|
|
А. Г. Овсянников доктор технических наук, профессор, зав каф. Твн нгту А. А. Ким доктор технических наук, профессор, завлаб. Исэ со ран в. И. Курец доктор технических наук, профессор тпу Томский политехническ
2. Высоковольтная изоляция Высоковольтная изоляция подразделяется на внутреннюю и внешнюю. Внешняя находится в контакте с атмосферой, внутренняя – внутри герметичного объема. Различается также изоляция для наружной и внутренней установки (наружная – вне помещений, внутренняя – отделена от внешних воздействий. Различают кратковременное пробивное напряжение ПР и длительное РАБ. На изоляцию воздействуют грозовые и коммутационные импульсы, испытательные напряжения, а РАБ должно воздействовать длительное время (20–30 лет) без пробоев. При длительном воздействии РАБ происходит старение изоляции. Причины старения
1) электрические – частичные разряды, трекинг, изменение
γ
, tg
δ
;
2) тепловые – ускорение химических реакций, увеличение tg
δ
, уменьшение
ρ
;
3) механические – трещины, усталость, разрушение
4) химические – окисление, образование радикалов и т. п
5) внешняя среда – влага, ультрафиолетовые лучи, температура.
2.1. Высоковольтные изоляторы По назначению изоляторы подразделяется на линейные и станци- онно-аппаратные, которые, в свою очередь, делятся на опорные и проходные. Линейные изоляторы Линейные изоляторы применяются для крепления и изолирования проводов и тросов воздушных линий электропередачи. По конструктивному исполнению они делятся на штыревые и подвесные.
60
Штыревые изоляторы изготавливаются из электротехнического фарфора или стекла и монтируются на опорах с помощью штырей или крюков. Они выпускаются различного конструктивного исполнения. Обозначение, например, ШФ10-В – штыревой, фарфоровый, номинальное напряжение 10 кВ, конструктивное исполнение В (всего существует три варианта конструктивного исполнения – А, Б, В. Выпускаются промышленностью на напряжение до 35 кВ. Подвесные изоляторы применяются для напряжений больше 35 кВ. Подразделяются на тарельчатые (шарнирные) и стержневые. Изготавливаются из электротехнического фарфора, стекла и полимерных материалов. На рис. 2.1 приведена конструкция подвесного тарельчатого изолятора Рис. 2.1. Подвесной шарнирный изолятор с конусной головкой
1 – тарелка изолятора 2 – чугунная шапка 3 – стальной стержень
4 – цементная замазка 5 – головка изолятора 6 – замок Шапка (
2)
и стержень (
3)
обеспечивают шарнирное соединение одного изолятора с другим при сборке изоляторов в гирлянду. Изоляторы испытывают только растягивающие усилия, но, благодаря конструктивному исполнению, головка (
5)
изолятора работает на сжатие и поэтому выдерживает очень большие механические нагрузки (до 30…50 Тс). Обозначение изолятора, например ПСГ6-А: подвесной, стеклянный, грязестойкий. Минимальная разрушающая нагрузка – 6 тс. Подвесные стержневые изоляторы изготавливаются из электротехнического фарфора, стекла, ситалла, стекловолокна с полимерным покрытием. Один изолятор может заменить гирлянду из 7 тарельчатых изоляторов на напряжение 110 кВ. Шарнирно крепится при помощи двух шапок с замками на концах изолятора. Достоинством стержневых изоляторов является непробиваемость. Кроме того, за счет малого диаметра изолятора повышаются градиенты электрического поля по поверхностному перекрытию. Обозначение изолятора, например
61
СФ-110/2,25: стержневой, фарфоровый, номинальное напряжение 110 кВ, минимальная разрушающая нагрузка – 2,25 тс. 2.1.2. Станционно-аппаратные изоляторы Опорные изоляторы предназначены для крепления шинопроводов, деталей аппаратов и изолирования их от заземленных конструкций и между собой. Изготавливают их для наружной и внутренней установки на напряжение до 110 кВ. На большее напряжение опорные изоляторы собирают в колонны. Опорные изоляторы для наружной установки делятся на штыревые и стержневые. Штыревые изоляторы используются в тех случаях, когда требуется большая механическая прочность на изгиб, изготавливаются из электротехнического фарфора. Обозначение, например,
ОНШ-35-2000: опорный, наружной установки, штыревой, номинальное напряжение – 35 кВ, минимальная разрушающая нагрузка – 2000 кгс.
