Изоляционных материалов
При эксплуатации электрическая изоляция электроустановок испытывает воздействие множества факторов, ухудшающих её качества.
Механические нагрузки (растяжение и сжатие, центробежные силы во вращающихся деталях электрических машин, вибрации) вызывают разрушение, разрывы изоляции, что ведёт к оголению токоведущих деталей, к замыканию между ними и выходу установки из строя.
Наиболее опасны механические нагрузки в сочетании с нагревом, высокой влажностью окружающей среды, высокой напряжённостью электрического поля.
Тепловые воздействия вызывают размягчение и расплавление термопластичных материалов, термоокисление органических изоляционных материалов, называемое «термостарением». При термоокислении снижаются удельное сопротивление и электрическая прочность изоляции, утрачивается её эластичность, материал становится хрупким. Резкие колебания температуры — «термоудары» вызывают растрескивание изоляционного материала.
Тепловое воздействие особенно опасно в сочетании с вибрациями, при которых иссохшая изоляция разрушается и осыпается, оголяя токоведущие детали, а также в сочетании с высокой влажностью, когда влага заполняет образующиеся в теле изоляции трещины.
Воздействие влаги на изоляционный материал связано с его гигроскопичностью, которая зависит от наличия закрытых или сквозных пор в материале изоляции, от присутствия в нём водорастворимых включений.
Материал, впитывая влагу, набухает и увеличивается в размерах, теряет электрическую прочность, уменьшается его удельное электрическое сопротивление, растут диэлектрические потери в теле изоляции, усиливается её нагрев.
Для борьбы с гигроскопичностью пористый изоляционный материал подвергают пропитке, заполняя его поры жидкими или твердеющими диэлектриками, а также окраске эмалями, лаками, другими материалами, создающими на поверхности изоляционного материала водонепроницаемое покрытие.
Старение жидких диэлектриков — ухудшение их электроизоляционных качеств в процессе эксплуатации.
Изоляционные жидкости гигроскопичны и впитывают влагу из окружающего воздуха. Они загрязняются пылевидными включениями, твёрдыми и газообразными продуктами термического разложения при пробоях и горении дуги в жидком диэлектрике. При термическом разложении диэлектрик насыщается газами, в нём накапливается мелкодисперсный углерод.
Изоляционные масла окисляются кислородом воздуха, при повышенных температурах этот процесс усиливается. Старение масла ускоряют влага, присутствующая в жидких диэлектриках, и металлы, с которыми оно неизбежно контактирует. При старении уменьшается электрическая прочность изоляционной жидкости, на токоведущих деталях отлагаются смолообразные и битумные включения, снижающие их теплоотдачу, образуются агрессивные муравьиная и уксусная кислоты, ускоряющие разрушение изоляционных деталей, выполненных из органических материалов.
В процессе эксплуатации показатели качества жидкого диэлектрика периодически контролируют, его регулярно подвергают очистке и регенерации.
Очисткумасла от влаги выполняют в сушильных вакуумных аппаратах (рис. 3.44). Масло насосом 3 через фильтр 1, теплообменник 4, в котором оно подогревается, и нагреватель 6 нагнетается в форсунку-распылитель вакуумного котла 7, пониженное давление в котором облегчает испарение влаги. Воздух и пары воды из котла откачиваются вакуумным насосом 5. Масло, оседающее на ребристых конусных тарелках маслоотделителя, стекает вниз и насосом через теплообменник 4 и фильтр-пресс 2 подаётся в приёмную ёмкость. В фильтр-прессе масло продавливается через фильтровальный картон, на поверхности которого оседают твёрдые фракции загрязнения. Остатки влаги впитываются капиллярами картона, который периодически заменяется.
От твёрдых загрязнителей и воды масло очищают и в центрифугах (рис. 3.45). Нагретое для увеличения текучести масло по центральному каналу подаётся в нижнюю часть корпуса головки 2 и растекается по тончайшим зазорам между конусными тарелками 1. Головка центрифуги вращается со скоростью около 20 тыс. оборотов в минуту. Под действием центробежной силы загрязнители с большей, чем у масла, плотностью отбрасываются на периферию, а масло поднимается по поверхности тарелок и сливается в приёмник очищенного масла (на рисунке не показан). Влага выводится из головки по внутренней поверхности корпуса головки, а твёрдые загрязнители собираются в грязевике 3, откуда они периодически удаляются.
Для предохранения нагретого до 50 0С масла от окисления центрифугирование проводят под вакуумом или в атмосфере азота.
Регенерация— восстановление изоляционных качеств масла обработкой его адсорбентами и химическими веществами.
Адсорбенты — вещества, способные впитывать продукты старения масла и влагу. Таковы мелко раздробленные отбеливающие глины, обезвоженные силикагель (один из видов кремниевой кислоты) и активная окись алюминия.
Для регенерации в масло вводят 0,5…1,5 % концентрированной серной кислоты. Она превращает продукты окисления масла в гудрон, который отделяют от масла отстаиванием. Щёлочью нейтрализуют остатки серной кислоты в масле, промывают его дистиллированной водой, обрабатывают адсорбентами, а затем пропускают через центрифугу и сушильный аппарат.
