книги из ГПНТБ / Техника высоких напряжений учеб. пособие

помощи специальных баков питания или давления, в которые поступа­ ет избыточный объем масла при нагреве кабеля. При охлаждении мас­ ло уходит обратно в кабель. Эти баки представляют собой гофриро­ ванные сосуды, наполненные маслом, в которых поддерживается опре­ деленное давление. В баках питания изменение объема приводит к значительно меньшему изменению давления, чем в баках давления, что, однако, удорожает конструкцию бака питания. Обычно эти баки ста­ вятся у концевых муфт кабеля, а баки давления распределяются по длине кабеля у стопорных муфт, обеспечивающих электрический кон­ такт и не передающих давление масла из одного отрезка кабеля в другой.

По величине давления маслонаполненные кабели разделяются на кабели низкого давления — до 1 апѵ, среднего давления — до 3-4-4 апѵ,

Рис. 15.34. Маслонаполненный кабель’ среднего давления на напряжение НО кв:

1 — маслопроводящнП канал; 2 — токоведущая жила; 3 — экран из трех лент полупроводящеП бумаги; 4 — изоляция из бумаги толщиной 0,075 и 0,125 мм\ 5 — экран из трех лейт полупроводящеП бумаги; 6 — оболочка нз медистого свинца; 7 --//, 13 — защитные покровы; 12 — броня нз стальных и медных проволок

высокого давления — от 7 до 15 am. Повышение давления приводит к увеличению электрической прочности кабеля и к возможности при­ менения более высоких рабочих напряженностей: 60-4-100 кв/см для кабелей низкого давления; 80-4-120 кв/см для кабелей среднего дав­ ления; до 180 кв/см для кабелей высокого давления.

Конструкция кабеля среднего давления на напряжение ПО кв приведена на рис. 15.34.

439

Увеличение давления требует упрочнения свинцовой оболочки, что обычно осуществляется наложением на нее стальных или бронзо­ вых лент или плоских стальных оцинкованных проволок. Поэтому ка­ бели высокого давления в ряде случаев выполняются в стальном тру­ бопроводе (рис. 15.35), где прокладываются три одножильных кабеля

с изоляцией из пропитанной бумаги, снабженных поверх изоляции металлическим экраном. Эти кабели выполняются или в свинцовых оболочках, которые' снимаются при протяжке в трубопровод, или в эластичных покрытиях (полиэтиленовых оболочках), которые остаются на кабелях после прокладки.

г. Электрический расчет изоляции кабелей

Толщина изоляции кабелей выбирается исходя из допустимой на­ пряженности электрического поля на поверхности жилы при рабочем напряжении. Величина этой напряженности определяется характе­ ристиками частичных разрядов.

440

Для одножильных кабелей с экранированной цилиндрической жи­ лой напряженность поля в изоляции в точке на расстоянии г от оси равна Er=U/г\п(гг/гу), где U —• напряжение между жилой и свинцо­ вой оболочкой; и г„— внутренний и наружный радиусы изоляции.

По толщине изоляции Е изменяется от своего максимального зна­

£„„„=■ £//[Ла ІП (Гв/Гі)].

Если не изменять наружного радиуса

]Л> + 4 — У ѵ

где Гу— радиус закругления внешнего ребра; при толщине поясной изоляции Дг = Д величина ц = 2Д/г].

Жила кабеля скручивается из большого числа проволок. Если поверхн'ость жилы не экранирована, то напряженность на ее поверх­ ности вследствие искажения поля увеличивается по сравнению со значением Дмакс. Это увеличение напряженности равно

^макс т I ІП (С/^0

п 1п [Гdrу)

где Дмаке и Емакс— максимальная напряженность на поверхности скрученной жилы и на поверхности гладкой жилы; т — число про­ волок в наружном повиве жилы; Гу\ігг— радиусы оболочки и жилы кабеля; параметр

. ^ 1+ от sin (я/от)

441

ная 7 е0; а—удельное объемное содержание пор в бумаге; а = 1— Уо/ук‘, уб— плотность бумаги; ук— плотность клетчатки, равная 1,55 г/см3.

