Стартовая >> Архив >> Подстанции >> Изоляторы элегазовых КРУ

Зависимость электрической прочности компаунда от конструкции контакта проводник-диэлектрик - Изоляторы элегазовых КРУ

Оглавление
Изоляторы элегазовых КРУ
Предъявляемые требования
Конструирование опорных изоляторов
Конструкции опорных изоляторов
Электрические свойства опорных изоляторов
Конструктивные особенности
Зависимость электрической прочности компаунда от конструкции контакта проводник-диэлектрик
Зависимость электрической прочности компаунда от размеров электродов
Зависимость электрической прочности компаунда от времени воздействия напряжения
Выбор допустимой напряженности поля в компаунде при заданном сроке эксплуатации
Дефектные изоляторы
Оценка диапазона изменения максимальной напряженности внутри изолятора
Дисковый изолятор
Конический изолятор
Цилиндрический изолятор
Столбиковые изоляторы без встроенных электродов
Столбиковые изоляторы с встроенными электродами
Нестандартное исполнение опорных изоляторов
Формирование напряженности поля внешними экранами
Заключение
Список литеритуры

ГЛАВА ТРЕТЬЯ
ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОЧНОСТЬ ЛИТОЙ ЭПОКСИДНОЙ изоляции
5. ЗАВИСИМОСТЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ КОМПАУНДА ОТ КОНСТРУКЦИИ КОНТАКТА ПРОВОДНИК — ДИЭЛЕКТРИК
В основе выбора конструкции опорного изолятора КРУЭ с заданным его сроком службы является определение допустимого значения напряженности электрического поля Елоп компаунда. Как известно, экспериментальное определение напряженности Едоп у полномасштабного изолятора КРУЭ-110 кВ и выше невозможно. Поэтому обычно проводятся исследования электрической прочности образцов, ее зависимости от длины межэлектродного промежутка, площади электродов и длительности испытаний.

Рис. 10. Образцы, применяемые для определения электрической прочности твердого диэлектрика: а — стандартный; б — со сферическими электродами; в — с металлическими электродами; г — с электродами, выполненными серебряной пастой; д — с цилиндрическими электродами; е — с электродами, обработанными пескоструйным аппаратом

