Hlavní typy a elektrické charakteristiky vnitřní izolace elektrických instalací

Obecné vlastnosti vnitřní izolace elektrických instalací

Vnitřní izolace označuje části izolační konstrukce, ve kterých je izolačním médiem kapalná, pevná nebo plynná dielektrika nebo jejich kombinace, které nejsou v přímém kontaktu s atmosférickým vzduchem.

Potřeba nebo nutnost použití vnitřní izolace spíše než okolního vzduchu je způsobena řadou důvodů.

Za prvé, vnitřní izolační materiály mají výrazně vyšší elektrickou pevnost (5-10krát nebo více), což může výrazně snížit izolační vzdálenosti mezi vodiči a zmenšit velikost zařízení. To je důležité z ekonomického hlediska.

Za druhé, jednotlivé prvky vnitřní izolace plní funkci mechanického upevnění vodičů; kapalná dielektrika v některých případech výrazně zlepšují podmínky chlazení celé konstrukce.

Vnitřní izolační prvky ve vysokonapěťových konstrukcích jsou během provozu vystaveny silnému elektrickému, tepelnému a mechanickému zatížení. Pod vlivem těchto vlivů se zhoršují dielektrické vlastnosti izolace, izolace "stárne" a ztrácí svou elektrickou pevnost.

Tepelné účinky jsou způsobeny uvolňováním tepla v aktivních částech zařízení (ve vodičích a magnetických obvodech) a také dielektrickými ztrátami v samotné izolaci. V podmínkách zvýšené teploty se chemické procesy v izolaci výrazně zrychlují, což vede k postupnému zhoršování jejích vlastností.

Pro vnitřní izolaci je nebezpečné mechanické zatížení, protože v pevných dielektrikách, které ji tvoří, mohou vzniknout mikrotrhliny, kde pak vlivem silného elektrického pole dochází k částečným výbojům a urychluje se stárnutí izolace.

Zvláštní formu vnějšího vlivu na vnitřní izolaci způsobují kontakty s okolím a možnost znečištění a vlhkosti izolace v případě netěsnosti instalace. Smáčení izolace vede k prudkému poklesu svodového odporu a ke zvýšení dielektrických ztrát.

Vlastnosti izolace jako dielektrika

Izolace se vyznačuje především stejnosměrným odporem, dielektrickými ztrátami a elektrickou pevností. Elektricky ekvivalentní izolační obvod může být reprezentován paralelním zapojením kondenzátorů a rezistorů. V tomto ohledu, když je na izolaci aplikováno konstantní napětí, proud v ní exponenciálně klesá a naměřená hodnota odporu se odpovídajícím způsobem zvyšuje.Stanovená hodnota izolačního odporu R z něj charakterizuje vnější znečištění izolace a přítomnost procházejících proudových cest v ní. Hydratační izolaci lze navíc charakterizovat také absolutní hodnotou kapacity a dynamikou její změny.

Destrukce vnitřní izolace elektrických zařízení

V případě poruchy vysokého napětí ztrácí vnitřní izolace zcela nebo částečně svou dielektrickou pevnost. Většina typů vnitřní izolace patří do skupiny neobnovitelných izolací, jejichž porušení znamená nevratné poškození konstrukce.To znamená, že vnitřní izolace musí mít vyšší dielektrickou pevnost než izolace vnější, tzn. takovou úroveň, že poruchy jsou zcela vyloučeny po celou dobu životnosti.

Nevratnost poškození vnitřní izolace značně komplikuje shromažďování experimentálních dat pro nové typy vnitřních izolací a pro nově vyvinuté velké izolační konstrukce zařízení vysokého a ultravysokého napětí. Koneckonců, každý kus velké drahé izolace může být testován na selhání pouze jednou.

Dielektrika používaná k výrobě vnitřní izolace elektrických zařízení

Dielektrikazařízení používaná pro výrobu vysokonapěťové vnitřní izolace musí mít komplex vysokých elektrických, termofyzikálních a mechanických vlastností a poskytovat: požadovanou úroveň dielektrické pevnosti, jakož i požadované tepelné a mechanické vlastnosti izolační konstrukce s rozměry, které vyhovují vysoké technické a ekonomické ukazatele celé instalace jako celku.

