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. 1.64).

Г азы, используемые для изоляции установок высокого напряжения, должны быть химически стойкими в электрическом разряде и не выделять химически активных веществ; быть инертными и нс вступать в реакции с материалами, в сочетании с которыми они применяются; обладать низкой температурой сжижения, допускающей их применение при повышенных давлениях, и высокой теплопроводностыо. Помимо этого они должны быть негорючими и нетоксичными и иметь невысокую стоимость.

Рис. 1.64. Зависимости пробивных напряжений от расстояния между электродами: 1 — воздух, р = 2,8 МПа; 2 — элегаз, р = 0,7 МПа; 3 — трансформаторное масло; 4 — элегаз при атмосферном давлении;

5 — воздух при атмосферном давлении В настоящее время в качестве изоляции применяются воздух, азот и шестифтористая сера (элегаз). Из них наибольшей электрической прочностью, превышающей прочность азота и воздуха примерно в 2,5 раза, обладает элегаз. Причина этого заключается в том, что элегаз является электроотрицательным газом, в состав его молекулы SF₆ входит фтор — галоген, легко присоединяющий к себе электрон и образующий устойчивые отрицательные ионы.

При увеличении давления электрическая прочность элегаза возрастает почти пропорционально давлению и может быть выше электрической прочности жидких и некоторых твердых диэлектриков.

Наибольшее рабочее давление и, следовательно, наибольший уровень электрической прочности элегаза в изоляционной конструкции ограничиваются возможностью сжижения элегаза при низких температурах. Так, температура сжижения элегаза при давлении 0,3 МПа составляет -45°С, а при 0,5 МПа повышается до -30°С. Такие температуры у оборудования наружной установки вполне возможны зимой во многих районах страны. В связи с этим большой интерес представляют смеси элегаза с азотом, у которых электрическая прочность лишь на 10−15% ниже прочности чистого элегаза, а допустимое давление резко возрастает. Так, например, у смеси из 30% элегаза и 70% азота сжижение при температуре -45°С наступает при давлении 8 МПа. Таким образом, допустимое рабочее давление для смеси оказывается примерно в 30 раз выше, чем для чистого элегаза.

Для крепления токоведущих частей в комбинации с элегазом.

Рис. 1.65. Разъединитель КРУЭ-110: 1,2, 3 — опорные конструкции используются опорные изоляционные конструкции из литой эпоксидной изоляции (рис. 1.65). Основным материалом в ней является эпоксидная или эпоксидно-диановая смола. Качество таких опорных изоляторов и особенно их длительная электрическая прочность в сильной степени зависят от технологии подготовки материалов и заливки. Обязательными считаются сушка исходных материалов, тщательное перемешивание компаунда, вакуумирование объема формы, заливка и выдержка до отверждения при избыточном давлении. Эти мероприятия позволяют исключить в литой изоляции газовые включения и тем самым обеспечить высокий уровень ее длительной электрической прочности.

Элегазовая изоляция может быть использована только в герметичных конструкциях. Практика показала, что надежная герметизация конструкций с элегазом является сложной задачей, требующей пристального внимания. В современных элегазовых аппаратах утечка элегаза не превышает 1% общей массы в год.

Высокая надежность элегазовой изоляции, как показывает опыт эксплуатации, обеспечивается при условии очень тщательной очистки от загрязнений всех элементов конструкции, соприкасающихся с элегазом. Небольшие количества пыли, мелкой металлической стружки, волокон пряжи или бумаги могут снизить кратковременную электрическую прочность конструкции или вызвать появление в ней частичных разрядов. Последние опасны тем, что разлагают элегаз с образованием химически очень активных, а иногда и токсичных продуктов.

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 воздушными выключателями.

Воздух под избыточным давлением в несколько атмосфер используется, в основном, в образцовых конденсаторах на напряжение до 35 кВ. Ограниченное применение воздуха связано с тем, что при частичных разрядах в воздухе образуется озон, вызывающий коррозию металлов и разрушение твердых диэлектриков.

Азот и элегаз применяются для изоляции конденсаторов, трансформаторов, кабелей и герметизированных распределительных устройств.

Характерной особенностью электроотрицательных газов (элегаза, воздуха) под давлением является наличие максимума в зависимости пробивного напряжения промежутков с резконеодпородным полем от давления (рис. 1.66). Такое явление наблюдается при переменном напряжении, а также при постоянном напряжении и положительной полярности электрода с высокой кривизной поверхности. При импульсных напряжениях максимум выражен слабо. Объясняется это возникновением вблизи электрода с большой кривизной в результате ионизации положительного объемного заряда. Диффузия этого заряда затруднена из-за повышения давления, и он как бы увеличивает радиус кривизны электрода, выравнивая электрическое поле, вследствие.

Рис. 1.66. Зависимость пробивного напряжения от давления в промежутках с резконеоднородным полем: 1 — элегаз; 2 — воздух чего пробивное напряжение повышается. При дальнейшем росте давления после значения, соответствующего максимуму U«р, вследствие увеличивающегося поглощения фотонов и усиления фотоионизации изменяется механизм разряда: из лавинного он становится стримерным и пробивное напряжение достаточно резко снижается.

Напряжение начала короны, кВ, в элегазовых промежутках, образующих однородное поле, рассчитывается, но формуле 15 J.

где S — длина промежутка, см; д— относительная плотность элегаза.

Для цилиндрических электродов, образующих коаксиальную систему, напряженность начала короны, кВ/см, определяется как.

где г — радиус внутреннего электрода, см.

Напряжение начала короны рассчитывается по формуле.

где К_н — коэффициент неоднородности электрического поля.

