Газовая и вакуумная изоляция

Применение газовой изоляции дает ряд преимуществ по сравнению с твердыми и жидкими диэлектриками. В частности, газовая изоляция отличается очень малыми диэлектрическими потерями и практически не изменяет своих свойств в процессе эксплуатации. Применение ее приводит к резкому снижению массы конструкции. В ряде случаев конструкция устройства упрощается и становится пожаробезопасной.При увеличении давления электрическая прочность элегаза (SF₆) и воздуха становится выше электрической прочности твердых и жидких диэлектриков, например, минерального масла (рис. 5).Газы, используемые для изоляции установок высокого напряжения, должны быть: химически стойкими в электрическом разряде и не должны выделять химически активных веществ; быть инертными и не вступать в реакции с материалами, в сочетании с которыми они применяются; обладать низкой температурой сжижения, допускающей их применение при повышенных давлениях, и высокой теплопроводностью. Помимо этого, они должны быть негорючими и нетоксичными, иметь невысокую стоимость.В настоящее время основной областью применения элегазовой изоляции являются комплектные распределительные устройства (КРУЭ) на напряжение 110…220 кВ, наибольшее рабочее давление элегаза в которых
0,3 МПа. Сейчас разрабатываются КРУЭ на напряжение 1150 кВ, ведутся работы по созданию силовых кабелей с элегазовой изоляцией.Элегаз является не только хорошей изолирующей, но и хорошей дугогасящей средой. Ток отключения в элегазе примерно в 10 раз больше, чем в воздухе. Если же учесть, что в элегазе скорость восстановления электрической прочности после погасания дуги почти на порядок выше, чем в воздухе, то из этого следует, что мощность отключения в элегазе может быть почти в 100 раз больше, чем в воздухе. По этой причине элегазовые выключатели успешно конкурируют с Азот и элегаз применяются для изоляции конденсаторов, трансформаторов, кабелей и герметизированных распределительных устройств. Различают три вида нарушения электрической прочности вакуумной изоляции: во-первых, появление более или менее стабильных токов с плотностью 10^-4…10^-3 А/см², резко зависящих от приложенного к электродам напряжения. Эти токи называются темновыми или предпробивными; во-вторых, возникновение периодически повторяющихся самогасящихся маломощных импульсов тока силой 10^-4… 10^-3 А и длительностью 10^-4…10^-3 с с частотой повторения от долей до десятков и сотен герц; в-третьих, возникновение пробоя всего изоляционного промежутка. Пробой характеризуется резким спадом напряжения между электродами и образованием дуги.

35.Изоляция силовых трансформаторов представляет собой сложную систему, состоящую из различных как по значению, так и конструкции элементов и узлов.

При классификации изоляции трансформатора следует выделить два основных ее вида:

♦ внутренняя изоляция;

♦ внешняя изоляция.

К внешней изоляции относится, например, изоляция покрышек вводов, соприкасающаяся с атмосферой, воздушные изоляционные промежутки между вводами данной обмотки, между вводами разных обмоток и до заземленных частей.

Внутренняя (маслонаполненная, газовая, литая) изоляция трансформатора разделяется на главную и продольную изоляцию обмоток, изоляцию установки вводов, изоляцию отводов, переключателей и пр.

Главная изоляция обмоток — это изоляция от данной обмотки до заземленных частей магнитопровода, бака и других обмоток (в том числе и других фаз).

Продольная изоляция — это изоляция между различными точками одной обмотки: между витками, слоями, катушками.

Во внутренней маслонаполненной изоляции трансформаторов применяется:

— сплошная твердая (как правило, целлюлозная) изоляция. Это изоляция между расположенными вплотную изолированными проводниками, витками или отводами;

— чисто масляная: в ряде случаев это промежутки между обмоткой и баком, экраном ввода и баком, между отводом и стенкой бака;

— комбинированная (маслобарьерная) изоляция: масляные промежутки, подразделенные барьерами — межобмоточная изоляция, изоляция между фазами, между обмоткой и магнитопроводом и т. д.

Изоляция трансформаторов в процессе эксплуатации подвергается неограниченно длительному воздействию рабочего напряжения и кратковременным перенапряжениям: грозовым (импульсы, длительностью от единиц до десятков микросекунд); коммутационным (импульсы с большим затуханием, длительностью до нескольких тысяч микросекунд) и квазистационарным (повышение напряжения рабочей частоты, длительностью до нескольких часов). Координация внутренней изоляции трансформатора требует обеспечения электрической прочности при всех этих воздействиях.

