Лекции

ЛЕКЦИЯ 12

РАЗДЕЛ 5

Изоляционные конструкции оборудования высокого напряжения

5.1Общие сведения

5.2Изоляция высоковольтных вводов

5.3Изоляция силовых трансформаторов

5.4Изоляция силовых кабелей

5.5Изоляция вращающихся машин

5.1Общие сведения

В оборудовании энергосистем изоляция выполняет не только роль диэлектрического барьера между проводниками, работающими при разных потенциалах. В силовых конденсаторах, например, изоляция является той средой, в которой накапливается энергия. В коммутационных аппаратах с помощью изоляционных конструкций осуществляется передача механического движения от привода к подвижным контактам, а отдельные диэлектрики играют роль дугогасящей среды.

Конструкция изоляции оборудования высокого напряжения определяется многими факторами: выполняемыми ею функциями, устройством и технологией изготовления отдельных деталей и узлов оборудования, режимами и условиями работы, определяющими требования к электрической и механической прочности, нагревостойкости, срокам службы и т.д., а также стоимостью и технологическими свойствами изоляционных материалов.

Требования к кратковременной электрической прочности изоляционных конструкций в виде величин испытательных напряжений устанавливают путем анализа возможных перенапряженний. Необходимая длительная электрическая прочность определяется по существу наибольшим рабочим напряжением и требуемым сроком службы оборудования. Чтобы обеспечить длительную электрическую прочность изоляции, на основании специальных исследований и опыта эксплуатации устанавливают допустимые значения мощности частичных разрядов и других параметров, косвенно характеризующих способность изоляции длительно выдерживать воздействие рабочего напряжения.

При определении требований к механической прочности изоляционных конструкций отдельно учитывают статические нагрузки (массу поддерживаемых деталей, давление газов или жидкостей, заполняющих внутренний объем и т.д.), ударные нагрузки от электродинамических усилий при прохождении токов к.з., от движения

1

контактов или от повышения давления при гашении дуги, а также длительную вибрацию.

К числу тепловых воздействий, влияющих на выбор конструкции и материалов изоляции, относяться длительные нагревы в номинальных режимах работы, кратковременные эпизодические повышения температуры при прохождении токов внешних к.з., а также циклические нагревы и остывания, если оборудование может работать с периодически меняющейся нагрузкой.

В ряде случаев приходится учитывать специфические воздействия на изоляцию, например для оборудования, работающего в тропических условиях,- повышенную солнечную радиацию и деятельность некоторых микроорганизмов.

5.2 Изоляция высоковольтных вводов

Проходные изоляторы (вводы) используются в местах, где токоведущие части проходят через стены или перекрытия зданий, через ограждения электроустановок или вводятся внутрь металлических корпусов оборудования. Проходными изоляторами обычно называют фарфоровые изоляторы на напряжения до 35 кВ с относительно простой внутренней изоляцией. Вводами называют проходные изоляторы на напряжения 35 кВ и выше с более сложной внутренней изоляцией. Вводы применяются в качестве проходных изоляторов трансформаторов, выключателей и других аппаратов.

Ввод представляет собой конструкцию с внешней и внутренней изоляцией. К внешней изоляции относятся промежутки в атмосферном воздухе вдоль поверхности изоляционного тела, к внутренней – участки в самом изоляционном теле, а также промежутки вдоль поверхности изоляционного тела, находящиеся внутри корпуса, если последний заполнен газообразным или жидким диэлектриком.

Изоляционное тело служит одновременно и креплением токоведущего стержня. Оно воспринимает все механические усилия, которые действуют на стержень. С увеличением номинального напряжения и размеров изоляционного тела резко возрастают механические нагрузки от собственной массы изолятора. Наиболее опасными для вводов являются механические нагрузки, изгибающие его изоляционное тело. Поэтому для крупных изоляторов, имеющих большую массу, ограничивают угол отклонения от вертикали в рабочем положении.

Конструкция вводов. Для аппаратов на напряжение 35 кВ используются обычно бумажно-бакелитовые вводы. Они изготавливаются путем намотки на токоведущий стержень изоляционного тела из бумаги, смазанной бакелитовой смолой. При намотке через определенные числа витков в тело закладываются дополнительные электроды из металлической

2

фольги для регулирования электрического поля в радиальном и осевом направлениях. Во время намотки бумажной цилиндр обжимается горячими вальцами (температура 160° С), вследствии чего смола плавится и склеивает слои. Одновременно устраняется большая часть воздушных включений между слоями бумаги. Затем изоляция проходит термическую обработку, во время которой смола полимеризуется. После этого у изоляционного тела обтачивают концы, на него накладывается бандаж под фланец и лакируется поверхность для повышения влагостойкости.