Опорно-стержневые изоляторы изготавливаются на напряжение
35…150 кВ из электротехнического фарфора. Концы изолятора армированы чугунными фланцами. Обозначение, например ОНС-110-1000: опорный, наружной установки, стержневой, номинальное напряжение
110 кВ, минимальная механическая прочность – 1000 кгс. Проходные изоляторы и вводы используются там, где токоведущие части проходят через стены, перекрытия зданий, ограждения электроустановок или вводятся внутрь металлических корпусов оборудования. Проходными изоляторами называют изоляторы на напряжение до 35 кВ, на напряжение 110 кВ и выше – вводы. Вводы имеют более сложную конструкцию изоляции и выполняются с маслобарьерной изоляцией (до
150 кВ) или с бумажно-масляной изоляцией (220 кВ и выше. Проходные изоляторы на высокие напряжения (до 35 кВ включительно) изготавливаются из электротехнического фарфора, стекла, бакелитовой бумаги. На рис. 2.2 приведена конструктивная схема проходного изолятора. Для увеличения напряжения перекрытия пер на наружной поверхности изолятора делают ребра, а также увеличивают диаметр изолятора у заземленного фланца. Проходные изоляторы маркируются по напряжению, току и изгибающей механической нагрузке. Например, П, что означает проходной изолятор, Н = 10 кВ, НА,
Р
изг
= 750 кгс.
62
d
L Рис. 2.2. Конструктивная схема проходного изолятора
1 – токоведущий стержень (труба 2 – заземленный фланец
3 – твердая изоляция 4 – пути пробоя (пр > пер
5 – высоковольтные фланцы Вводы – это проходные изоляторы на 110 кВ и выше. Они содержат внешнюю и внутреннюю изоляцию сложной конструкции. Внешней изоляцией является фарфоровая покрышка. Внутренняя – участки изоляции в теле ввода. Вводы бывают двух типов маслобарьерные и бу- мажно-масляные (для
U
H
≥
220 кВ.
1) Маслобарьерный ввод 110…150 кВ конденсаторного типа см. рис. 2.3). Чтобы повысить пр, разбивают промежуток на
n
малых промежутков барьерами
5
и выравнивают поле металлическими обкладками (фольга на барьерах. В результате пр повышается в 2,5 раза. Обкладки выравнивают поле в радиальном и аксиальном направлениях. Наиболее важно выровнять поле в аксиальном направлении для уменьшения длины ввода. Для этого уступы делают одинаковыми. На рис. 2.4 приведены эпюры распределения напряженностей электрического поля в радиальном (аи аксиальном (б) направлениях маслобарь- ерного ввода.
Токоведущий стержень обматывается несколькими слоями бумаги. Основную электрическую прочность изоляции ввода обеспечивает масло, находящееся внутри покрышки.
2) Бумажно-масляный ввод конденсаторного типа на класс напряжения кВ. Ввод изготавливается путем намотки на токоведу- щий стержень (или трубу) изоляционного тела из бумаги. Через каждые
2…4 мм намотки бумаги в тело закладываются конденсаторные обкладки из алюминиевой фольги для выравнивания поля в осевом и радиальном направлениях. После намотки тело пропитывается маслом в вакууме, а после сборки ввод герметизируется.