Проверка выполнения требований координации производится путем высоковольтных испытаний.

36. Изоляция любой детали электрической машины должна сохранять высокую надежность в течение всего периода эксплуатации» поэтому к ней предъявляются разносторонние требования, главным из которых является высокая электрическая прочность.

Процессе сборки различных деталей электрической машины изоляционный материал приходится неоднократно изгибать, формовать, придавать ему нужную конфигурацию, опрессовывать, добиваясь монолитности слоев изоляции, Во время укладки обмотки в пазы ее изоляция подвергается изгибам, растяжению, иногда ударам и другим механическим воздействиям. Поэтому к изоляционным материалам, применяемым в электрических машинах, помимо высокой электрической прочности, предъявляют также ряд требований, определяемых технологией изготовления изоляции: материал должен легко формоваться и сохранять после формовки приданные ему свойства, не повреждаться при перегибах и растяжениях, при сжатии, опрессовке и укладке в пазы.

В процессе работы машины изоляция подвергается вибрации, большим механическим напряжениям при резких изменениях тока, а кроме того, на изоляцию вращающихся деталей электрической машины действуют центробежные силы. Поэтому второе требование к изоляции электрических машин — ее высокая механическая прочность.

С течением времени свойства изоляции ухудшаются. Она высыхает, становится хрупкой, ломкой и теряет механическую и электрическую прочность. Этот процесс называется старением. Процесс старения изоляции ускоряется при ее нагревании. При небольшом нагреве свойства изоляции ухудшаются медленно, но если температура превысит определенный уровень, то этот процесс резко ускоряется. Уровень длительно допускаемой температуры определяется - нагревостойкостью изоляции.

Таким образом, чтобы при изготовлении обмоток, укладке их в пазы и во время работы машины изоляция сохраняла достаточную электрическую прочность, она должна быть монолитна, иметь высокую механическую прочность, нагревостойкость, теплопроводность, влагостойкость, а в необходимых случаях также маслостойкость и химостойкость.

Группы изоляционных материалов электрических машин:

синтетические; материалы, изготовляемые на основе слюды; стекловолокнистые, т. е. сделанные из стеклянных волокон; и материалы, основой которых служат целлюлоза и хлопчатобумажные волокна. В некоторых конструкциях для изоляции применяются картоны и материалы, получаемые из асбеста; пряжи, ткани, бумаги. Основными материалами для изоляции обмоток машин низкого (до 660 В) напряжения являются синтетические: различные олиэтилентерафталатные (ПЭТФ) пленки типа лавсан, полиамидные бумаги, картоны и др.

37, Изоляция СИЛОВЫХ кабелей обеспечивает необходимую электрическую прочность токопроводящих жил по отношению друг к другу и к заземлённой оболочке (земле). По виду изоляции и оболочки различают кабели:

_с пропитанной бумажной изоляцией в металлической оболочке;

_с бумажной изоляцией, пропитанной нестекающим составом, в металлической оболочке;

_с пластмассовой изоляцией в пластмассовой или металлической оболочке;

_с резиновой изоляцией в пластмассовой, резиновой или металлической оболочке.

Пластмассовая изоляция подразделяется на поливинилхлоридную и полиэтиленовую. Изоляция кабелей с бумажной пропитанной изоляцией состоит из лент кабельной бумаги, пропитанной маслоканифольным составом. В кабелях на напряжение 1-10 кВ каждая фаза изолируется отдельно, а затем поверх скрученных изолированных жил накладывается общая — поясная изоляция. Промежутки между изолированными жилами заполняют заполнителями.

Бумажная пропитанная изоляция — это многослойная изоляция из лент кабельной бумаги, наложенных в виде обмотки, и изоляционного пропиточного состава.

Для изоляции силовых кабелей напряжением до 10 кВ применяют однослойную кабельную бумагу по ГОСТ 23436-83 марок К-080, К-120, К-170 (толщина бумаги 0,08; 0,12 и 0,17 мм, соответственно).

В зависимости от вязкости пропиточного состава кабели с бумажной изоляцией могут быть изготовлены с вязким пропиточным, с обеднённо-пропиточным и с нестекающим пропиточным составом.

