Hlavné typy a elektrické charakteristiky vnútornej izolácie elektrických inštalácií

Všeobecné vlastnosti vnútornej izolácie elektrických inštalácií

Vnútornou izoláciou sa rozumejú časti izolačnej konštrukcie, v ktorých je izolačným médiom kvapalné, pevné alebo plynné dielektrikum alebo ich kombinácie, ktoré nemajú priamy kontakt s atmosférickým vzduchom.

Potreba alebo nutnosť použitia vnútornej izolácie namiesto okolitého vzduchu je spôsobená niekoľkými dôvodmi.

Po prvé, vnútorné izolačné materiály majú výrazne vyššiu elektrickú pevnosť (5-10 krát alebo viac), čo môže výrazne znížiť izolačné vzdialenosti medzi drôtmi a znížiť veľkosť zariadenia. Je to dôležité z ekonomického hľadiska.

Po druhé, jednotlivé prvky vnútornej izolácie vykonávajú funkciu mechanického upevnenia drôtov; kvapalné dielektriká v niektorých prípadoch výrazne zlepšujú podmienky chladenia celej konštrukcie.

Vnútorné izolačné prvky vo vysokonapäťových konštrukciách sú počas prevádzky vystavené silnému elektrickému, tepelnému a mechanickému zaťaženiu. Pod vplyvom týchto vplyvov sa zhoršujú dielektrické vlastnosti izolácie, izolácia "starne" a stráca svoju elektrickú pevnosť.

Tepelné účinky sú spôsobené uvoľňovaním tepla v aktívnych častiach zariadenia (vo vodičoch a magnetických obvodoch), ako aj dielektrickými stratami v samotnej izolácii. V podmienkach zvýšenej teploty sa chemické procesy v izolácii výrazne zrýchľujú, čo vedie k postupnému zhoršovaniu jej vlastností.

Pre vnútornú izoláciu je nebezpečné mechanické zaťaženie, pretože v pevných dielektrikách, ktoré ju tvoria, môžu vzniknúť mikrotrhlinky, kde potom vplyvom silného elektrického poľa dochádza k čiastočným výbojom a urýchľuje sa starnutie izolácie.

Zvláštnu formu vonkajšieho vplyvu na vnútornú izoláciu spôsobujú kontakty s okolím a možnosť kontaminácie a vlhkosti izolácie v prípade netesnosti inštalácie. Navlhčenie izolácie vedie k prudkému zníženiu zvodového odporu a zvýšeniu dielektrických strát.

Vlastnosti izolácie ako dielektrika

Izoláciu charakterizuje hlavne jednosmerný odpor, dielektrická strata a elektrická pevnosť. Elektricky ekvivalentný izolačný obvod môže byť reprezentovaný paralelným zapojením kondenzátorov a rezistorov. V tomto ohľade, keď sa na izoláciu aplikuje konštantné napätie, prúd v nej exponenciálne klesá a nameraná hodnota odporu sa zodpovedajúcim spôsobom zvyšuje.Stanovená hodnota izolačného odporu R z nej charakterizuje vonkajšie znečistenie izolácie a prítomnosť prechodových prúdových ciest v nej. Okrem toho možno hydratačnú izoláciu charakterizovať aj absolútnou hodnotou kapacity a dynamikou jej zmeny.

Zničenie vnútornej izolácie elektrických zariadení

V prípade poruchy vysokého napätia vnútorná izolácia úplne alebo čiastočne stratí svoju dielektrickú pevnosť. Väčšina typov vnútorných izolácií patrí do skupiny neobnoviteľných izolácií, ktorých rozpad znamená nenávratné poškodenie konštrukcie.To znamená, že vnútorná izolácia musí mať vyššiu dielektrickú pevnosť ako vonkajšia izolácia, t.j. takú úroveň, že poruchy sú úplne vylúčené počas celej životnosti.

Nevratnosť poškodenia vnútornej izolácie značne komplikuje hromadenie experimentálnych údajov pre nové typy vnútorných izolácií a pre novo vyvinuté veľké izolačné konštrukcie zariadení vysokého a ultravysokého napätia. Koniec koncov, každý kus veľkej, drahej izolácie môže byť testovaný na poruchu len raz.

Dielektriká používané na výrobu vnútornej izolácie elektrických zariadení

Dielektrikazariadenia používané na výrobu vysokonapäťovej vnútornej izolácie musia mať komplex vysokých elektrických, termofyzikálnych a mechanických vlastností a poskytovať: požadovanú úroveň dielektrickej pevnosti, ako aj požadované tepelné a mechanické vlastnosti izolačnej konštrukcie s rozmermi, ktoré zodpovedajú vysoké technické a ekonomické ukazovatele celej inštalácie ako celku.