Полученные результаты экстраполируют до характеристик полномасштабных изоляторов и длительности испытаний, соответствующих сроку службы изоляторов КРУЭ. Ошибки при выборе напряженности Елоп могут резко ухудшить экономические показатели изоляторов КРУЭ. В этой главе приведены многие данные литературы для оценки пределов изменения зависимости электрической прочности образцов от их размеров, длительности испытаний и способа введения электродов в компаунд. Рассмотрим вначале влияние формы и вида поверхности электродов на электрическую прочность компаунда.
При использовании стандартных образцов, применяемых для определения электрической прочности твердого диэлектрика и выполненных в виде пластин с плоским и полусферическим электродами (рис. 10,а) [15], электрическая прочность эпоксидного компаунда оказывается в 2—5 раз ниже по сравнению с образцами, имеющими сферические электроды, полностью погруженные в компаунд (рис. 10,6). Это объясняется тем, что при полимеризации компаунда происходит его усадка и твердый диэлектрик плотно обжимает введенные В него электроды, обеспечивая хорошую адгезию с металлом. У стандартных образцов диэлектрика (рис. 10, а) практически невозможно выточить полусферическое углубление в полном соответствии с профилем электрода. Это приводит к появлению зазоров, заполненных газом, между металлом и твердым диэлектриком, которые снижают электрическую прочность образцов. Такие исследования были описаны в работе [16], где электрическая прочность стандартных образцов была в два раза ниже по сравнению с образцами, имеющими сферические электроды полностью окруженные компаундом.
Влияние усадки компаунда на обеспечение его плотного прилегания к поверхности электрода описано в работе [17] (рис. 10, виг). У образца, форма электрода которого предусматривает обжатие его компаундом (рис. 10, б), электрическая прочность составляет 90 кВ/мм. Если немного изменить конусную часть электрода, так чтобы его обжатие при усадке компаунда в исследуемом промежутке не могло осуществиться, электрическая прочность уменьшится в два раза. Такое снижение прочности происходит, несмотря на то, что у образца (рис. 10,г) в качестве электродов использовалась серебряная паста, которая, как известно, традиционно применяется для повышения электрической прочности образцов твердого диэлектрика.
Более плотное прилегание проводника к эпоксидному компаунду наблюдается при нанесении на него расплавленного металла так называемым способом шоопирования [18]. По этой технологии расплавленные частицы направляются потоком сжатого газа на поверхность компаунда и, растекаясь по ней, обеспечивают хорошую адгезию.
Одним из факторов, влияющих на электрическую прочность компаунда, является конструктивное исполнение вводимых в компаунд электродов. Например, у образцов со сплошными цилиндрическими электродами (рис. 10, д) компаунд при усадке прижимается к цилиндрической поверхности металла, где напряженность поля невелика, а на торцевую поверхность электродов оказывает небольшое давление. В этом случае [18] электрическая прочность образцов оказывается почти в два раза ниже, чем у таких же образцов, но с электродами, полученными методом шоопирования. При использовании электродов конической формы (рис. 10, в) происходит полное обжатие металла диэлектриком, приводящее к высоким изоляционным характеристикам последнего.
Улучшение адгезии компаунда и электродов можно осуществить и другим способом. Так, фирма «Тошиба» [19] применяет не полированные, а обработанные пескоструйным аппаратом электроды. В этом случае из-за увеличения шероховатости поверхности электродов сцепление с ними компаунда оказывалось столь велико, что даже при механической нагрузке примерно 10+4 Н электрическая прочность образцов (рис. 10,е) оставалась достаточно высокой. Такая подготовка электродов особенно необходима у опорных изоляторов, рассчитанных на воздействия электродинамических усилий токопровода во время короткого замыкания.


Рис. 11. Образец с электродом в виде сетки 1 — электроды; 2 — конструкционный компаунд; 3 — исследуемый компаунд; точками показано проводящее покрытие (графитовый лак или проводящая сетка)

Опыт разработки элегазовых КРУ показал, что наилучшим является такое конструктивное исполнение опорного изолятора, при котором контактный переход полностью экранирован от высокой напряженности поля. В этом случае напряженность поля вблизи контактного перехода проводник — диэлектрик может составлять всего несколько процентов максимальной напряженности поля внутри твердого диэлектрика. В некоторых случаях контактный переход проводник — диэлектрик полностью экранируется внутренним электродом изолятора, выполненным из перфорированной фольги. Отверстия в фольге со стороны токопровода высокого напряжения закруглены и позволяют обеспечивать плотное прилегание компаунда с обеих поверхностей фольги и высокую электрическую прочность. Вместо перфорированной фольги иногда применяют плотную металлическую сетку, располагаемую на поверхности сплошного электрода (рис. 11). Однако эксперименты показывают, что если образцы [15] имеют электроды в виде плотной металлической сетки, то их электрическая прочность составляет 75 кВ/мм, т. е. на 40% ниже, чем у образцов с такой же площадью поверхности электродов и таким же межэлектродным расстоянием, но с полированными электродами [20]. При использовании электродов в виде очень плотной металлической сетки максимальная напряженность на ее поверхности на 25% превышает напряженность на полированном электроде. При меньшей плотности сетки максимальная напряженность на ней резко увеличивается. Если же у этих образцов электроды образованы проводящим покрытием из графитового лака, то электрическая прочность будет еще ниже и составит 60 кВ/мм, что на 25% меньше, чем у образцов с металлической сеткой.