38,В конструкциях выключателей должна быть обеспечена надежная электрическая изоляция:

а) между частями, находящимися под напряжением, и заземленными частями;

б) между имеющими различные электрические потенциалы частями одного полюса при полностью разомкнутых контактах;

в) между находящимися под высоким напряжением частями соседних полюсов при любом коммутационном положении выключателя.

Уровень изоляции, т. е. электрическая прочность основных изоляционных промежутков выключателя, должен соответствовать виду и величине перенапряжений, которые могут возникать на зажимах аппарата при эксплуатации последнего в установке на данный класс напряжения [23].

Для выключателей переменного тока высокого напряжения уровень изоляции нормируется и должен соответствовать - нормированному испытательному импульсному напряжению при полной и срезанной волнах и испытательному и выдерживаемому напряжению промышленной (50 гц) частоты, согласно ГОСТ 1516—68;

43,Возвратное напряжение не равно нулю для любой неоднородной изоляции. Чем больше степень неоднородности, тем выше напряжение и тем сильнее различаются скорости подъема и спада «возвратного» напряжения.

Таким образом, по форме и величине «возвратного» напряжения можно судить о состоянии изоляции. Например, неравномерное увлажнение многослойной изоляции обнаруживается по увеличению «возвратного» напряжения. Однако не всегда ухудшение качества изоляции сопровождается ростом напряжения. В частности, при сквозном и равномерном увлажнении неоднородность изоляции может уменьшиться, тогда «возвратное» напряжение снизится. Поэтому контроль по «возвратному» напряжению недостаточен и должен сочетаться с другими методами.

Контроль изоляции по «кривой саморазряда». После отключения источника постоянного напряжения емкости слоев изоляции разряжаются на сопротивления утечки своих слоев, и происходит постепенный саморазряд изоляции. При этом напряжение на многослойной неоднородной изоляции как сумма напряжений на отдельных слоях изменяется.

В случае идеально однородной изоляции, т. е. при числе слоев равным единице «кривая саморазряда» есть просто экспонента. Если ее построить в полулогарифмическом масштабе, то она будет иметь вид прямой, у которой тангенс угла наклона равен 1/ сопротивление утечки и емкость слоя. Для неоднородной изоляции «кривая саморазряда» в данном масштабе, как сумма экспонент, уже не будет прямой. Чем больше она отклоняется от прямой линии, тем сильнее неоднородность изоляции.

Контроль изоляции по сопротивлению утечки. Измерения сопротивлений выполняются с помощью простых переносных приборов — мегаомметров.

39, Испытания маслонаполненных вводов делятся на приемо-сдаточные, проводимые в процессе монтажа электроустановки; испытания при капитальном ремонте электрооборудования и межремонтные испытания, которые не связаны с выводом электрооборудования из работы для ремонта. Испытания должны проводиться с соблюдением требований, изложенных в правилах техники безопасности, с применением приборов, обеспечивающих необходимую точность измерения, и в объеме, определяемом конструкцией ввода.

При измерении характеристик изоляции вводов должны учитываться случайные и систематические погрешности, обусловленные: погрешностями измерительных приборов; дополнительными емкостями и индуктивными связями между элементами измерительной схемы; воздействием температуры; влиянием внешних электромагнитных и электростатических полей на измерительное устройство; погрешностями метода и т. п.

Температура внутренней изоляции маслонаполненных вводов определяется с учетом следующих факторов: за температуру изоляции ввода, установленного на масляном выключателе или на нагретом силовом трансформаторе, принимается температура окружающей среды или температура масла в баке аппарата;

В объем испытаний вводов входит: измерение сопротивления изоляции, измерение тангенса угла диэлектрических потерь, испытание повышенным напряжением, проверка герметичности уплотнений, проверка манометра. Объем испытаний вводов может существенно меняться в зависимости от конструктивного исполнения ввода и вида его внутренней изоляции.

Измерение сопротивления изоляции производится мегаомметром на напряжение 1000—2500 В у маслонаполненных вводов конденсаторного типа с бумажно- масляной изоляцией для различных зон изоляции по схемам.

41,Контроль за качеством изоляции на производстве при изготовлении и выпуске электротехнического оборудования и профилактика изоляции в эксплуатации направлены на выявления ее дефектов с последующей заменой или восстановлением поврежденного изоляционного участка.