Приведенные формулы справедливы для гладких электродов. В реальных конструкциях на поверхности электродов всегда имеются микроскопические выступы (шероховатости) и осевшие частицы. Напряженность электрического поля у выступов возрастает, что приводит к снижению U". Оценка напряжения начала короны производится в таких случаях по экспериментальным данным.

Для коаксиальной системы электродов вероятность возникновения короны (пробоя) Р (Е) при напряженности поля Е определяется по формуле (двойной экспоненциальный закон распределения).

где Е_а и а_Е — параметры распределения, связанные со средним значением Е_ср и среднеквадратическим отклонением о соотношениями.

Значения Е_ср и о зависят от давления элегаза (рис. 1.67). Определив Е_ср и о по рис. 1.67 для заданного давления, можно по (1.7) вычислить вероятность зажигания разряда при напряженности Е или, наоборот, по заданной вероятности вычислить соответствующую напряженность поля.

Рис. 1.67. Зависимость параметров распределения от давления: а — ?_ср; 6 — о При увеличении площади поверхности электрода вероятность зажигания разряда возрастает. Если среднее значение напряженности зажигания разряда на электроде площадью S равно E_cps, то для такого же электрода с большей площадью Si среднее значение напряженности может быть определено как

Уменьшение Е_ср с ростом площади электрода связано, в первую очередь, с ростом вероятности появления высоких выступов или оседания больших частиц на его поверхности.

Рис. 1.68. Разрядные напряжения вдоль поверхности изоляционных материалов в элегазе в зависимости от давления: I — чисто газовый промежуток;

2 — фторопласт-4; 3 — эпоксидный компаунд; 4 — стеклотекстолит Жесткость изоляционной конструкции с газом придают вставки, распорки и другие элементы, выполненные из твердых диэлектриков (рис. 1.67). Электрическая прочность такой комбинированной изоляции определяется напряжением перекрытия по поверхности твердого диэлектрика. На рис. 1.68 показаны напряжения перекрытия различных твердых диэлектриков в элегазе в зависимости от давления. Основными причинами снижения разрядных напряжений по сравнению с чисто элегазовым промежутком являются плохой контакт изолятора с электродами и большая нормальная составляющая напряженности электрического поля на поверхности твердого диэлектрика. Если исключить плохие контакты и выровнить поле, придав изолятору соответствующую форму или использовав внутренний экран, то удается в некоторых случаях получить разрядные напряжения по поверхности изолятора, близкие по значениям к пробивному напряжению чисто злегазового промежутка.

Промежутки, для которых произведение давления газа на межэлектроднос расстояние лежит в пределах 0,01−0,2 кПа см, считаются вакуумными промежутками. Возникновение разряда в них определяется практически только процессами на электродах. В ряде случаев электрическая прочность вакуумной изоляции может быть выше, чем газовой изоляции (рис. 1.69).

Рис. 1.69. Зависимости пробивных напряжений от расстояния между электродами: I —технический вакуум; 2 — элегаз, р = 0,1 МПа;

3 — воздух, р = 0,1 МПа Различают три вида нарушения электрической прочности вакуумной изоляции: вопервых, 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 самогасяшихся маломощных импульсов тока силой КГ⁴—10^-3 А и длительностью КГ⁴-КГ³ 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.

Под нарушением электрической прочности вакуумной изоляции понимают тс явления, которые ограничивают подъем напряжения на электродах в данной конкретной установке. В одном случае это пробой при быстром подъеме напряжения, в других — возникновение изредка импульсов тока при длительном приложении напряжения или появление темповых токов. Таким образом, в зависимости от требований, предъявляемых к вакуумной изоляции, в понятие электрической прочности может вкладываться разный смысл.

Отличительной чертой вакуумной изоляции являются очень большие разбросы пробивных напряжений и напряжений появления темповых и импульсных токов (измеренные значения могут отличаться друг от друга в 1,5−3 раза), что объясняется особенностями микроструктуры поверхности электродов и степенью их чистоты, наличием адсорбционных и окисных пленок. Характеристики поверхности зависят от материала и чистоты обработки электродов и могут изменяться при воздействии разрядов.

Рис. 1.70. Зависимость пробивного напряжения вакуумного промежутка от числа тренировочных пробоев.

Уменьшить разброс пробивных напряжений удается с помощью тренировки электродов, представляющей собой серию пробоев вакуумного промежутка до установления стабильного напряжения. При пробоях вакуумного промежутка происходят нагрев электродов и испарение их поверхности. В результате этого поверхность электродов становится более гладкой и очищается от посторонних веществ, что и приводит к повышению и стабилизации пробивного напряжения (рис. 1.70).

В установках с вакуумной изоляцией, так же как и с газовой, электрическая прочность промежутка очень часто определяется разрядным напряжением по поверхности твердых изоляторов, которые применяются для крепления различных узлов установки. Для повышения и стабилизации разрядного напряжения по поверхности твердого диэлектрика также проводят тренировку, которая представляет собой выдержку промежутка под напряжением.

Вакуумная изоляция используется в установках и приборах, где вакуум является рабочей средой. Это — ускорители, космические двигатели, электростатические сепараторы, электровакуумные приборы. Вакуумная изоляция применяется также в конденсаторах на.

20−50 кВ, в выключателях, вакуумных разрядниках и реле. Использование вакуумной изоляции в выключателях представляет интерес благодаря быстрому восстановлению электрической прочности промежутка после пробоя (КГ³-КГ⁴ с); применение вакуумной изоляции в искровых реле позволяет получать хорошие временные характеристики реле, нестабильность времени срабатывания меньше 10 нс.

Недостатками вакуумной изоляции являются конструктивные сложности получения высокого вакуума и сложная технологическая обработка токоведущих частей.