63
Рис. 2.3. Конструктивная схема маслобарьерного ввода
1 – токопровод (стержень 2 – высоковольтный фланец
3 – заземленный фланец 4 – фарфоровая рубашка
5 – барьеры с обкладками 6 – масло
E
r с
r
1
r
2 ф
E
ср
h
∆h
ф
∆h
2
∆h
1
∆h
с
E
действ. (без обкладок) действ. (с обкладками) а б Рис. 2.4. Распределение напряженности электрического поля в радиальном (аи аксиальном (б) направлениях ввода
r
c
– радиус токопровода (стержня
r
1
– радиус первой обкладки (фольги
r
2
– радиус второй обкладки (фольги) ф – радиус обкладки у фланца (заземлена с – длина уступа изоляции у стержня
∆h
1
– длина уступа на первом барьере
∆h
2
– длина уступа на втором барьере ф – длина уступа на барьере у фланца
2.2. Изоляция высоковольтных конденсаторов Назначение конденсаторов
64
1) улучшение cos ϕ ; 2) ВЧ-связь; 3) компенсация сдвига по фазе между током и напряжением 4) выпрямительные установки – фильтры и др 5) высоковольтные импульсные установки. В качестве изоляции используются газ, жидкости, твердые неорганические материалы, твердые органические материалы. Твердая изоляция в высоковольтных конденсаторах (чаще органическая) – бумага, пленки с пропиткой маслом. Конденсатор характеризуется удельной запасаемой энергией, например Дж/дм 3 : 2 2 0 уд pEW⋅ ε ⋅ ε = Высоковольтные конденсаторы разного назначения, разных номинальных напряжений и реактивной мощности устроены одинаково состоят из пакетов секций, соединенных последовательно-параллельно и расположенных в герметизированном корпусе, залитом пропиточной жидкостью. Основным элементом любого силового конденсатора является секция спирально намотанный рулон из лент диэлектрика и алюминиевых обкладок, выполняющих роль электродов (рис. 2.5). Секции после намотки сплющивают для уменьшения объема. Рис. 2.5. Устройство секции высоковольтного конденсатора 1 – фольга 2 – диэлектрик (слои бумаги, пленки 3 – выводы
2.3. Изоляция трансформаторов В силовых трансформаторах изоляция состоит из различных по конструкции элементов, работающих в разных условиях. Воздушные промежутки между вводами и по их поверхности – внешняя изоляция. Изоляционные участки, расположенные внутри бака трансформатора и внутри вводов, – внутренняя изоляция. Внутренняя изоляция подразделяется на главную и продольную. Главная изоляция – между разными обмотками, стенками бака, магнитопроводом и др. Продольная изоляция между элементами одной и той же обмотки между витками, слоями, катушками. В высоковольтных силовых трансформаторах в качестве главной используется маслобарьерная изоляция. Продольная изоляция выполняется бумажно-масляной. Количество барьеров зависит от номинального напряжения трансформатора. На рис. 2.6 приведено схематическое устройство главной изоляции высоковольтного трансформатора. Высоковольтные обмотки выполняются катушечного типа или непрерывной цилиндрической многослойной намоткой. Трансформаторы до 35 кВ выполняются с изолированной нейтралью. Трансформаторы свыше 110 кВ – с заземленной нейтралью. Рис. 2.6. Схема устройства изоляции высоковольтного трансформатора
1 – магнитопровод 2 – низковольтная обмотка (НВ); 3 – высоковольтная обмотка (ВВ); 4 – барьер 5 – щитки электроизоляции; 6 – масло. Изоляция кабелей Основное назначение кабелей – передача электрической энергии от подстанции к потребителям. Силовые кабели высокого напряжения выполняются трех типов
66
1) кабели с бумажной изоляцией и вязкой пропиткой на напряжение до 35 кВ (рабочая напряженность
Е
РАБ
= 2…3 кВ/мм);
2) кабели с бумажной изоляцией с пропиткой маслом под давлением маслонаполненные кабели 2…3 атм – низкое давление (
Е
РАБ
=
= 3…5 кВ/мм); 4…5 атм – среднее давление (
Е
РАБ
= 6…8 кВ/мм);
8…15 атм – высокое давление (
Е
РАБ
= 10…15 кВ/мм);
3) кабели с монолитной полимерной изоляцией (полиэтилен, фторопласт и др. Кроме этого, нашли применение кабели в трубах под давлением масла или газа. Разрабатываются криогенные кабели с охлаждением до температуры жидкого азота (77 Кили жидкого гелия (5 К. Кабели выполняются на напряжение до 500 кВ. Разрабатываются кабели на напряжение кВ. На рис. 2.7 приведена схема устройства трехфазного кабеля с поясной изоляцией. Такие кабели выпускаются на рабочее напряжение до
10 кВ. На 35 кВ выпускаются кабели с отдельно освинцованными жилами и броней из стальных лент типа АОСБ (А – алюминиевая жила, О
– отдельно освинцованные жилы, СБ – броня стальными лентами.