Методы контроля за качеством изоляции - это разрушающие методы при испытании повышенным напряжением и обнаружение дефектов под воздействием напряжения ниже номинального уровня или рабочих напряжений без разрушения изоляции.

Виды:

1, Повышенное испытательное напряжение должно:

- эффективно обнаружить все виды дефектов;

- не старить изоляцию, т.е. не развивать дефект, если он выдержал испытания;

- дать распределение напряженности поля по изоляции во время испытания идентичное перенапряжению во время эксплуатации;

- установки повышенного напряжения должны быть транспортабельны. простые в обслуживании и электробезопасны.Испытание изоляции повышенным напряжением

2, Измерение сопротивления изоляции или сквозной проводимости

3, Измерение емкостных характеристик изоляции

4,.Измерение частичных разрядов из изоляции

42. Измерение угла диэлектрических потерь. Поляризационные токи, протекающие через диэлектрик. разогревают его, что соответствует потере энергии, называемой диэлектрической. характеристикой диэлектрических потерь в изоляции, которые можно определить из выражения

W = U I cosФ = U I tgФ.

Для малогаборитных объектов емкостью порядка 200-300 пФ (например, вводы трансформаторов тока или внешняя изоляция, различные изоляторы) значение tg Ф характеризует общее состояние изоляции и может отметить развивающийся местный дефект. Для крупногаборитных объектов емкостью выше 2000 пФ, например, изоляция крупных генераторов. электродвигателей. трансформаторов, кабелей и т.д. значение tg Ф указывает на увлажнение изоляции, на общее старение, частичное разрушение (микротрещина) и т.п. Такие дефекты в изоляции как весьма развитые металлические включения или мостики повышенyой проводимости, могут быть обнаружены и на постоянном токе.

Величина tg Ф и сопротивление сквозной проводимости растут с увеличением температуры свыше 40 ос, поэтому эти параметры нормируются при температуре 20 *С. Измерение tg Ф изоляции осуществляется высоковольтными мостами по схеме Шеринга типа Р-5026 с рабочим напряжением 5 - 10 кВ промышленной частоты.

44, Существует несколько методов проверки качества изоляции по емкостным характеристикам.

Метод «емкость–температура» основывается на изменении емкости при увеличении температуры. Опытным путем установлено, что если при повышении температуры на 50 °С емкость увеличивается не более чем на 30 %, то изоляцию можно считать нормальной, в противном случае – увлажненной

Метод «емкость–частота» основывается на изменении емкости при различных частотах. Известно, что вода, являясь полярным диэлектриком, обладает большим значением относительной диэлектрической проницаемости (= 80). Поэтому при малых частотах, когда диполи частиц влаги успевают ориентироваться вдоль линий переменного электрического поля, они увеличивают емкость изоляции. Однако при увеличении частоты, когда диполи не успевают ориентироваться с частотой приложенного напряжения, величина емкости резко уменьшается, т. е. механизм дипольной поляризации выключается.

При методе «емкость–частота» емкость изоляции измеряют на частотах 2 и 50 Гц и определяют отношение, которое служит показателем качества изоляции. Опытным путем установлено, что отношение для неувлажненной изоляции трансформаторов близко к единице.

40, 2.1. Испытания электрооборудования должны производиться с соблюдени­ем требований правил техники безопасности,

Измерение изоляционных характеристик электрооборудования под рабочим напряжением разрешается осуществлять при условии использования устройств, обеспечивающих безопасность работ и защиту нормально заземляемого низко­потенциального вывода контролируемого объекта от появления на нем опасного напряжения при нарушении связи с землей.

2.2. Электрические испытания изоляции электрооборудования и отбор про­бы трансформаторного масла для испытаний необходимо проводить при тем­пературе изоляции не ниже 5 °С, кроме оговоренных в Нормах случаев, когда измерения следует проводить при более высокой температуре

2.3. Сравнение характеристик изоляции должно производиться при одной и той же температуре изоляции или близких ее значениях (расхождение — не более 5 °С). Если это невозможно, должен применяться температурный пере­расчет в соответствии с инструкциями по эксплуатации конкретных видов элек­трооборудования.

При измерении сопротивления изоляции отсчет показаний мегаомметра про­изводится через 60 с после начала измерений. Если в соответствии с Нормами требуется определение коэффициента абсорбции (R_60”/R_15”) отсчет произво­дится дважды: через 15 и 60 с после начала измерений.

