Изоляция силовых конденсаторов

Силовые конденсаторы применяют в следующих случаях:

- в силовых сетях промышленной частоты высокого и низкого напряжений частотой 50 Гц (косинусные конденсаторы, конденсаторы продольной емкостной компенсации, конденсаторы емкостного отбора мощности);

- в силовых установках повышенных частот (электротермические установки частотой до 10 кГц);

- в установках постоянного и пульсирующего напряжений;

- в установках импульсного напряжения.

Основное характерное отличие силовых конденсаторов от прочих конденсаторов – сравнительно большие протекающие через них токи, которые даже при малых диэлектрических потерях приводят к заметному нагреву конденсаторов. Основные проблемы, решаемые при проектировании и изготовлении конденсаторов, заключаются в обеспечении требуемой емкости, рабочего напряжения и тепловой устойчивости. Все это определяется изоляцией конденсатора: диэлектрической проницаемостью диэлектрика, допустимой величиной рабочей напряженности электрического поля, диэлектрическими потерями и условиями теплоотвода.

Силовые конденсаторы состоят из секций в основном рулонного типа. Секции наматывают на цилиндрическую оправку и после снятия с оправки сплющивают, либо оставляют на цилиндрическом изоляционном каркасе, получая цилиндрическую секцию. В зависимости от номинального напряжения и емкости конденсатора его секции соединяются параллельно, последовательно или смешанно (рис. 4.6). Пакет помещают в корпус, пропитывают и герметизируют для предотвращения попадания воздуха и влаги.

Рисунок 4.6 - Смешанное параллельно-последовательное соединение секций

Секции конденсаторов выполняются либо со скрытой, либо с выступающей фольгой (рис. 4.7). Конструкцию с выступающей фольгой применяют для улучшения теплоотвода и для уменьшения индуктивности секций. Для увеличения напряжения применяют конструкцию со «слепой» промежуточной фольгой, при этом секция состоит из нескольких подсекций, соединенных последовательно, а выводы имеют только первая и последняя фольга (рис. 4.7г).

Рисунок 4.7 - Рулонные секции конденсаторов со скрытой фольгой (а), с выступающей фольгой (б) и с промежуточной «слепой» фольгой (в)

В качестве изоляции используется пропитанная конденсаторная бумага и полимерные пленки.

Самые существенные характеристики конденсаторной бумаги – ее толщина (колеблется от 4 до 30 мкм), плотность, угол диэлектрических потерь (у пропитанной бумаги tg δ=0.0012..0.0026) и электрическая прочность, сильно зависящая от материала пропитки.

Из полимерных пленок в конденсаторах промышленной и повышенной частоты применяют полипропиленовую пленку (ε_r=2.25, tg δ=0.0003), а в импульсных конденсаторах – лавсановую пленку (ε_r=3.2, tg δ=0.003 при 50 Гц и tg δ=0.02 при 1 МГц). У полимерных пленок высокая электрическая прочность, достаточная термостойкость и механическая прочность, совместимость с жидкими диэлектриками, применяемыми для пропитки.

В силовых конденсаторах часто применяют комбинированную бумажно-пленочную изоляцию, в которой слои конденсаторной бумаги перемежаются со слоями полимерной пленки. Бумага впитывает жидкость, втягивая ее в прослойки между пленками, и обеспечивает отсутствие газовых включений. В такой изоляции благоприятное распределение напряженности электрического поля: в пленке напряженность примерно вдвое больше, чем в бумаге, поскольку ε_r пленки примерно вдвое меньше, а электрическая прочность пленки выше.

В качестве пропиток используют нефтяное конденсаторное масло, хлорированные дифенилы и их заменители, а в импульсных конденсаторах – касторовое масло. Хлорированные дифенилы имеют более высокую диэлектрическую проницаемость по сравнению с конденсаторным маслом, высокую стойкость к разложению в электрическом поле, негорючесть, но токсичны и чувствительны к примесям.

Электродами в силовых конденсаторах является алюминиевая фольга толщиной 7..12 мкм. В некоторых типах конденсаторов используется слой металла (цинка или алюминия), нанесенный на поверхность ленты или бумаги.

Рабочие напряженности поля E _раб в изоляции бумажно-масляных конденсаторов составляют 12..14 кВ/мм, при пропитке хлордифенилами или их заменителями E _раб возрастают до 18..22 кВ/мм, но при этом возможен недопустимый нагрев и угол потерь должен быть малым. Бумажно-полипропиленовый диэлектрик с двумя листами пленки (ε_r=2.25) и листом бумаги (ε_r=4) между ними допускает E _раб от 18 кВ/мм и выше в бумажном компоненте в зависимости от пропитки и до 50..60 кВ/мм в пленке. Конденсаторы с чисто пленочным диэлектриком допускают E _раб до 50..60 кВ/мм, а в конденсаторах с использованием металлизированной полипропиленовой пленки – до 70 кВ/мм. При повышенных частотах допустимые рабочие напряженности поля определяются в основном тепловым режимом. При постоянном напряжении допустимая рабочая напряженность может достигать 80 кВ/мм.