1
6
2
3
4
5
7
8 Рис. 2.7. Схема устройства изоляции кабелей до 35 кВ
1 – жила 2 – фазная изоляция 3 – поясная изоляция 4 – герметичное покрытие 5 – подушка 6 – броня 7 – антикоррозионное покрытие
8 – наполнитель (джут) На рис. 2.8 приведена схема устройства маслонаполненного кабеля на рабочее напряжение 110 кВ. Как правило, выполняются однофазными в свинцовой оболочке с броней из круглых или плоских проволок. Например, типа МССК-110, где М – маслонаполненный С – среднего давления С – свинцовый экран К – броня круглой стальной проволокой Рис. 2.8. Схема устройства изоляции кабеля 110 кВ
1 – масляный канал 2 – перфорированная токоведущая жила
3 – бумажно-масляная изоляция 4 – полупроводящий слой
5 – герметичное покрытие 6 – подушка
7 – броня
8 – антикоррозийное покрытие
9 – отверстия для прохода масла в изоляцию
2.5. Изоляция электрических машин К вращающимся машинам высокого напряжения относятся турбо- и гидрогенераторы, синхронные компенсаторы и двигатели большой мощности с номинальным напряжением 3 кВ и выше. Они выполняют важные функции в энергосистемах и на промышленных предприятиях. К их изоляции предъявляются очень высокие требования. Гидрогенераторы разрабатываются и изготавливаются на напряжение до 220 кВ. Устройство изоляции вращающейся машины высокого напряжения определяется конструкцией ее статорной обмотки. Изоляция статорных обмоток подразделяется на главную (корпусную) и продольную. Главная изоляция между проводниками обмотки и корпусом, а продольная
– между витками одной катушки и катушками водном пазу. Большое значение имеет регулирование электрического поля в изоляции статорной обмотки. Основная задача регулирования электрических полей – устранение частичных разрядов в воздушных зазорах между поверхностью изоляции и стенками пазов и устранение скользящих разрядов по поверхности изоляции, в местах выхода обмоток из паза статора, где поле получается резконеоднородным. Для этого используются полупроводящие покрытия из железистой асбестовой ленты и различные лаки. На рис. 2.9 приведено устройство высоковольтной изоляции в пазу электрической машины.
68
6123 4 5 7 8 7 Рис. 2.9. Схема устройства высоковольтной изоляции электрической машины
1 – статор 2 – проводник сплошной 3 – проводник полый
4 – витковая (продольная) изоляция 5 – главная корпусная изоляция
6 – полупроводящее покрытие 7 – прокладки 8 – клин Изоляционные материалы, которые используются в электрических машинах, изготавливают на основе слюды (миканит, микаленты, мика- форий). Широко используются компаунды (термопластичные, в качестве связующих применяют термореактивные лаки и смолы.