Dielektrické materiály musia tiež:

• majú dobré technologické vlastnosti, t.j. musia byť vhodné pre vysokovýkonné procesy vnútornej izolácie;

• spĺňať environmentálne požiadavky, t.j. počas prevádzky nesmú obsahovať ani vytvárať toxické produkty a po vyčerpaní celého zdroja musia prejsť spracovaním alebo zničením bez znečistenia životného prostredia;

• nebyť vzácny a mať takú cenu, aby bola izolačná štruktúra ekonomicky životaschopná.

V niektorých prípadoch môžu byť k vyššie uvedeným požiadavkám pridané ďalšie požiadavky vzhľadom na špecifiká konkrétneho typu zariadenia. Napríklad materiály pre výkonové kondenzátory musia mať zvýšenú dielektrickú konštantu; materiály pre rozvodné komory — vysoká odolnosť voči tepelným šokom a elektrickým oblúkom.

Dlhodobá prax pri vytváraní a prevádzke rôznych vysokonapäťových zariadení ukazuje, že v mnohých prípadoch je celý súbor požiadaviek najlepšie splnený, keď sa ako súčasť vnútornej izolácie použije kombinácia viacerých materiálov, ktoré sa navzájom dopĺňajú a plnia mierne odlišné funkcie. .

Mechanickú pevnosť izolačnej konštrukcie teda poskytujú iba pevné dielektrické materiály; majú zvyčajne najvyššiu dielektrickú pevnosť. Diely vyrobené z pevného dielektrika s vysokou mechanickou pevnosťou môžu pôsobiť ako mechanická kotva pre drôty.

Vysokopevnostné plyny a kvapalné dielektriká ľahko vypĺňajú izolačné medzery akejkoľvek konfigurácie, vrátane najmenších medzier, pórov a trhlín, čím výrazne zvyšujú dielektrickú pevnosť, najmä z dlhodobého hľadiska.

Použitie kvapalného dielektrika umožňuje v niektorých prípadoch výrazne zlepšiť podmienky chladenia v dôsledku prirodzeného alebo núteného obehu izolačnej kvapaliny.

Druhy vnútorných izolácií a materiály používané na ich výrobu.

Vo vysokonapäťových inštaláciách a zariadeniach energetických systémov sa používa niekoľko typov vnútornej izolácie. Najbežnejšie sú papierom impregnované (papierovo-olejové) izolácie, olejové bariérové ​​izolácie, izolácie na báze sľudy, plastové a plynové.

Tieto odrody majú určité výhody a nevýhody a majú svoje vlastné oblasti použitia. Zdieľajú však niektoré spoločné vlastnosti:

• komplexná povaha závislosti dielektrickej sily od trvania vystavenia napätiu;

• vo väčšine prípadov nenávratné zničenie demoláciou;

• vplyv na správanie počas prevádzky mechanickými, tepelnými a inými vonkajšími vplyvmi;

• vo väčšine prípadov predispozícia k starnutiu.

Impregnovaná papierová izolácia (BPI)

Východiskovým materiálom sú špeciálne elektroizolačné papiere a minerálne (ropné) oleje alebo syntetické kvapalné dielektriká.

Papierom impregnovaná izolácia je založená na papierových vrstvách. Papierová izolácia impregnovaná zvitkom (šírka kotúča do 3,5 m) sa používa v sekciách výkonových kondenzátorov a v priechodkách (objímkach); páska (šírka pásky od 20 do 400 mm) — v konštrukciách s elektródami pomerne zložitej konfigurácie alebo dlhej dĺžky (objímky vyšších napäťových tried, napájacie káble). Vrstvy izolácie pásky môžu byť navinuté na elektróde s prekrytím alebo s medzerou medzi susednými závitmi.Po navinutí papiera sa izolácia suší vo vákuu pri teplote 100-120 °C na zvyškový tlak 0,1-100 Pa. Papier sa potom impregnuje dobre odplyneným olejom vo vákuu.

Porucha papiera v izolácii impregnovanej papierom je obmedzená na jednu vrstvu a opakovane sa prekrýva inými vrstvami. Najtenšie medzery medzi vrstvami a veľké množstvo mikropórov v samotnom papieri pri vákuovom sušení odvádzajú z izolácie vzduch a vlhkosť a pri impregnácii sa tieto medzery a póry spoľahlivo vyplnia olejom alebo inou impregnačnou kvapalinou.

Kondenzátorové a káblové papiere majú homogénnu štruktúru a vysokú chemickú čistotu. Kondenzačné papiere sú najtenšie a najčistejšie. Transformátorové papiere sa používajú v priechodkách, prúdových a napäťových transformátoroch, ako aj v pozdĺžnych izolačných prvkoch výkonových transformátorov, autotransformátory a reaktory.

