Перспективы развития полимерной изоляции электрических аппаратов высокого и сверхвысокого напряжения
Важнейшей частью всех коммутационных аппаратов высокого и сверхвысокого напряжения является изоляция токоведущих элементов относительно заземленных частей, токоведущих элементов других фаз и между их разомкнутыми контактами в отключенном положении. Как правило, для изоляции токоведущих элементов относительно земли используется фарфор. Для изоляции соседних фаз обычно используется газовая среда: в открытых распределительных устройствах — воздух, в герметизированных — элегаз. Для изоляции разомкнутых контактов также используется, как правило, газовая среда. Повышение рабочих напряжений в электрических сетях и связанное с этим увеличение высоты изоляции относительно земли и нагрузок на них приводит к резкому снижению надежности работы коммутационных аппаратов, прежде всего — разъединителей.
Серьезные проблемы с изоляцией возникают также при создании баковых выключателей высших классов напряжения. Фарфоровые вводы не обеспечивают необходимой механической прочности, требуемой из-за применения повышенных рабочих давлений до 40 атм. и более. Практически, фарфоровая изоляция, использующаяся в электроэнергетике более 100 лет, стала тормозом для дальнейшего развития коммутационных аппаратов. Одним из направлений разрешения этой проблемы является повышение качества фарфора и, прежде всего, его механической прочности. Серьезные успехи в этом плане достигнуты в Германии и Японии.
Однако распространение этих достижений крайне ограничено из-за технологических трудностей и высоких требований к качеству сырья. В связи с этим во всем мире получило распространение другое направление развития изоляции электрических, в том числе коммутационных, аппаратов — вместо фарфора начали широко использоваться полимерные материалы: эпоксидные компаунды и кремнийорганическая резина.
Эпоксидные компаунды широко используются в настоящее время при производстве трансформаторов тока внутренней установки. Однако применение этого высокотехнологичного материала ограничивается некоторыми его недостатками, прежде всего его нестойкостью к климатическим воздействиям (смена температуры, загрязнения и увлажнения) и относительно низкой ударостойкостью. Значительное улучшение механических свойств эпоксидных компаундов обеспечивается армированием стекловолокном: повышается ударопрочность, стойкость к вибрации, прочность на растяжение, на изгиб и на срез. По этим показателям прочность армированного компаунда приближается к прочности стали. Однако модуль упругости остается значительно ниже, чем у стали, что во многих случаях полезно. Принимая во внимание, что удельный вес армированного стекловолокном эпоксидного компаунда в четыре раза меньше, чем стали, можно утверждать, что этот материал может успешно заменить фарфор. Тем более, что при соответствующей технологии его изготовления электрическая прочность у него составляет 10 кВ/мм и более.
Следует заметить, что многие предприятия в России пытаются организовать производство армированного эпоксидного компаунда — стеклопластика — без должной технологической подготовки. В результате пропитки стеклонитей или ткани на воздухе материал получается пористым, с размером пор до 200 мкм, и его электрическая прочность оказывается чрезвычайно низкой, менее 3 кВ/мм.
Необходима пропитка стекловолокна или стеклоткани эпоксидным компаундом под вакуумом с последующей тщательно проработанной технологией формирования изделия (протяжки, намотки) и его термообработки. Ориентируясь на качественную технологию производства стеклопластика, можно утверждать, что характеристики его электрической прочности удовлетворяют всем требованиям электротехники. Единственный недостаток стеклопластика — низкая эрозионная и трекингостойкость. Дело в том, что эпоксидный компаунд, как и все органические материалы, содержит углерод, который под воздействием солнечной радиации, а также высокой температуры частичных дуговых разрядов при увлажнении поверхности изолятора выпадает в чистом виде на поверхности, образуя углеродные дорожки (по-английски — track). Все попытки исключить этот недостаток у эпоксидных компаундов закончились неудачно, после чего разработчики полимерной изоляции переключились на поиски подходящего защитного покрытия.
Наилучшим материалом покрытия оказалась кремнийорганическая резина, в которой все атомы углерода замещены кремнием. Последний — непроводящий и в чистом виде, и в окислах. Поэтому его наличие на поверхности защитного покрытия никак не влияет на электрические характеристики материала. Испытания показали, что при толщине слоя покрытия 5 мм обеспечивается надежная работа изоляции в течение 30 лет [1–3].