Недостатком бумажно-бакелитовых изоляторов является малая влагостойкость, обусловленная их слоистым строением, и низкая трекингостойкость. Поэтому такие изоляторы, предназначенные для наружной установки, помещают в фарфоровые покрышки, а пространство между покрышкой и бумажно-бакелитовым изоляционным телом заливают специальной мастикой. Конструкция такого изолятора показана на рис. 5.1.

Рис. 5.1, 5.2

3

Для промышленных установок на напряжения 110 кВ и выше бумажно-бакелитовые изоляторы непригодны из-за относительно невысокой длительной электрической прочности, которая ограничивается неизбежным присутствием в бумажно-бакелитовом теле изолятора газовых включений.

Вводы на напряжения 110 кВ и выше выполняются только заполненными маслом, т.е. с маслобарьерной или бумажно-масляной

внутренней изоляцией.

На рис.5.2 показан маслобарьерный ввод на напряжение 110 кВ. Основой внутренней изоляции в нем является масляный промежуток с цилиндрическими барьерами из картона.Для регулирования электрического поля на барьерах расположены дополнительные электроды из фольги. Основные достоинства маслобарьерных проходных изоляторов: простота конструкции и хорошее охлаждение. Кроме того, их можно ремонтировать (сменить масло, высушить). Однако из-за относительно невысокой кратковременной электрической прочности маслобарьерной изоляции они имеют большие радиальные размеры.

Для аппаратов и трансформаторов на напряжения 110 кВ и выше преимущественное применение получили вводы с бумажно-масляной изоляцией (рис.5.3). Основной внутренней изоляцией в нем является пропитанный маслом бумажный остов, намотанный на токоведуший стержень. В бумажном остове располагаются дополнительные электроды, регулирующие электрическое поле. Благодаря высокой кратковременной и длительной электрической прочности бумажно-масляной изоляции вводы указанного типа имеют наименьшие радиальные размеры. Основной их недостаток – резкое ухудшение характеристик при увлажнении. В связи с этим к их конструкции предъявляются повышенные требования в отношении герметичности; маслорасширители непременно снабжаются специальными осушителями воздуха.

Испытания вводов. На заводах-

изготовителях вводы испытываются высоким

напряжением и, кроме того, у них измеряется tgδ. При профилактических испытаниях основным методом

контроля является измерение tgδ. Состояние изоляции определяется также при анализе проб масла, отбираемых из маслонаполненных вводов.

Рис. 5.3

4

5.3 Изоляция силовых трансформаторов

В силовых трансформаторах изоляция состоит из ряда различных по конструкции элементов, работающих в неодинаковых условиях и имеющих разные характеристики. Воздушные промежутки между вводами и по их поверхностям на землю составляют внешнюю изоляцию, а все изоляционные участки, расположенные внутри бака, - внутреннюю изоляцию трансформатора. В свою очередь внутренняя изоляция подразделяется на главную и продольную. Главная: изоляция обмоток относительно земли и между разными обмотками, например, участки обмотка – магнитопровод или бак; обмотка НН – обмотка ВН; отвод – стенка бака; между отводами разных обмоток. Продольная – это изоляция между разными точками одной и той же обмотки: между витками, слоями, катушками.

На конструкцию изоляции трансформаторов сильное влияние оказывает то обстоятельство, что в активных частях трансформатора, т.е. в меди обмоток и в магнитопроводе, при работе выделяется большое количество тепла. Это заставляет выполнять изоляцию так, чтобы можно было непрерывно охлаждать активные части.

Конструкция изоляции трансформаторов. В современных силовых трансформаторах в качестве главной используется преимущественно маслобарьерная изоляция. Продольная изоляция выполняется бумажномасляной либо с помощью изолирования и покрытия витков и катушек обмотки.

Маслобарьерная изоляция обладает достаточно высокой кратковременной электрической прочностью и позволяет интенсивно охлаждать конструкцию за счет циркуляции масла. Для того чтобы барьеры были эффективными, они должны располагаться перпендикулярно силовым линиям электрического поля. В проходных изоляторах, где электрическое поле в основном радиальное, это без труда достигается путем применения цилиндрических барьеров. В трансформаторах в основном применяют три типа барьеров (рис.5.4): цилиндрический барьер, плоская шайба и угловая шайба.

Расстояние до ярма приблизительно в 2 раза больше, чем расстояние до сердечника трансформатора, несмотря на то, что к этим промежуткам приложены одинаковые напряжения. Это связано с неблагоприятной формой электрического поля на концах обмотки, где напряженность имеет наибольшее значение. Поэтому при высоких номинальных напряжениях стремятся по возможности уменьшить напряжения на концах обмотки. Это удается осуществить путем ввода напряжения в середину обмотки (рис.5.5) и разделения ее на две параллельные ветви. В этом случае концы обмотки соответствуют нейтрали трансформатора, напряжение на которой в системах с заземленной нейтралью всегда меньше фазного. Это обстоятельство позволяет изоляцию нейтрали рассчитывать на меньшее напряжение

5

(приблизительно в 2 раза), что значительно облегчает ее конструирование и уменьшает общие габариты трансформатора.

