Высоковольтная изоляция

 

Общая характеристика высоковольтной изоляции

Изоляция высоковольтных конструкций подразделяется на внешнюю и внутреннюю.

Внешней изоляцией называются части изоляционной конструкции, в которых изолирующей средой является атмосферный воздух, в том числе у поверхности твердого диэлектрика. Электрическая прочность внешней изоляции зависит от атмосферных и других внешних условий, в частности от давления, температуры и влажности атмосферного воздуха, загрязнения, интенсивности мокрых осадков.

Изоляционные конструкции, обеспечивающие изоляцию токоведущих частей машин, аппаратов, кабелей, конденсаторов, приборов и других элементов, относятся к внутренней изоляции.

По конструктивному исполнению внутренняя изоляция может иметь различную форму и одновременно выполнять функцию крепежных деталей и теплоотводящей среды. По агрегатному состоянию внутренняя изоляция может быть газообразной, жидкой, твердой или комбинированной. Наиболее широкое применение получили сложные изоляционные конструкции и комбинации: бумажно-масляная изоляция (БМИ), маслобарьерная изоляция (МБИ), комбинированная изоляция на основе слюдопластов, стеклопластов, полимеров, связующих и других материалов.

Применение в установках высокого напряжения твердых, жидких или специальных газообразных диэлектрических материалов обусловлено следующим:

1. Значительно более высокая электрическая прочность (в 5-10 раз больше чем у атмосферного воздуха), что позволяет резко сократить изоляционные расстояния.

2. Функция механического крепления проводников, находящихся под напряжением (только твердые диэлектрики).

3. Через внутреннюю изоляцию всегда осуществляется отвод тепла, выделяющегося при прохождении рабочих токов.

Использование жидких диэлектриков позволяет в ряде случаев значительно улучшить условия охлаждения за счет естественной или принудительной циркуляции изоляционной жидкости.

Внутренняя изоляция имеет ряд особенностей, существенно отличающих ее от внешней изоляции:

1. На электрическую прочность внутренней изоляции практически не оказывают влияния кратковременные изменения атмосферных условий.

2. Пробой внутренней изоляции, включающей твердые диэлектрики, представляет собой необратимое разрушение.

3. Внутренняя изоляция любого типа (кроме чисто газовой) имеет специфическую зависимость электрической прочности от времени воздействия напряжения.

4. Старение внутренней изоляции, то есть изменение ее свойств (снижение электрической прочности) под влиянием внешних электрических, тепловых и механических воздействий.

Изоляция, полностью восстанавливающая свои изолирующие свойства после полного разряда, вызванного приложением высокого напряжения, называется самовосстанавливающейся. К самовосстанавливающейся изоляции относится внешняя изоляция и внутренняя жидкая или газовая изоляция, если при разряде не происходит повреждения поверхности твердого диэлектрика.

Несамовосстанавливающаяся изоляция – изоляция, пробой которой означает необратимое повреждение конструкции (большинство видов внутренней изоляции).

 

Требования к материалам внутренней изоляции

 

К диэлектрическим материалам, используемым для внутренней изоляции оборудования ВН, предъявляется ряд требований.

1. Высокая кратковременная и длительная электрическая прочность, малые диэлектрические потери, стойкость к частичным разрядам (ЧР), отсутствие газовых включений.

2. Хорошие тепловые свойства: теплопроводность, стойкость к тепловому старению, высокая допустимая рабочая температура, пожаро- и взрывобезопасность.

3. Механическая прочность - необходимо не только обеспечить механическую целостность изоляции и всей конструкции, но и исключить появление в изоляции трещин, расслоений и других небольших дефектов, снижающих электрическую прочность.

4. Технологичность – материалы должны быть пригодными для высокопроизводительных процессов изготовления изоляции и всего оборудования или аппарата в целом.

5. Экологические требования – материалы для внутренней изоляции не должны содержать или образовывать в процессе эксплуатации токсичные продукты, после отработки всего срока эксплуатации должны легко утилизироваться.

6. Специфические требования – обусловленные спецификой того или иного вида оборудования (материалы для силовых конденсаторов должны иметь повышенную диэлектрическую проницаемость; материалы для камер выключателей – высокую стойкость к термоударам и воздействию электрической дуги).

Весь комплекс требований наилучшим образом удовлетворяется при использовании в составе внутренней изоляции комбинации из нескольких материалов, дополняющих друг друга и выполняющих несколько различные функции.

Во всех случаях в состав внутренней изоляции должны входить твёрдые диэлектрические материалы, так как только они могут обеспечить необходимую механическую прочность изоляционной конструкции. Однако твёрдые диэлектрические материалы обладают низкой теплопроводностью; в конструкциях со сложной конфигурацией электродов, они требуют больших трудозатрат на механическую обработку. Главный недостаток – трудно или даже невозможно обеспечить надёжное сочленение деталей из таких материалов друг с другом или с электродами без воздушных зазоров, в которых под действием рабочего напряжения могут развиваться частичные разряды, вызывающие старение изоляции.

Высокопрочные газы под давлением или жидкие диэлектрики легко заполняют изоляционные промежутки любой конфигурации, чем существенно повышают электрическую прочность, особенно длительную. Жидкие диэлектрики могут быть использованы в качестве теплоносителя в системе интенсивного охлаждения конструкции.

 

Газовая изоляция

Преимущества газовой изоляции: самовосстанавливаемость, стойкость к старению, пожаробезопасность, высокое удельное сопротивление ρ, малый tg δ. Применение газов в качестве изолирующей среды позволяет снизить массу и габариты конструкции. Для обеспечения безопасной и надежной конструкции необходимо, чтобы газы удовлетворяли следующим требованиям:

1) газы должны быть стойкими к электрическим разрядам и не выделять токсичных веществ;

2) не вступать в химические реакции с контактирующими материалами;

3) обладать высокой теплопроводностью и иметь низкую температуру сжижения, допускающую работу при высоких давлениях;

4) быть негорючими;

5) иметь низкую стоимость.

В настоящее время в качестве изоляции применяют следующие газы: воздух, элегаз, азот и смесь азота с элегазом.

Вакуумная изоляция

 

К вакуумной относится газовая изоляция, находящаяся под давлением 0,01–0,2 кПа (для сравнения атмосферное давление составляет 100 кПа). Глубокий вакуум возникает при P ≤ 10^-3 Па. Характерной особенностью вакуумной изоляции является высокая электрическая прочность (E =10⁶ В/см при L =10^-3 см), хорошие дугогасящие свойства, низкая теплопроводность.

Механизм пробоя вакуума в основном объясняется автоэлектронной и вторичной эмиссией. При локальных нагревах электродов могут образовываться газо- или парообразные выбросы с их поверхности. Пробивные напряжения зависят от чистоты поверхности, формы поля, числа разрядов и других факторов. В силу этого U _пр имеет большой разброс. Для увеличения U _пр вакуумной изоляции применяют тренировку (выдержка под напряжением).

Недостатки вакуумной изоляции:

1) сложность получения глубокого вакуума;

2) сложность осуществления привода подвижных частей электрооборудования;

3) сложность обработки токоведущих частей.

Область применения вакуума: КРУ, электровакуумные приборы, высоковольтные выключатели, конденсаторы, вакуумные разрядники.