2.4. Испытанию повышенным напряжением должны предшествовать тщательный осмотр и оценка состояния изоляции другими методами.

Перед проведением испытаний изоляции электрооборудования (за исклю­чением вращающихся машин, находящихся в эксплуатации) наружная поверх­ность изоляции должна быть очищена от пыли и грязи,

2.5. Испытание изоляции обмоток вращающихся машин, трансформаторов и реакторов повышенным приложенным напряжением частоты 50 Гц должно производиться поочередно для каждой электрически независимой цепи или па­раллельной ветви (в последнем случае при наличии полной изоляции между ветвями).

Обмотки, соединенные между собой наглухо и не имеющие выведенных обоих концов каждой фазы или ветви, должны испытываться относительно корпуса без их разъединения.

2.6. При испытаниях электрооборудования повышенным напряжением ча­стоты 50 Гц, а также при измерении тока и потерь холостого хода силовых и измерительных трансформаторов необходимо использовать линейное напряже­ние питающей сети.

2.7. Испытательное напряжение должно подниматься плавно со скоростью, допускающей визуальный контроль по измерительным приборам, и по дости­жении установленного значения поддерживаться неизменным в течение всего времени испытания. После требуемой выдержки напряжение плавно снижается до значения не более одной трети испытательного и отключается.

2.8. До и после испытания изоляции повышенным напряжением частоты 50 Гц или выпрямленным напряжением следует измерять сопротивление изо­ляции. Испытание изоляции повышенным выпрямленным напряжением, если оно предусмотрено Нормами, должно производиться до испытания повышен­ным напряжением частоты 50 Гц. Обратный порядок допускается только для генераторов с водяным охлаждением.

45,Воздушные и газовые включения являются распространенными сосредоточенными -в.дефектами в изоляция. Поскольку диэлектрическая проницаемость воздуха меньше, чем у диэлектрика, то напряженность поля в газовой полости значительно превосходит среднюю напряженность поля в полости изоляции. Поэтому в газовой полости даже при рабочем напряжении и возникают ионизационные процессы, что называется частичным разрядом. Такой разряд вызывает импульс тока порядка 10-7 – 10-8 с, снижение амплитуды рабочего напряжения и распространение в окружающее пространство электромагнитных волн частотой от 10 кГц до 100 МГц. Во внешней электрической цепи такие факторы могут быть обнаружены и измерены путем:- оценки напряжения на объекте; регистрации импульса тока в цепи; оценки интенсивность электромагнитных волн.

Обнаружение колебаний напряжения или тока во внешней электрической цепи осуществляют индикаторы частичных разрядов (ИЧР), которые включаются непосредственно в испытательную схему. Наличие частичных разрядов можно обнаружить под рабочим напряжением во время эксплуатации изоляционной конструкции. Для этого применяют в ысокочастотные дефектоскопы.

Другая разновидность приборов позволяет обнаружить частичный разряд с помощью индикатора радиоизлучения ч.р. (ИРИ). При таком способе электромагнитные волны, излучаемые ч.р., воспринимаются с помощью антенны, т.е. четко пеленгуется источник излечения.

В последние годы в эксплуатации для контроля качества изоляции широко используют акустический метод, определяющий не только наличие частичного разряда, но и место, где он развивается.

47, Разрушающие методы контроля состояния изоляции- разрушающие методы контроля, связанные с использованием напряжения, повышенного по сравнению с рабочим напряжением и вызывающего ускоренное разрушение изоляции в дефектном месте; приложение повышенного напряжения не исключает появления дефекта, который может привести к пробою изоляции во время эксплуатации. Кроме того, методы контроля подразделяют на две группы по электрическому признаку: - электрические методы контроля изоляции, которые рассмотрены далее; - неэлектрические методы контроля: хроматографический анализ газов в трансформаторном масле, ультразвуковые методы контроля, радиоволновой метод, тепловизионный метод, оптикоэлектронный метод, рентгенографический метод. В процессе эксплуатации изоляции на нее воздействуют частичные разряды, тепловые и механические нагрузки, из окружающего воздуха проникает влага. Все это приводит к появлению сосредоточенных и распределенных дефектов изоляции.

Методы контроля состояния изоляции подразделяются на неразрушающие методы, производимые при пониженных напряжениях и при рабочих напряжениях, и на разрушающие методы контроля, предполагающие использование напряжений, повышенных по сравнению с рабочими.