Na impregnáciu papierovej izolácie v kábloch naplnených silovým olejom 110-500 kV, nízkoviskóznym olejom alebo syntetickými káblovými olejmi a v kábloch do 35 kV — olejom plnené zmesi so zvýšenou viskozitou.

Impregnácia sa vykonáva v silových a meracích transformátoroch a vývodkách transformátorový olej… Použitie výkonových kondenzátorov kondenzátorový olej (ropný), chlórované bifenyly alebo ich náhrady a ricínový olej (v impulzných kondenzátoroch).

Oleje na ropné káble a kondenzátory sú dôkladnejšie rafinované ako oleje transformátorové.

Chlórované bifenyly s vysokou relatívnou dielektrickou konštantou, zvýšenou odolnosťou voči čiastočným výbojom (PD) a nehorľavosťou sú toxické a nebezpečné pre životné prostredie. Preto sa rozsah ich použitia výrazne znižuje, sú nahradené kvapalinami šetrnými k životnému prostrediu.

Na zníženie dielektrických strát vo výkonových kondenzátoroch sa používa kombinovaná izolácia, pri ktorej sa vrstvy papiera striedajú s vrstvami polypropylénového filmu, ktorý je rádovo menší ako neupravený papier. Takáto izolácia má vyššiu elektrickú pevnosť.

Nevýhody izolácie impregnovanej papierom sú nízka prípustná prevádzková teplota (nie viac ako 90 ° C) a horľavosť.

Izolácia proti olejovej bariére (naplnená olejom) (MBI).

Táto izolácia je založená na transformátorovom oleji. Zabezpečuje dobré chladenie konštrukcie v dôsledku spontánneho alebo núteného obehu.

Pevné dielektrické materiály sú tiež súčasťou izolácie olejovej bariéry — elektrokartón, káblový papier atď. Poskytujú mechanickú pevnosť konštrukcii a používajú sa na zvýšenie dielektrickej pevnosti izolácie olejovej bariéry. Prepážky sú vyrobené z elektrokartónu a elektródy sú pokryté vrstvami káblového papiera. Bariéry zvyšujú dielektrickú pevnosť izolácie s olejovou bariérou o 30-50%, rozdeľujú izolačnú medzeru na množstvo úzkych kanálov, obmedzujú množstvo častíc nečistôt, ktoré sa môžu priblížiť k elektródam a podieľať sa na iniciácii procesu výboja.

Elektrická pevnosť izolácie olejovej bariéry sa zvyšuje pokrytím elektród zložitých tvarov tenkou vrstvou polymérneho materiálu a v prípade elektród jednoduchého tvaru izoláciou vrstvami papierovej pásky.

Technológia výroby izolácie s olejovou bariérou zahŕňa montáž konštrukcie, sušenie vo vákuu pri teplote 100-120°C a plnenie (impregnáciu) vo vákuu odplyneným olejom.

Medzi výhody izolácie olejovej bariéry patrí relatívna jednoduchosť konštrukcie a technológie jej výroby, intenzívne chladenie aktívnych častí zariadenia (vinutia, magnetické obvody), ako aj možnosť obnovenia kvality izolácie počas prevádzky. vysušením konštrukcie a výmenou oleja .

Nevýhody izolácie s olejovou bariérou sú nižšia elektrická pevnosť ako papierovo-olejová izolácia, nebezpečenstvo požiaru a výbuchu konštrukcie, potreba špeciálnej ochrany proti vlhkosti počas prevádzky.

Olejová izolácia sa používa ako hlavná izolácia vo výkonových transformátoroch s menovitým napätím 10 až 1150 kV, v autotransformátoroch a reaktoroch s vyššími napäťovými triedami.

Izolácia na báze sľudy má triedu tepelnej odolnosti B (do 130 °C). Sľuda má veľmi vysokú dielektrickú pevnosť (pri určitej orientácii elektrického poľa vzhľadom na kryštálovú štruktúru), je odolná voči čiastočným výbojom a je vysoko odolná voči teplu. Vďaka týmto vlastnostiam je sľuda nepostrádateľným materiálom na izoláciu statorových vinutí veľkých točivých strojov. Hlavnými východiskovými materiálmi sú pásiky sľudy alebo pásiky zo sklenenej sľudy.

Micalenta je vrstva sľudových doštičiek spojených lakom navzájom a so substrátom zo špeciálneho papiera alebo sklenenej pásky. Mikalenta sa používa v takzvaných komplexných izoláciách, ktorých výrobný proces zahŕňa navinutie niekoľkých vrstiev sľudovej pásky, impregnáciu bitúmenovou zmesou za vákuového ohrevu a lisovanie. Tieto operácie sa opakujú každých päť až šesť vrstiev, kým sa nedosiahne požadovaná hrúbka izolácie. Komplexná izolácia sa v súčasnosti používa v malých a stredných strojoch.