Требования к электроизоляционным материалам
Перечень требований, предъявляемых к электроизоляционным материалам, весьма обширен.
Высокие электроизоляционные качества: максимальные поверхностное и объёмное сопротивления, наименьшие диэлектрические потери в изоляции электроустановок, работающих в переменном электрическом поле.
Высокая электрическая прочность, позволяющая изоляции малой толщины работать в электрических полях высокой напряжённости.
Высокая теплостойкость — способность изоляции сохранять свои электроизоляционные качества при высоких температурах, что позволяет экономить проводниковые материалы, уменьшая сечения токоведущих деталей электроустановки при увеличенной плотности тока в проводниках.
Высокая теплопроводностьизоляцииобеспечивает активный отвод тепла от токоведущей детали в охлаждающую среду и снижение температуры как самой изоляции, так и токоведущей детали.
Малая гигроскопичностьизоляционного материала для сохранения механических и электрических качеств в условиях высокой влажности окружающей среды и в воде.
Стойкость к механическим воздействиям(изгибам, трению, вибрации, царапанию и др.) — важное качество изоляционного материала применительно к соответствующим условиям эксплуатации электроустановок.
Высокая технологичность материала, упрощающая и удешевляющая процессы нанесения изоляции на токоведущие детали, изготовления изоляционных деталей и их обработки.
Холодостойкость, химостойкость, тропикостойкость — требования к изоляционным материалам, определяемые характерными условиями эксплуатации электроустановки.
Низкая стоимость — весьма важная характеристика изоляционного материала, позволяющая на основании технико-экономических расчётов оценить возможности его использования.
Совместить все положительные качества в одном изоляционном материале невозможно. При выборе материала приходится руководствоваться главенствующими в каждом конкретном случае качествами и неизбежно жертвовать другими.
Газообразные диэлектрики
Газообразные диэлектрики — все газы и воздух, являющийся смесью газов и паров воды. Они используются как изоляция в конденсаторах, выключателях, трансформаторах, в газонаполненных кабелях, на линиях электропередачи и в других электроустановках.
Во многих электрических аппаратах газы являются охлаждающей средой, поэтому их теплопроводность и теплоёмкость должны быть возможно более высокими.
В высоковольтных аппаратах для повышения электрической прочности используются газы при высоком давлении, в связи с чем они должны иметь достаточно низкую температуру перехода в жидкое состояние.
Стоимость газа влияет на решение вопроса экономической целесообразности его применения.
Характеристики газообразных диэлектриков приведены в табл. 3.3.
Воздух — наиболее распространённый дешёвый газообразный диэлектрик. Его недостатками являются относительно низкая электрическая прочность, образование агрессивных озона и окислов азота при пробое и горении в нём дуги.
Водородпревосходит остальные газы по тепловым характеристикам. Его часто используют как охлаждающую среду в крупных генераторах и электрических машинах. Электрическая прочность водорода невысока, при утечках водорода из систем охлаждения возможно образование взрывоопасного гремучего газа.
Элегаз (гексафторид серы) — электроотрицательный газ, молекулы которого присоединяют к себе свободные электроны и становятся малоподвижными отрицательными ионами, чем объясняется высокая электрическая прочность элегаза. При повышении давления она увеличивается и при 0,5 МПа становится соизмеримой с электрической прочностью трансформаторного масла.
Его теплопроводность — 0,0136 мкВт/(м·град) и удельная теплоёмкость — 0,6 кДж/(кг·град) ниже, чем у воздуха, но за счёт высокой плотности и способности образовывать мощные конвективные потоки элегаз обладает хорошими охлаждающими качествами.
Элегаз успешно гасит дугу. Им заполняют герметические оболочки высоковольтных выключателей, конденсаторов, трансформаторов и кабелей.
Элегаз относительно дорог, и к нему часто добавляют до 40 % азота, что почти не уменьшает электрическую прочность газа, но значительно его удешевляет.
Таблица 3.3
Основные характеристики газообразных диэлектриков
| Параметры | Воздух | Азот , N2 | Углекис-лый газ , CO2 | Водород, Н2 | Элегаз, SF6 |
| Плотность, кг/м3 Температура сжижения, ОС Электрическая прочность, кВ/мм Теплоёмкость (относительно воздуха) Теплопроводность (относительно воздуха) Теплопередача от твёрдого тела к газу (относительно воздуха) | 1,29 –192 3,0 | 0,97 –195,8 3,0 1,05 1,08 1,03 | 1,53 –78,5 2,7 0,85 0,64 1,13 | 0,07 –252,8 1,8 14,35 6,8 1,51 | 5,03 –63,8 7,2 0.59 0.7 – |
При анализе данных таблицы легко заметить, что газы с повышенной плотностью обладают и более высокой электрической прочностью.
Диэлектрическая проницаемость газов чуть больше единицы, малы и диэлектрические потери в них.