При изменении плотности от 0,7 до 1,3 г/см3 относительная диэлек­ трическая проницаемость пропитанной минеральным маслом бумаги изменяется от 3,5 до 4,6. Обычно бумага с большей плотностью имеет меньшую толщину. Поэтому при градировании изоляции у жилы ка­

Наивыгоднейшим условием градирования является равенство наи­ больших напряженностей во всех слоях. Если изоляция имеет п слоев, то наибольшая напряженность в k-u слое с внутренним радиусом rh и диэлектрической проницаемостью ek определяется выражением

в слоях были одинаковыми, необходимо выполнить условие rkek= const.

д. Тепловой расчет изоляции кабелей

При тепловом расчете определяется предельная сила тока, при которой перегрев изоляции не превышает допустимого значения ДТ’д = Тж. д— Т и. Максимальная допустимая температура жилы Г ж-Д принимается: 80°С для кабелей на напряжение до 3 кв\ 65°С для

442

кабелей 6 /се; 60DC для кабелей от 10 до 35 /се; 70 -4- 75°С для масло­ наполненных кабелей ПО кв и выше. Температура окружающей среды Т 0 при прокладке кабелей в земле принимается равной 15°С.

Основными источниками тепла в кабеле являются следующие потери: в жиле Q1K; в диэлектрике Q;(; в свинцовой оболочке и броне Qc. Последние имеют существенное значение для одножиль­ ных кабелей. Обычно расчет ведется на единицу длины кабеля.

Перепад температуры между токоведущей жилой и окружающей

П

средой АТ = ТЖ— Т 0 равен АТ = ^ C^RTI, где Q,-— тепловой поток,

R T0—тепловое сопротивление окружающей среды; /гд— коэффициент, учитывающий распределение диэлектрических потерь по толщине изоляции жилы.

В кабелях до 35 кв главным источником нагрева является тепло QÄ, выделяющееся в токопроводящих жилах в единицу времени, причем

Однако в первом приближении для кабелей низших классов напря­ жения можно условно диэлектрические потери отнести к поверхности жилы. При tg 6 = const коэффициент &д = 0,5. Тогда суммарное ко­ личество тепла от потерь в жиле и в диэлектрике равно

Фж+ ^д*2д= 0>24/2До [I + а (7\к— ^2о)] 0,24-0,5Д7фСоСудtg б.

443

Величина тепловых сопротивлений цилиндрических слоев изоля­ ции на единицу длины определяется по формуле (15.52). Эквива­ лентное тепловое сопротивление окружающей среды при прокладкекабеля в земле

где к3— коэффициент теплопроводности земли, величина которогозависит от вида почвы; h — расстояние от поверхности земли до центра кабеля; гп— наружный радиус кабеля.

При прокладке кабеля в воздухе эквивалентное тепловое сопро­ тивление окружающей среды равно

RTa= 1 / ( 2 л г А ) ,

где kB—-коэффициент теплоотдачи с поверхности кабеля в окружаю­ щее пространство.

При прокладке кабелей в земле в зависимости от защитных покры­ тий изменяется и тепловое сопротивление окружающей среды. Эго изменение может быть учтено соответствующими поправочными ко­ эффициентами для допустимого тока нагрузки. Например, при про­ кладке кабеля в канале из кирпичей с заполнением песком поправоч­ ный коэффициент равен 0,9. Если в земле прокладывается рядом не­ сколько кабелей, то их взаимное тепловое влияние учитывается Также с помощью поправочного коэффициента, величина которого при рас­ стоянии между кабелями 100 мм при изменении числа кабелей от двух до восьми уменьшается от 0,9 до 0,72.

Для кабелей высших классов напряжения необходимо оценить возможность развития теплового пробоя. При этом должны быть более точно учтены распределение диэлектрических потерь по толщине ди­ электрика и зависимость tg 6 изоляции от температуры, которая в свою очередь меняется по толщине диэлектрика.

Расчет ведется по методике, изложенной применительно к тепло­ вому расчету проходных изоляторов (см. § 15.4). Исходными данными при расчете являются ток в жиле, температура окружающей среды .и зависимость tg б изоляции от температуры.