Dielektrické materiály musí také:

• mají dobré technologické vlastnosti, tzn. musí být vhodné pro vysoce výkonné procesy vnitřní izolace;

• splňují ekologické požadavky, tzn. během provozu nesmí obsahovat ani tvořit toxické produkty a po vyčerpání celého zdroje musí projít zpracováním nebo zničením bez znečištění životního prostředí;

• nebýt vzácností a mít takovou cenu, aby byla izolační struktura ekonomicky životaschopná.

V některých případech mohou být k výše uvedeným požadavkům přidány další požadavky z důvodu specifik konkrétního typu zařízení. Například materiály pro výkonové kondenzátory musí mít zvýšenou dielektrickou konstantu; materiály pro rozvodné komory — vysoká odolnost proti tepelným šokům a elektrickým obloukům.

Dlouholetá praxe vytváření a provozu různých vysokonapěťových zařízení ukazuje, že v mnoha případech je celý soubor požadavků nejlépe uspokojen, když je jako součást vnitřní izolace použita kombinace více materiálů, které se vzájemně doplňují a plní mírně odlišné funkce. .

Mechanickou pevnost izolační struktury tedy zajišťují pouze pevné dielektrické materiály; mají obvykle nejvyšší dielektrickou pevnost. Části vyrobené z pevného dielektrika s vysokou mechanickou pevností mohou fungovat jako mechanická kotva pro dráty.

Vysokopevnostní plyny a kapalná dielektrika snadno vyplňují izolační mezery jakékoli konfigurace, včetně těch nejmenších mezer, pórů a trhlin, čímž výrazně zvyšují dielektrickou pevnost, zejména v dlouhodobém horizontu.

Použití kapalných dielektrik umožňuje v některých případech výrazně zlepšit podmínky chlazení v důsledku přirozené nebo nucené cirkulace izolační kapaliny.

Druhy vnitřních izolací a materiály používané k jejich výrobě.

Ve vysokonapěťových instalacích a zařízeních energetických systémů se používá několik typů vnitřní izolace. Nejběžnější jsou izolace impregnované papírem (papír-olej), izolace olejové bariéry, izolace na bázi slídy, plasty a plyny.

Tyto odrůdy mají určité výhody a nevýhody a mají své vlastní oblasti použití. Sdílejí však některé společné vlastnosti:

• komplexní povaha závislosti dielektrické pevnosti na době vystavení napětí;

• ve většině případů nevratné zničení demolicí;

• vliv na chování při provozu mechanickými, tepelnými a jinými vnějšími vlivy;

• ve většině případů predispozice ke stárnutí.

Impregnovaná papírová izolace (BPI)

Výchozími materiály jsou speciální elektroizolační papíry a minerální (ropné) oleje nebo syntetická kapalná dielektrika.

Papírem impregnovaná izolace je založena na papírových vrstvách. Papírová izolace impregnovaná rolí (šířka role do 3,5 m) se používá v sekcích výkonových kondenzátorů a v průchodkách (objímkách); páska (šířka pásky od 20 do 400 mm) — v konstrukcích s elektrodami poměrně složité konfigurace nebo dlouhé délky (návleky vyšších napěťových tříd, silové kabely). Vrstvy páskové izolace lze navinout na elektrodu s přesahem nebo s mezerou mezi sousedními závity.Po navinutí papíru se izolace suší ve vakuu při teplotě 100-120 °C na zbytkový tlak 0,1-100 Pa. Papír je poté impregnován dobře odplyněným olejem ve vakuu.

Vada papíru v papírem impregnované izolaci je omezena na jednu vrstvu a opakovaně se překrývá dalšími vrstvami. Nejtenčí mezery mezi vrstvami a velké množství mikropórů v samotném papíru při vakuovém sušení odvádí z izolace vzduch a vlhkost a při impregnaci se tyto mezery a póry spolehlivě zaplní olejem nebo jinou impregnační kapalinou.

Kondenzátorové a kabelové papíry mají homogenní strukturu a vysokou chemickou čistotu. Kondenzátorové papíry jsou nejtenčí a nejčistší. Transformátorové papíry se používají v průchodkách, proudových a napěťových transformátorech a také v podélných izolačních prvcích výkonových transformátorů, autotransformátory a reaktory.