Чем меньше вылет ребер, тем выше электрическая прочность изолятора. Такая комбинированная изоляция (стеклопластик с защитным покрытием из кремнийорганической резины) является превосходным заменителем фарфора и имеет ряд существенных преимуществ перед ним.
Чрезвычайно высокая механическая прочность и малый удельный вес определяют значительное уменьшение толщины и снижение веса полимерной изоляции (по сравнению с фарфоровой). Высокая механическая и электрическая прочность защитного слоя из кремнийорганической резины позволяет значительно уменьшить толщину ребер — до 5–7 мм у основания. При этом требуемая длина пути тока утечки может быть обес-печена не за счет увеличения вылета ребер, а за счет сокращения расстояний между ребрами. Нетрудно доказать, что при одинаковой длине пути тока утечки поверхностное сопротивление изолятора тем больше, чем меньше вылет ребер.
Действительно, при неизменной удельной поверхностной проводимости g сопротивление поверхности ребра с внутренним диаметром d1 и внешним диаметром d2 равно (см. рис.1 а):
(1)
где: h — вылет ребра.
Длина пути тока утечки по ребру плоской модели Lр»2h. Для двух ребер диаметром d2=d1+h1=d1+2h2 (h2=0,5h1) поверхностное сопротивление:
.(2)
Например, при h1=60 мм, d1=20 мм получаем при одном ребре
согласно (1) , а при вылете ребра 30 мм
для двух ребер имеем .
Таким образом, при двух ребрах с вдвое меньшим вылетом поверхностное сопротивление в 1,43 раза больше, чем при одном ребре. А чем больше поверхностное сопротивление, тем меньше ток утечки по поверхности изолятора при увлажнении и тем выше его электрическая прочность.
При уменьшении вылета ребер при той же длине пути тока утечки уменьшается расход довольно дорогого материала защитного покрытия — силиконовой резины. Так что и с экономической точки зрения уменьшение вылета ребер вполне оправданно. К тому же технологически значительно проще обеспечить изготовление изоляторов с меньшим вылетом ребер. Так что новые материалы позволяют по-новому подойти к выбору формы поверхности изоляторов.
Необходимо также преодолеть другое серьезное заблуждение относительно формы ребер. По традиции, фарфоровые ребра изготовлялись с поднутрением и капельницами, исключающими увлажнение поднутренной поверхности ливневым дождем. Эта традиция возникла на заре развития электротехники, когда считалось, что ливневый дождь снижает электрическую прочность изоляторов. Исследования, выполненные в течение 60-х годов, показали, что ливневый дождь практически не влияет на электрическую прочность изоляторов при перенапряжениях (как коммутационных, так и грозовых), но способствует самоочистке поверхности изоляторов от проводящих загрязнений, т. к. проводящие вещества растворяются и смываются дождем.
Следовательно, для повышения электрической прочности изоляторов при опасных увлажнениях (росой, туманом, моросящим дождем) вся поверхность изоляторов должна быть доступна дождю. Приемлемая омываемостъ всей поверхности изоляторов ливневым дождем обеспечивается при симметричной форме ребер с равным наклоном по отношению к поперечному сечению изоляторов с обеих сторон ребер при угле наклона около 5° (см. рис. 1б). Кстати, такая форма ребер и наиболее технологична. Таким образом, при применении полимерных изоляторов удачно совмещаются электрические, технологические и экономические требования к изоляторам.
После обсуждения формы поверхности полимерных изоляторов целесообразно перейти к их конструктивным особенностям. Как правило, механическая прочность на сжатие не лимитирует размеры полимерных изоляторов. Для опорных изоляторов определяющими являются изгибающие нагрузки, особенно для изоляторов большой высоты. Не отвлекая внимание читателя известными формулами, можно утверждать, что полимерные изоляторы способны удовлетворять любым требованиям по изгибающим нагрузкам при толщине стеклопластиковых труб не более 10–15 мм и при соответствующем диаметре труб (рис. 2). При диаметре до 160 мм обеспечиваются требования по изгибающим нагрузкам для опорных изоляторов до 220 кВ. Опорные изоляторы на 500 кВ могут быть созданы на основе стеклопластиковых труб диаметром 300 мм и т. д.