Толщина изоляции условно разбивается на п слоев таким образом, чтобы емкости слоев были одинаковыми, т. е. чтобы гк+1/гк—const. В дальнейшем ход расчета ничем не отличается от описанного для про­ ходных изоляторов. Для ряда принятых значений температуры жилы находятся соответствующие тепловые потоки QH, подходящие в еди­ ницу времени изнутри к свинцовой оболочке кабеля, и соответствую­ щие температуры свинцовой оболочки Тпб.

отводимого в единицу времени от наружной поверхности свинцовой оболочки в окружающую среду, от температуры свинцовой оболочки <2отп = (Го6— Tn)/(RTnJrRT0)- Пересечение кривых тепловыделения и теплоотдачи показывает на наличие точки устойчивого равновесия (нижняя точка пересечения).

444

§ 15.7. ИЗОЛЯЦИЯ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ СИЛОВЫХ КОНДЕНСАТОРОВ

а. Общие сведения

Высоковольтные силовые конденсаторы по условиям работы могут быть разбиты на следующие группы:

1) конденсаторы, работающие при напряжении промышленной ча­ стоты (конденсаторы для улучшения коэффициента мощности, конден­ саторы продольной компенсации дальних электропередач; конденса­ торы связи и др.);

2)конденсаторы, работающие при повышенной частоте (до десяти килогерц);

3)конденсаторы, работающие при постоянном и пульсирующем напряжениях;

4)импульсные конденсаторы.

б.Конденсаторы, работающие при напряжении промышленной

частоты

Силовые конденсаторы (рис. 15.38, а) состоят из секций, которые соединяются по параллельно-последовательной схеме (рис. 15.38, б) в зависимости от номинального напряжения конденсатора.

Рис. 15.38. Устройство силового конденсатора на 6,3 кв:

а — внешний вид конденсатора; б — электрическая схема соединения; в — эскиз пакета секцн й;

/ — корпус; 2 — выводы; 3 — корпусная изоляция; 4 — секция; 5 — перемычки; 6 — изоляционная прокладка между группами; 7 — место для пайки отводов

В некоторых конденсаторах с параллельным соединением секций,, которые подключены через индивидуальные предохранители, сохра­ няется работоспособность после пробоя нескольких секций и перего­ рания соответствующих предохранителей.

445'

Вбольшинстве современных конденсаторов секции выполняются рулонного типа. Их наматывают на специальных станках на цилин­ дрическую оправку и после снятия с оправки сплющивают (рис. 15.39).

Всекциях конденсаторов промышленной частоты в качестве ди­ электрика применяется конденсаторная бумага, пропитанная мине­

ральным маслом или хлорированными

/жидкими диэлектриками: пентахлордифенил (совол); трихлордифенил и др. В этих конденсаторах применяется бумага нормальной плотности 1,0 г/см3 марки КОН-І; эта бумага обладает меньшими диэлектрическими потерями по сравне­ нию с бумагой КОН-ІІ (1,2 г/см3). Кро­ ме того, меньшая диэлектрическая про­ ницаемость этой бумаги приводит к умень­

женной плотностью (0,8 г/см3). Чаще всего применяется бумага тол­ щиной 10 мкм. Толщина диэлектрика в секции выбирается как из ус­ ловия высокой электрической прочности (см. рис. 9.8), таки из ус­ ловия возможно более высоких напряженностей частичных разрядов. С учетом этих соображений толщина диэлектрика составляет обычно

604-80 мкм.

Величина рабочей напряженности выбирается главным образом на основании характеристик частичных разрядов. Однако при этом не должно быть чрезмерных перегревов изоляции в рабочем режиме конденсатора.

Исходя из допустимой интенсивности частичных разрядов при рабочем напряжении величина рабочей напряженности в изоляции кон­ денсаторов с пропиткой минеральным (конденсаторным) маслом при­ нимается равной 1204-140 кв/см. Вследствие большой стойкости хлори­ рованных диэлектриков к воздействию частичных разрядов в изоля­ ции, пропитанной этими диэлектриками, величина рабочей напряжен­ ности может быть увеличена до 1604-180 кв/см.