2.6. Профилактика изоляции
2.6.1. Задачи и цели профилактики Профилактика – система мероприятий, с помощью которых обеспечивается надежная работа изоляции в процессе эксплуатации. Профилактика проводится с целью выявления дефектов, возникающих в изоляции при эксплуатации. Ослабление электроизоляционных свойств происходит за счета) общего старения б) появления местных дефектов. Общее старение охватывает большой объем изоляции. Местные дефекты появляются в виде сосредоточенных трещин, воздушных включений, частичных увлажнений. В большинстве случаев эти дефекты не могут быть обнаружены в результате простого осмотра изоляции, поэтому для их выявления необходима определенная система профилактических испытаний.
69
Профилактические испытания изоляции резко снижают аварии в энергетических системах из-за своевременного выявления дефектной изоляции. Для каждого вида изоляции характерны определенные виды дефектов. Изучение их физических особенностей и причин появления также входит в задачи профилактики изоляции. Это позволяет более правильно организовать эксплуатацию оборудования и разрабатывать наиболее эффективные методы профилактических испытаний. Таким образом, в задачи профилактики изоляции входит
1) создание нормальных условий работы изоляции
2) обнаружение дефектов и их устранение
3) изучение физических особенностей и причин появления дефектов) разработка эффективных методов профилактики. В табл. 2.1 приведены основные методы профилактических испытаний изоляции и их краткая характеристика. Таблица 2.1 Профилактические испытания изоляции
№ п/п Метод испытания изоляции Дефекты, выявляемые этим методом Общая характеристика метода
1 Измерение сопротивления изоляции Сквозные проводящие пути или пробой Один из основных методов Измерение tg
δ Процессы ионизации и старения изоляции в целом Один из основных методов Измерение емкости Общее увлажнение изоляции В основном для контроля влажности трансформаторов и электрических машин Определение наличия частичных разрядов Процессы ионизации в воздушных полостях Дополнительный метод получает все большее распространение)
5 Измерение распределения напряжения Частичный пробой, несквозные пути утечки Основной метод для гирлянд изоляторов
6 Приложение повышенного напряжения Местные дефекты при снижении электрической прочности Контроль минимального запаса электрической прочности
70
2.6.2. Измерение сопротивления изоляции (токов утечки) Этот метод из-за своей простоты нашел очень широкое применение в практике и является одним из основных методов контроля качества изоляции. Известно, что любая изоляция имеет конечную величину сопротивления, хотя и достаточно большую. Поэтому при приложении напряжения через изоляцию, кроме токов на зарядку геометрической емкости и абсорбционных токов, течет ток, определяемый электропроводностью диэлектрика. С увеличением дефектности изоляции ток утечки возрастает. Это явление и положено в основу данного метода. Сопротивление изоляции равно
I
U
R
=
из
На постоянном напряжении из будет изменяться во времени, поскольку на величину тока будут влиять процессы медленной поляризации. На рис. 2.10 показан характер изменения тока через изоляцию и сопротивление изоляции от времени. из, из из с
Рис. 2.10. Изменение тока утечки и сопротивления изоляции во времени Опытным путем установлено, что для большинства изоляционных конструкций время достижения установившегося значения тока утечки меньше 1 мин, тек этому времени, после приложения напряжения, из также достигнет установившегося значения. Резкое падение из показывает на далеко зашедшее развитие дефекта в изоляции либо на наличие сквозного проводящего пути или пробоя. Обычно суждение об изоляции составляется на основании сравнения с результатом предыдущих измерений из или заводских данных.
71
Измерение сопротивления изоляции производится с помощью специальных приборов – мегаомметров, у которых шкала проградуирована в мегаоммах или килооммах. Конструкции отечественных мегаомметров для измерения различны. Наибольшее применение нашли индукторные (с ручным приводом) типа М на 500 В, МОМ на 1000 В и МС на 2500 В. В настоящее время находят широкое применение электронные мегаомметры, например, типа ЭСО210.
|
|
|
Скачать 2.62 Mb.