Dokonalejšia je izolácia zo sklenených sľudových pásikov a termosetových impregnačných zmesí.

Sľudová páska pozostáva z jednej vrstvy sľudového papiera s hrúbkou 0,04 mm a jednej alebo dvoch vrstiev sklenenej pásky s hrúbkou 0,04 mm. Takáto kompozícia má dostatočne vysokú mechanickú pevnosť (vďaka substrátom) a vyššie uvedené vlastnosti charakteristické pre sľudu.

Sľudové pásiky a impregnačné kompozície na báze epoxidových a polyesterových živíc sa používajú na výrobu termosetovej izolácie, ktorá pri zahrievaní nemäkne, zachováva si vysokú mechanickú a elektrickú pevnosť. Typy termosetových izolácií používaných v našej krajine sa nazývajú "sľuda", "monolit", "monoterm" atď. Termosetová izolácia sa používa vo vinutiach statorov veľkých turb a hydrogenerátorov, motorov a synchrónnych kompenzátorov s menovitým napätím do 36 kV.

Plastová izolácia v priemyselnom meradle sa používa v silových kábloch pre napätie do 220 kV a v impulzných kábloch. Hlavným dielektrickým materiálom je v týchto prípadoch polyetylén s nízkou a vysokou hustotou. Ten má lepšie mechanické vlastnosti, ale je horšie opracovateľný kvôli vyššej teplote mäknutia.

Plastová izolácia v kábli je vložená medzi polovodičové tienenia vyrobené z polyetylénu plneného uhlíkom. Tienenie na drôte pod prúdom, polyetylénová izolácia a vonkajšie tienenie sa nanášajú extrúziou (extrúziou). Niektoré typy impulzných káblov používajú medzivrstvy z fluoroplastovej pásky.V niektorých prípadoch sa na ochranné plášte káblov používa polyvinylchlorid.

Plynová izolácia

Používa sa na vykonávanie plynovej izolácie v konštrukciách vysokého napätia plyn SF6 alebo fluorid sírový… Je to bezfarebný plyn bez zápachu asi päťkrát ťažší ako vzduch.Má najväčšiu silu v porovnaní s inertnými plynmi, ako je dusík a oxid uhličitý.

Čistý plyn SF6 je neškodný, chemicky neaktívny, má zvýšenú schopnosť odvádzať teplo a je veľmi dobrým médiom na potlačenie oblúka; nehorí ani neudržiava horenie. Dielektrická pevnosť plynu SF6 je za normálnych podmienok približne 2,5-krát väčšia ako dielektrická pevnosť vzduchu.

Vysoká dielektrická pevnosť plynu SF6 sa vysvetľuje skutočnosťou, že jeho molekuly ľahko viažu elektróny a vytvárajú stabilné záporné ióny. Preto sa proces množenia elektrónov v silnom elektrickom poli, ktorý je základom pre vývoj elektrického výboja, stáva ťažkým.

So zvyšujúcim sa tlakom sa dielektrická pevnosť plynu SF6 zvyšuje takmer úmerne tlaku a môže byť vyššia ako u kvapalných a niektorých pevných dielektrík. Najvyšší prevádzkový tlak a teda najvyššia úroveň dielektrickej pevnosti SF6 v izolačnej konštrukcii je limitovaná možnosťou skvapalnenia SF6 pri nízkych teplotách, napríklad teplota skvapalnenia SF6 pri tlaku 0,3 MPa je -45 °C a pri 0,5 MPa je to -30 °C. Takéto teploty pre vypnuté outdoorové vybavenie sú v zime v mnohých častiach krajiny celkom možné.

Izolačné nosné konštrukcie z liatej epoxidovej izolácie slúžia na zaistenie živých častí v kombinácii s plynom SF6.

Plyn SF6 sa používa v ističoch, kábloch a hermeticky uzavretých rozvádzačoch (GRU) pre napätie 110 kV a vyššie a je veľmi perspektívnym izolačným materiálom.

Pri teplotách nad 3000 ° C sa rozklad plynu SF6 môže začať uvoľňovaním voľných atómov fluóru.Vznikajú plynné toxické látky. Pravdepodobnosť ich výskytu existuje pri niektorých typoch spínačov určených na odpojenie veľkých skratových prúdov. Keďže spínače sú hermeticky uzavreté, uvoľnenie jedovatých plynov nie je nebezpečné pre obsluhu a životné prostredie, ale pri oprave a otváraní spínača je potrebné dodržiavať osobitné opatrenia.