В ряде случаев в конденсаторах применяют избыточное давление пропитывающего состава до 34-5 am, что позволяет увеличить рабочие напряженности (для пропитки минеральным маслом — до 1804-200 кв/см), но зато утяжеляет и усложняет конструкцию корпуса кон­ денсатора.

Удельная реактивная мощность (мощность в единице объема)

конденсатора Р уд = 2л/е£'р, где £ р—величина рабочей напряженности; / — частота; е —диэлектрическая проницаемость изоляции секции. Величина Р уд пропорциональна диэлектрической проницаемости изо­ ляции и квадрату рабочей напряженности. Поэтому применение хло-

446

рированных пропиток, приводящих к более высокой диэлектрической

2,5 -f- 3,5 квар/дм3для конденсаторов с хлорированным диэлектриком). При заданной емкости С|( и номинальном напряжении UH0Mреак­

тивная мощность конденсатора Рк= 2л/ Ul0KCK. Габаритные размеры этого конденсатора могут быть оценены на основании величины

отвода от внутренней части конденсатора целесообразно один из раз­ меров выбирать значительно меньшим, чем два других. Рабочее напряжение секции конденсатора Uz = Epdc. При указанных выше величинах рабочей напряженности и толщины диэлектрика секции рабочее напряжение секции конденсатора промышленной частоты лежит в пределах от 600 до 1000 в. Поэтому при номинальных напряжениях выше 1000 в конденсаторы собираются из нескольких последовательно соединенных секций или групп секций. В последнем случае, в группах, секции соединяются параллельно (см. рис. 15.38,6). При этом число последовательно соединенных секций или групп равно n = Umj U с. Емкость секции или группы Сс = Скп. Из техноло­

жется больше этого значения, то секция разбивается на несколько более мелких секций, включенных параллельно. Эскиз пакета' секций конденсатора приведен на рис. 15.38, в.

Определение геометрических размеров секции производится исходя из емкости секции при заданном диаметре оправки D0, на которуюнаматывается секция, ширине бумаги Ь, толщине диэлектрика сек­ ции dc и толщине фольги 6ф. Ширина фольги выбирается несколько меньше ширины бумаги на величину закраин 2ДЬ, которая по тех­ нологическим соображениям принимается равной 7 -f- 10 мм. Таким

число витков tw = (DH— Ц )/4 (d^-j-d^).

Когда лента из двойного слоя диэлектрика с двумя обкладками наматывается в спираль, то обе ленты диэлектрика попадают в поле

447

между обкладками и емкость секции будет приблизительно в два раза больше, чем в развернутом состоянии, т. е.

Подставив в (15.54) выражение для Д .р и ш/, получим

4(4С -Ң ф С с)4с

Ширина сплющенной секции /7 = (яД0/2) + 4ay(dc -+- <іф). Толщина сплющенной секции Дс == 4w(dc-f й!ф). Зная габаритные размеры сек­ ции, легко определить габаритные размеры пакета секций конденса­ тора.

Для конденсаторов, работающих при напряжении промышленной частоты, весьма важно обеспечить отсутствие перегрева внутренней части пакета секций. Определение перегрева центральной части сло­ истого диэлектрика может быть выполнено достаточно просто, если принять, что tg б не зависит от температуры.

Если имеется симметричный ряд слоев диэлектрика с координата­ ми гь г2, . . . , zh (отсчет ведется от середины центрального слоя) и соответственно теплопроводностями kx, k2, . . . , kh, то для каждого из слоев двукратное интегрирование

уравнения

Рассмотрим сечение конденсатора, изображенное на рис. 15.40. Внутри объема, ограниченного пунктирной линией F, теплоотвод оп­ ределяется коэффициентом теплопроводности вдоль слоев ku, который вследствие наличия фольги намного больше коэффициента теплопровод­ ности поперек слоев В £лое Д4= Д с/2 поток тепла идет перпенди­ кулярно слоям.

Перепад температур между центральной точкой М пакета и на­ ружной поверхностью секций, которая приблизительно может быть принята за изотермическую поверхность, на основании (15.56) бу­

448