Pro impregnaci papírové izolace v kabelech s olejovou náplní 110-500 kV, nízkoviskózním olejem nebo syntetickými kabelovými oleji a v kabelech do 35 kV - olejové směsi se zvýšenou viskozitou.

Impregnace se provádí v silových a měřicích transformátorech a průchodkách transformátorový olej… Použití výkonových kondenzátorů kondenzátorový olej (ropný), chlorované bifenyly nebo jejich náhražky a ricinový olej (v impulsních kondenzátorech).

Oleje pro ropné kabely a kondenzátory jsou důkladněji rafinovány než oleje transformátorové.

Chlorované bifenyly mají vysokou relativní dielektrickou konstantu, zvýšenou odolnost proti částečným výbojům (PD) a nehořlavost, jsou toxické a nebezpečné pro životní prostředí. Proto se rozsah jejich použití prudce snižuje, jsou nahrazeny kapalinami šetrnými k životnímu prostředí.

Pro snížení dielektrických ztrát ve výkonových kondenzátorech se používá kombinovaná izolace, ve které jsou vrstvy papíru střídány vrstvami polypropylenové fólie, která je řádově menší než neupravený papír. Taková izolace má vyšší elektrickou pevnost.

Nevýhody izolace impregnované papírem jsou nízká přípustná provozní teplota (ne více než 90 ° C) a hořlavost.

Izolace olejové zábrany (olejová náplň) (MBI).

Tato izolace je na bázi transformátorového oleje. Zajišťuje dobré chlazení konstrukce samovolným nebo nuceným oběhem.

Pevné dielektrické materiály jsou také součástí izolace proti olejové bariérě — elektro lepenka, kabelový papír atd. Poskytují mechanickou pevnost konstrukci a používají se ke zvýšení dielektrické pevnosti izolace olejové bariéry. Přepážky jsou vyrobeny z elektrokartonu a elektrody jsou pokryty vrstvami kabelového papíru. Bariéry zvyšují dielektrickou pevnost izolace s olejovou bariérou o 30-50%, rozdělují izolační mezeru na řadu úzkých kanálů, omezují množství částic nečistot, které se mohou přiblížit k elektrodám a podílet se na zahájení procesu výboje.

Elektrická pevnost izolace olejové bariéry se zvyšuje pokrytím složitě tvarovaných elektrod tenkou vrstvou polymerního materiálu a v případě elektrod jednoduchého tvaru izolací vrstvami papírové pásky.

Technologie výroby izolace s olejovou bariérou zahrnuje montáž konstrukce, sušení ve vakuu při teplotě 100-120 °C a plnění (impregnaci) ve vakuu odplyněným olejem.

Mezi výhody izolace olejové bariéry patří relativní jednoduchost konstrukce a technologie její výroby, intenzivní chlazení aktivních částí zařízení (vinutí, magnetické obvody) a také možnost obnovení kvality izolace za provozu. vysušením konstrukce a výměnou oleje .

Nevýhody izolace s olejovou bariérou jsou nižší elektrická pevnost než izolace papír-olej, nebezpečí požáru a výbuchu konstrukce, nutnost speciální ochrany proti vlhkosti při provozu.

Olejová izolační izolace se používá jako hlavní izolace u výkonových transformátorů o jmenovitém napětí 10 až 1150 kV, u autotransformátorů a reaktorů vyšších napěťových tříd.

Izolace na bázi slídy má třídu tepelné odolnosti B (do 130 °C). Slída má velmi vysokou dielektrickou pevnost (při určité orientaci elektrického pole vůči krystalové struktuře), je odolná vůči částečným výbojům a je vysoce odolná vůči teplu. Díky těmto vlastnostem je slída nepostradatelným materiálem pro izolaci statorových vinutí velkých točivých strojů. Hlavními výchozími materiály jsou pruhy slídy nebo pruhy skleněné slídy.

Micalenta je vrstva slídových plátů spojených lakem k sobě a se substrátem ze speciálního papíru nebo skleněné pásky. Mikalenta se používá v tzv. komplexní izolaci, jejíž výrobní proces zahrnuje navinutí několika vrstev slídové pásky, impregnaci bitumenovou směsí za vakuového ohřevu a lisování. Tyto operace se opakují každých pět až šest vrstev, dokud se nedosáhne požadované tloušťky izolace. Komplexní izolace se v současnosti používá u malých a středních strojů.