Жидкие диэлектрики
Жидкие диэлектрики используют в масляных трансформаторах, маслонаполненной высоковольтной коммутационной аппаратуре, кабелях, конденсаторах для пропитки волокнистой изоляции с целью устранения опасности её ионизационного пробоя. Кроме того, жидкий диэлектрик является средой, которая циркулирует в баке трансформатора для охлаждения его сердечника и обмоток. В масляных выключателях специально создаваемые струи масла (так называемое «масляное дутьё») гасят электрическую дугу, возникающую между контактами при их размыкании.
Нефтяные электроизоляционные масла.Большинство изоляционных масел получают перегонкой нефти при температурах 300…400 ОС.
Масла освобождают от примесей концентрированной серной кислотой, затем щёлочью, их промывают дистиллированной водой, обрабатывают адсорбентами, сушат и очищают на центрифуге и фильтр-прессе.
Для повышения стабильности характеристик изоляционных жидкостей в них вводят ингибиторы — вещества, которые активно поглощают и связывают кислород, предохраняя от окисления жидкий диэлектрик.
Для эксплуатации в условиях Севера и Антарктики выпускают специальное масло с температурой застывания –70 ОС и вязкостью, пониженной до 140·10–6 м2/с при –30 ОС.
Основные параметры трансформаторного масла из малосернистой нефти с ионоловой ингибиторной присадкой приведены ниже.
Плотность при 20 ОС , кг/м3 . . . . . . . . . . . . . . . .871,0…897,2
Вязкость кинематическая , м2/с :
при 50 ОС . . . . . . . . . . . . . . .( 6,5…7,6 )·10–6
при 20 ОС . . . . . . . . . . . . . .. ( 17,0…23,0 )·10–6
при –30 ОС . . . . . . . . . . . . . .( 650…1200 )·10–6
Температура вспышки в закрытом сосуде , ОС . 135…140
Температура застывания , ОС . . . . . . . . . . . . . . . .–45
Кислотное число , мг·КОН/г . . . . . . . . . . . . . . . . .0,005…0,1
Удельное объёмное сопротивление, Ом·м . . . . .1012…1013
Диэлектрическая проницаемость . . . . . . . . . . . . . 2,2…2,3
tgd при 50 Гц и 70 ОС . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,002…0,015
Электрическая прочность, МВ/м . . . . . . . . . . . . . 25…30
Кабельные масла в герметичных кабелях мало подвержены окислению, но напряжённости электрического поля, достигающие десятков МВ/м , создают опасность ионизационного пробоя изоляции.
Кабельные масла в зависимости от их назначения различаются вязкостью.
Маловязкое масло МН-4 необходимо для облегчения его протекания по имеющимся в маслонаполненных кабелях каналам малого поперечного сечения при подпитке кабелей маслом.
Средневязкие масла С-110 и С-220 обладают весьма стабильными электрическими характеристиками и предназначены для работы под давлением около 1,5 МПа в кабелях на напряжение 110 кВ и выше.
Вязкое масло П-28 с добавлением 10…35 % канифоли применяют для пропитки бумажной изоляции наклонно и вертикально проложенных кабелей. Канифоль — загуститель масла. Она препятствует стеканию пропиточного состава с изоляции в при рабочей температуре кабеля 60…80 ОС.
Тангенс угла диэлектрических потерь кабельных масел при 50 Гц и 100 ОС — 3·10–3 , электрическая прочность — 18…20 МВ/м.
Конденсаторные масла со стабильными характеристиками и малыми диэлектрическими потерями [tgd = (0,2…0,5)·10–3 при 20 ОС] получают тщательными многократными очистками изоляционных масел.
Синтетические жидкие диэлектрики некоторыми качествами превосходят нефтяные масла: они менее горючи, имеют более высокую температуру вспышки паров и большую диэлектрическую проницаемость.
Совол — маслообразный синтетический диэлектрик, получаемый хлорированием расплава кристаллического углеводорода — дифенила. Электрической прочностью совол соизмерим с нефтяными маслами, но совол негорюч, что является его существенным преимуществом. Относительно высокая диэлектрическая проницаемость (e = 4,5…5,2) позволяет использовать совол для пропитки кон-денсаторной бумаги.
Недостатками совола являются: высокая температура застывания — + 5ОС, его вязкость в 10…14 раз превосходит вязкость нефтяных масел, для пропитки кабельной бумаги его приходится нагревать до 50…60 ОС.
Совтол-2— совол с добавкой 36 % разжижителя — трихлорбензола, позволившего уменьшить вязкость смеси и снизить температуру её застывания до –40 ОС. Совтол-2 применяют при производстве конденсаторов и специальных высоковольтных трансформаторов.
Гексол— негорючая изоляционная жидкость в виде смеси совола с 80 % гексахлорбутадиена. Гексол имеет достаточно высокое удельное сопротивление, стабильные характеристики, относительно малые диэлектрические потери в переменном электрическом поле.
Кремнийорганическим (силоксановым) жидким диэлектрикам присущи высокие электроизоляционные свойства, низкая температура замерзания, негорючесть, высокая температура вспышки паров, нетоксичность. Их основа — молекулы кремния, к которыми связаны метильные, метил-фенильные радикалы.
Высокая стоимость ограничивает применение силоксановых диэлектриков.
Дата: 2016-10-02, просмотров: 382.