Рис 5.4.

Рис 5.5.

6

В изоляции между слоями и между катушками роль покрытия играют собственная бумажная изоляция обмоточных проводов или дополнительно наложеные слои бумажных лент.

По сравнению с маслобарьерной изоляцией более высокой электрической прочностью обладает бумажно-масляная изоляция. В связи с этим в последние годы интенсивно изучается возможность использования бумажно-масляной изоляции в качестве главной изоляции трансформаторов с тем чтобы уменьшить габариты изоляции и трансформатора в целом. Последнее обстоятельство имеет особое важное значение для наиболее мощных трансформаторов, габариты которых затрудняют их транспортировку. Основная трудность применения бумажно-масляной изоляции в силовых трансформаторах – охлаждение обмотки.

5.4 Изоляция силовых кабелей

Общие сведения. Электрические кабели – это гибкие изолированные проводники, снабженные защитными оболочками, которые предохраняют изоляцию от внешних механических и иных воздействий. Основными элементами силовых кабелей являются проводники – жилы, изоляция по отношению к земле и между жилами, герметичная металлическая оболочка и защитные покровы.

Металлическая оболочка, выполняемая обычно из свинца или алюминия, предохраняет изоляцию главным образом от влаги и отчасти от механических повреждений. Кабели в целом и все их элементы должны обладать достаточной гибкостью, чтобы их можно было наматывать на барабаны для транспортировки или хранения и изгибать при укладке по неровной трассе. Поэтому, в частности, жилы силовых кабелей выполняются из большого числа скрученных тонких проволок.

Обычное для изоляции оборудования высокого напряжения требование высокой электрической прочности применительно к силовым кабелям имеет особое значение. Дело в том, что при увеличении электрической прочности и соответственно при уменьшении толщины изоляции не только снижаются затраты на ее изготовление, но и улучшаются условия отвода тепла от жилы и увеличиваются допустимые рабочие токи, кабель становится более гибким, достигается экономия металла оболочки и покровных материалов.

К надежности кабельных линий и, следовательно, к их изоляции предъявляются повышенные требования, так как на отыскание места повреждения и особенно на его устранение в подземных линиях затрачивается много времени и средств. При этом следует иметь в виду, что кабельные линии выполняются обычно из нескольких отрезков ограниченной длины (строительная длина от 250 до 750 м), соединяемых последовательно

7

муфтами. Последние монтируются в полевых условиях, поэтому технология наложения в них изоляции значительно уступает заводской.

В настоящее время в силовых кабелях высокого напряжения преимущественно используется бумажнопропитанная изоляция (БМИ). В последние годы начали широко применяться кабели на напряжения до 35 кВ с полиэтиленовой изоляцией. Сейчас разрабатываются кабели на напряжения 110-220 кВ с полиэтиленовой изоляцией, а также с газовой изоляцией под давлением. Ведутся работы по созданию кабелей с охлаждением жидким азотом (криорезистивные) и жидким гелием (с использованием явления сверхпроводимости).

Основные конструкции силовых кабелей. Для напряжения до 35

кВ до недавнего времени наибольшее применение получили кабели с вязкой пропиткой, у которых ленточная бумажная изоляция пропитывается маслоканифольными или синтетическими нестекающими составами повышенной вязкости. Кабели с нестекающими составами могут прокладываться вертикально с разностей уровней до 300 м. При этом не возникает опасности стекания пропитывающего состава в нижнюю часть кабеля и образования в его верхней части больших объемов обедненно пропитанной изоляции. Основной недостаток кабелей с вязкой пропиткой состоит в том, что в их изоляции неизбежно образуются газовые включения. Одна из причин – циклические нагревы и остывания при работе с периодически меняющейся нагрузкой. После нескольких таких циклов при остывании оболочка из-за остаточной деформации сохраняет размеры, соответствующие нагретому состоянию, а изоляция уменьшается в объеме. В результате в изоляции образуются пустоты, которые постепенно заполняются газами, выделяющимися из изоляции. Наличие газовых включений снижает длительную электрическую прочность изоляции. Вследствии этого в кабелях с вязкой пропиткой рабочие напряженности имеют относительно невысокие значения. Такие кабели выпускаются нескольких типов с одной, двумя, тремя и четырьмя жилами. На рис.5.6 показано сечение трехжильного кабеля с поясной изоляцией и с секторными жилами. Изоляция состоит из двух частей

– фазной и поясной. Таким образом, между жилами кабеля находится двойная фазная изоляция, рассчитанная на линейное напряжение, а между каждой жилой и оболочкой – фазная и поясная.

Рис 5.6.

8