Dokonalejší je izolace ze skleněných slídových pásků a termosetových impregnačních hmot.

Slídová páska se skládá z jedné vrstvy slídového papíru o tloušťce 0,04 mm a jedné nebo dvou vrstev skleněné pásky o tloušťce 0,04 mm. Taková kompozice má dostatečně vysokou mechanickou pevnost (díky substrátům) a výše uvedené vlastnosti charakteristické pro slídu.

Slídové pásy a impregnační kompozice na bázi epoxidových a polyesterových pryskyřic se používají k výrobě termosetové izolace, která při zahřívání neměkne, zachovává si vysokou mechanickou a elektrickou pevnost. U nás používané termosetové izolace se nazývají "slída", "monolit", "monotherm" atd. Termosetová izolace se používá ve vinutí statoru velkých turbin a hydrogenerátorů, motorů a synchronních kompenzátorů se jmenovitým napětím do 36 kV.

Plastová izolace v průmyslovém měřítku se používá v silových kabelech pro napětí do 220 kV a v impulsních kabelech. Hlavním dielektrickým materiálem je v těchto případech polyethylen s nízkou a vysokou hustotou. Ten má lepší mechanické vlastnosti, ale je hůře obrobitelný kvůli vyšší teplotě měknutí.

Plastová izolace v kabelu je vložena mezi polovodivé stínění vyrobené z polyethylenu plněného uhlíkem. Stínění na vodič s proudem, polyetylenová izolace a vnější stínění jsou aplikovány vytlačováním (extruzí). Některé typy impulsních kabelů používají mezivrstvy fluoroplastové pásky, v některých případech se pro ochranné pláště kabelů používá polyvinylchlorid.

Plynová izolace

Používá se k provádění plynové izolace v konstrukcích vysokého napětí plyn SF6 nebo fluorid sírový… Je to bezbarvý plyn bez zápachu asi pětkrát těžší než vzduch.Má největší sílu ve srovnání s inertními plyny, jako je dusík a oxid uhličitý.

Čistý plyn SF6 je neškodný, chemicky neaktivní, má zvýšenou schopnost odvádět teplo a je velmi dobrým médiem pro potlačení oblouku; nehoří ani neudržuje spalování. Dielektrická pevnost plynu SF6 je za normálních podmínek přibližně 2,5krát větší než dielektrická pevnost vzduchu.

Vysoká dielektrická pevnost plynu SF6 se vysvětluje skutečností, že jeho molekuly snadno vážou elektrony a vytvářejí stabilní záporné ionty. Proto se proces množení elektronů v silném elektrickém poli, který je základem pro vznik elektrického výboje, stává obtížným.

S rostoucím tlakem se dielektrická pevnost plynu SF6 zvyšuje téměř úměrně tlaku a může být vyšší než u kapalných a některých pevných dielektrik. Nejvyšší provozní tlak a tedy nejvyšší úroveň dielektrické pevnosti SF6 v izolační konstrukci je omezena možností zkapalnění SF6 při nízkých teplotách, např. teplota zkapalňování SF6 při tlaku 0,3 MPa je -45 °C a při 0,5 MPa je to -30 °C. Takové teploty pro vypnuté venkovní vybavení jsou v zimě v mnoha částech země docela možné.

Izolační nosné konstrukce z lité epoxidové izolace slouží k zajištění živých částí v kombinaci s plynem SF6.

Plyn SF6 se používá v jističích, kabelech a hermeticky uzavřených rozváděčích (GRU) pro napětí 110 kV a vyšší a je velmi slibným izolačním materiálem.

Při teplotách nad 3000 °C může rozklad plynu SF6 začít uvolněním volných atomů fluoru.Vznikají plynné toxické látky. Pravděpodobnost jejich výskytu existuje u některých typů spínačů určených k odpojování velkých zkratových proudů. Vzhledem k tomu, že spínače jsou hermeticky uzavřeny, není únik jedovatých plynů nebezpečný pro obsluhu ani pro životní prostředí, ale při opravách a otevírání spínače je třeba dodržovat zvláštní opatření.