенной таблицы следует, что достаточно высокой по сравнению с воздухом электрической прочностью и достаточно низкой точкой кипения обладают шестифтористый селен и шестифтористая сера. Первый обладает очень высокой электрической прочностью, но токсичен. Элегаз несколько менее прочен, но имеет весьма низкую температуру кипения. Тем не менее элегазовые высоковольтные устройства наружной установки в условиях России снабжаются специальными устройствами подогрева для того, чтобы избежать сжижения элегаза в зимних условиях при сильных морозах.

Слайд 10.

Для выбора изоляционных расстояний в сжатом элегазе можно исходить из условия самостоятельности разряда в газах. Условие самостоятельности Таунсенда выполняется с наибольшей вероятностью, когда левая часть неравенства в верхней части слайда максимальна. Это имеет место, когда знаменатель выражения в левой части неравенства близок к нулю. Указанный знаменатель разность коэффициентов ударной ионизации и рекомбинации. Данная разность, поделенная на давление газа является функцией отношение напряженности электрического поля к давлению. Условие

достигается при некотором критическом отношении (E/P)кр. При этом для газов с большой величиной коэффициента прилипания условие самостоятельности реализуется при больших значениях α. А поскольку α является возрастающей функцией напряженности электрического поля , то рост η потребует для развития пробоя более высоких напряженностей. Зависимости этой величины от произведения давления на изоляционное расстояние PS приведены на графиках справа. При PS> 100 Па см обе зависимости стремятся к постоянному значению. Реализация практических устройств соответствует PS> 100000 Па см. При этом для элегаза (E/P)кр=8.9 10-4 кВ/см Па. Откуда для однородного поля E=U/S имеем Uпр=(8.9 10-4)

PS[Па см] кВ.

В случае неоднородного поля в закономерностях разрядного напряжения в элегазе возникают аномалии. Зависимость пробивного напряжения от давления утрачивает монотонность, у нее появляется минимум в области давления 4 атм. Это демонстрирует графики зависимостей пробивных напряжений в промежутке игла-плоскость в элегазе, приведенные на рисунке в нижней части слайда. Для того чтобы преодолеть отмеченную аномалию применяют меры по ограничению неоднородности полей, например экраны, а также изолирующие покрытие поверхности криволинейных электродов для ограничения автоэлектронной эмиссии поверхностей электродов.

Слайд 11

Опыт показывает наличие влияния материала электродов на разрядные напряжения при высоких давлениях газовой среды. При этом чем выше массовая плотность материала электрода, тем выше разрядное напряжение.

Разрядное напряжение также можно увеличить, применяя диэлектрические покрытия криволинейных электродов. При этом желательно иметь низкие значения диэлектрической проницаемости материала покрытия. Обычно применяемые толщины таких покрытий по порядку величины составляют 10-

100 мкм.

Для удешевления систем газовой изоляции, можно применять не чистый элегаз, а его смесь с более дешевым азотом. Зависимость повышения электрической прочности смеси от объемной доли элегаза приведена на рисунке. В частности из рисунка видно, что 50% доля элегаза в смеси N2-SF6 обеспечивает электрическую прочность, близкую к случаю чистого элегаза.

Слайд 12.

Закрытые элегазовые распределительные устройства высокого напряжения представляют собой совокупность герметичных корпусов, внутри которых расположены токоведущие элементы, коммутационные и защитные аппараты, измерительные трансформаторы и датчики. Токоведущие элементы фиксируются внутри корпусов твердотельными изоляционными конструкциями – распорками. На рисунках слайда показана конструкция элегазового токопровода и различные виды распорок. Токопроводы снабжены областями с увеличенным диаметром оболочки, предназначенными для улавливания мелких проводящих и диэлектрических частиц, движение которых под действием электрической силы в коаксиальном промежутке способно спровоцировать электрический пробой. Причинами появления частиц могут быть технологические несовершенства, вибрации и иные факторы, возникающие в процессе эксплуатации.