Рис. VIII.I6. Конструкция изоляции трансформаторов тока звеньевого типа: 1 — подвоя проводников первичной обмотки; 2 — изолированный сердечник со вторичной обмоткой; 3 — тройники
В практике электроаппаратостроения все больше находит применение бумажно-масляная изоляция. Эта изоляция в электрических аппаратах применяется двух типов: звеньевого в трансформаторах тока и конденсаторного во вводах и в трансформаторах тока.
На рис. VIII. 16 показана конструкция изоляции звеньевого типа.
Первичная обмотка трансформатора тока представляет собой кольцо, иногда несколько сжатое в верхней части, изолированное намотанной в несколько слоев бумажной лентой.
Там, где идут подводящие к кольцу проводники высокого напряжения, переход от кольца к прямолинейной части конструкции очень сложный.
Здесь образуются так называемые «тройники», где осуществить непрерывную ленточную изоляцию невозможно и приходится накладывать фасонные листы изолирующей бумаги, частично перекрываемые лентой.
Эти тройники являются слабым местом изоляции. Такие же тройники
Рис. VI11.17. Схема устройства конденсаторного ввода
приходится накладывать в местах выхода проводников вторичной обмотки трансформатора тока.
Рис. VIII.18. Зависимость пробивного градиента изоляции звеньевого типа от толщины
Рис. VIII. 19. Зависимость пробивного градиента конденсаторной изоляции от толщины
Схема устройства конденсаторного ввода показана на рис. VIII.17. Такой ввод состоит из фланца и стержня, на который наложен ряд слоев изолирующей бумаги с проводящими (обычно станиолевыми) прокладками между ними. Длина слоев постепенно уменьшается от стержня к фланцу. Таким образом, образуется ряд последовательно включенных цилиндрических конденсаторов. Толщина слоев и их длина выбираются так, чтобы емкости этих конденсаторов были приблизительно равны, что обеспечивает равномерное распределение напряжения между ними. Такая конструкция дает ввод значительно меньшего диаметра, чем у маслобарьерного ввода.
Важнейшее требование, предъявляемое к бумажно-масляной изоляции, — ее высокая электрическая прочность. Представление об электрической прочности изоляции звеньевого типа дает рис. VIII.18. Эта прочность быстро падает с увеличением толщины изоляции, что и заставляет при достаточно высоких номинальных напряжениях аппаратов переходить на конденсаторную изоляцию. Так как в этом случае отдельные слои изоляции могут быть взяты достаточно тонкими (порядка долей миллиметра), то их пробивной градиент будет весьма высок (рис. VIII.19). Пусть, например, звеньевая изоляция имеет толщину 25 мм; ее пробивное напряжение будет равно 250 кВ.
Надо указать, что у бумажно-масляной конденсаторной изоляции имеются некоторые ограничения, не всегда позволяющие получать столь высокие пробивные напряжения при данной ее толщине. Существенную роль в поведении изоляции играют процессы ионизации, развивающиеся под действием электрического поля в толще изоляции и на краях проводящих прокладок. При постепенном повышении напряжения в изоляции возникают ионизационные процессы слабой интенсивности. При кратковременном воздействии ионизация не приводит к заметному разрушению изоляции и лишь при очень длительном ее воздействии может произойти постепенное разрушение пропитывающего бумагу масла и рост tg δ изоляции. Такая ионизация называется начальной.
При дальнейшем повышении напряжения при некоторой его величине ионизация резко возрастает и получает название критической. Она приводит к заметному разрушению изоляции, сопровождаемому быстрым снижением напряжения ионизации до минимальной величины, ниже которой ионизационные процессы прекращаются. Это напряжение получило название минимального напряжения ионизации. Это минимальное напряжение, до которого может упасть напряжение ионизации под действием критической ионизации.
Напряженности поля для ленточной изоляции из кабельной бумаги толщиной 120 мкм можно представить следующими эмпирическими формулами (в киловольтах на 1 мм):
- начальная напряженность ионизации
- критическая напряженность ионизации
- минимальная напряженность ионизации
Следует заметить, что при кратковременном действии напряжения критической ионизации и затем прекращении его действия происходит постепенное восстановление ионизационных характеристик изоляции вплоть до напряжения критической ионизации (рис. VIII.20). После кратковременного воздействия перенапряжения и возникновения критической ионизации напряжение резко падает до минимального напряжения ионизации, а затем, после прекращения действия перенапряжения, изоляция восстанавливает свои первоначальные ионизационные характеристики, правда в течение длительного промежутка времени.
Рассмотренные характеристики бумажно-масляной изоляции наблюдаются в случае равномерного или слабо неравномерного поля. В изоляции с резко неравномерным полем (у краев электродов или этих прокладок) приходится принимать меры для ослабления краевого эффекта.
Рис. VIII.20. Процесс восстановления первоначальных ионизационных характеристик конденсаторной изоляции
Рис. VIII.21. Разбивка изоляции на тонкие слои короткими прокладками
Существует несколько способов, применяемых для этой цели, например утолщение изоляции по краям проводящей прокладки, наложение на край прокладки кольца из проволоки достаточного диаметра, прикрытие края прокладки слоем изоляции и т. п. Такие способы, как правило, технологически сложны и трудоемки.
Рис. VI 11.22. Зависимость разрядного напряжения по поверхности уступов изоляции от длины уступа и толщины изоляции
Рис. VIII.23. Зависимость электрической прочности бумажно-масляной изоляции от давления
Остановимся на получившем широкое распространение способе деления изоляции на краях прокладок на более тонкие слои короткими прокладками, как показано на рис. VIII.21. Из рисунка видно, что такое деление приводит к увеличению электрической прочности изоляции за счет повышения прочности в тонких слоях. Вместе с тем, технологически наложение таких коротких прокладок («манжет») сравнительно легко осуществимо.
При осуществлении конденсаторной изоляции вводов и подобных конструкций необходимо правильно выбирать длину уступов слоев изоляции во избежание образования разряда по их поверхности. Длину уступов необходимо согласовать с толщиной слоев изоляции (рис. VII 1.22).
Зависимость электрической прочности бумажно-масляной изоляции от избыточного давления масла показана на рис. VIII.23; пробивной напряженности подобной изоляции от температуры — на рис. VIII.24. Здесь прямая I получена на хорошо высушенной бумаге. Зависимость от температуры отсутствует. Наоборот, при плохо высушенной бумаге (прямая 2) зависимость от температуры весьма велика. Это подчеркивает большую важность хорошей сушки бумажно-масляной изоляции.
Рис. VIII.24. Зависимость электрической прочности бумажно-масляной изоляции от температуры:
I — хорошо высушенная бумага; 2 — плохо высушенная бумага
Рис. VIII.25. К определению теплового пробоя бумажно-масляной изоляции:
1 — тепловыделенно в изоляция; 2 — теплоотвод от поверхности изоляции
До сих пор рассматривался тип пробоя изоляции, который можно назвать электрическим. Возможен и другой тип пробоя, называемый тепловым.
При повышении температуры, вследствие зависимости угла потерь tgδ от нее, увеличивается выделение тепла в изоляции. Если отвод тепла от поверхности изоляции становится меньше тепловыделения, то температура изоляции растет и процесс завершается пробоем. На рис. VIII.25 схематически представлена зависимость мощности, выделяющейся в изоляции (кривая 1), и мощности, отводимой в окружающую среду (прямая 2). В некоторой точке А прямая пересекается с кривой. Очевидно, при температурах, превышающих тепловыделение превышает теплоотвод, температура изоляции быстро растет и происходит тепловой пробой изоляции.