Принципиальных технологических трудностей увеличения диаметра изоляторов нет. Только повышаются требования к параметрам технологического оборудования. Для разъединителей необходимо обеспечить дополнительное требование к изоляторам по прочности на кручение. Опыт изготовления и испытания полимерных изоляторов показывает, что это требование выполнимо без каких-либо усложнений.
Создание изоляторов на избыточные внутренние рабочие давления до нескольких атмосфер тоже не представляет особых трудностей. Опыт изготовления и испытаний таких изоляторов показал, что для достижения достаточно высокого качества у таких изоляторов необходимо обеспечить достаточно высокую их плотность путем вакуумной пропитки стекло-ткани и силовой намотки. Кроме того, должна быть использована достаточно эффективная технология армирования изоляционных деталей металлическими элементами (фланцами и экранами), не допускающая неплотностей в мостах заделки. Такие изоляторы обеспечивают возможность создания не только выводов для баковых выключателей (рис. 2), но и самих дугогасительных камер без дополнительных выводов. Выключатели с изоляционными дугогасительными камерами имеют значительно меньшие габариты и более экономичны. Они могут быть изготовлены на 220 кВ и более высокие рабочие напряжения.
Что касается опорных изоляторов, то c ними связана еще одна серьезная проблема — поведение внутренней полости при резкой смене температур. На гладкой поверхности внутренней полости цилиндра при резком понижении температуры конденсируется содержащаяся внутри влага, образуя сплошной слой с диэлектрической проницаемостью: ε = 80 ε0, где ε0 — диэлектрическая постоянная вакуума. При такой большой разнице диэлектрической проницаемости окружающей среды (ε0) и слоя влаги на внутренней поверхности изолятора создается эффект проводящей среды: потенциал внутренней поверхности изолятора оказывается близким к потенциалу земли, и происходят сквозные пробои с наружной поверхности изолятора на внутреннюю. Герметичность внутренней полости окончательно нарушается, поверхность изолятора увлажняется, и происходит сквозной пробой вдоль внутренней поверхности изолятора.
Проблема эта может быть решена двумя путями. Один из них заключается в надежной герметизации внутренней полости изолятора и обеспечении избыточного давления инертного газа — например, азота. В этом случае проникновение влаги внутрь изолятора будет исключено, и описанное явление окажется невозможным. Следует заметить, что этот путь требует очень высокой технологии герметизации, обеспечивающей избыточное давление газа в течение всего срока эксплуатации изолятора.
В связи с известными сложностями такой герметизации можно использовать другой путь обеспечения электрической прочности изоляторов с внутренней полостью — создание гидрофобного ребристого покрытия внутренней поверхности изолятора (рис. 3). Это исключает образование сплошного конденсированного слоя на внутренней поверхности изолятора и, соответственно, перенос потенциала земли на более высокие уровни изолятора, что в свою очередь исключает возможность сквозных пробоев изоляторов [2, 3].
Таким образом, вся наружная высоковольтная изоляция коммутационных аппаратов в перспективе должна быть заменена на полимерную, что обеспечит значительное повышение надежности их работы, а также уменьшит массу и снизит стоимость аппаратов.
Что касается внутренней газовой изоляции, то здесь бесспорное преимущество у элегазов и его смесей, т. к. его электрическая прочность и дугогасящая способность значительно выше, чем у воздуха. При относительно низких напряжениях (6, 10, 35 кВ), например, при создании выключателей, вакуумная среда вполне может конкурировать с элегазовой.
Литература
1. Александров Г. Н., Гусейнов Г. А. «Нелинейные ограничители перенапряжений серии ОПНП». Сборник трудов II Международного симпозиума по транспортной триботехникие. Санкт-Петербург, 2002 г.
2. Гусейнов Г. А. и др. «Герметизирующий состав». Авторское свидетельство № 903991, 1981 г.
3. Гусейнов Г. А. и др. «Электроизоляционная композиция». Авторское свидетельство № 1369565, 1987 г.
| Автор: Г. Н. Александров, Г. А. Гусейнов Дата: 31.05.2010 Журнал Стройпрофиль 4-10 Рубрика: электротехническое оборудование Внимание: Публикация является архивной и на текущий момент может быть не достоверной. |  |