Для разработки конструкции опорных изоляторов КРУЭ необходимо оценить диапазон электрической прочности различных компаундов. Несмотря на то, что в настоящее время имеются результаты исследований отечественных компаундов, таких, как Д-2, КЭ-2, КФ и др., и зарубежных — EG-1, «Эпокси-1/8», «Аральдит-В», непосредственное сравнение их электрической прочности не представляется возможным, так как форма, размеры и способы обработки электродов неодинаковы у образцов, применяемых различными исследователями. Поэтому в качестве основы для анализа электрической прочности этих компаундов были выбраны те результаты исследований, где использовались образцы с электродами в виде сфер или полусфер, введенными в компаунд. При рассмотрении образцов с электродами в виде полусферы учитывались только те результаты, для получения которых электроды либо обрабатывались пескоструйным аппаратом [19], либо выполнялись в виде проводящего слоя с помощью шоопирования [18]. Диаметр электродов, использующихся в экспериментах, изменялся от 4 [21] до 50 мм [22], т. е. почти на порядок.
Ранее отмечалось, что при заданном межэлектродном расстоянии и изменении диаметра электрода электрическая прочность диэлектрика обусловливается не только максимальной напряженностью, но и так называемым активным объемом диэлектрика, напряженность в котором составляет не менее 80% максимальной напряженности на поверхности электрода [37]. Уже грубые оценки показывают, что для рассматриваемого диапазона изменения диаметра электродов (от 4 до 50 мм) активный объем может изменяться на 2—3 порядка, а электрическая прочность компаунда с учетом и без учета активного объема различаться почти в 2 раза. Поэтому важно определить зависимость активного объема от диаметра электродов и величины межэлектродного расстояния, с тем чтобы более корректно сравнивать электрическую прочность различных компаундов.
Результаты оценок величин активного объема, выполненных для промежутка сфера — плоскость, приведены на рис. 12. При осевой размер активного объема ограничен межэлектродным расстоянием. В этом случае величина активного объема примерно составляет

Рис. 12. Зависимость относительного активного объема у электродов сфера — плоскость от межэлектродного расстояния (кривая 2) и ее предельное значение (кривая 1)

При активный объем уже не входит в соприкосновение с плоским электродом и прилегает только к сфере, но при изменении d/Rcф от 0,2 до 0,4 увеличение активной площади поверхности электрода несколько компенсирует уменьшение радиального размера.
Дальнейшее увеличение отношения d/Ясф приводит к резкому увеличению активного объема вследствие возрастания активной площади поверхности сферического электрода. При   активный объем диэлектрика равен почти половине площади поверхности сферы, поэтому при дальнейшем увеличении этого отношения активный объем стремится к своему предельному значению, равному
В табл. 2 приведены характеристики различных компаундов. Значение электрической прочности определялось в зависимости от максимальной напряженности поля.
Таблица 2

Примечание. Коэффициент изменчивости с = а/Епр, где Епр — напряженность пробоя, о — ее среднее квадратическое значение.

У компаундов марки Д-2 с наполнителем в виде пылевидного кварцевого песка (ПКП) и смолой ЭД-6 с отвердителем в виде малеинового ангидрида (МА) электрическая прочность равна 81 кВ/мм.                        При замене отвердителя фталевый ангидридом (компаунд КЭ-2) электрическая прочность увеличивается на 15%.    У компаунда КФ-3, где используется другой наполнитель — фтористый кальций, электрическая прочность равна 57 кВ/мм, т. е. на 40% меньше, чем у компаунда Д-2.
У зарубежных компаундов электрическая прочность промежутка сфера — сфера или сфера — плоскость находится в пределах от 87 до 140 кВ/мм. Наибольшая приведенная электрическая прочность, равная 140 кВ/мм, имеет место у компаунда CY205 [15]. В этом случае массовая доля в составе компаунда составляет 80% отвердителя вместо обычных 30—40%, повышено содержание наполнителя — кварцевого песка (300%)), а поверхность сферических электродов тщательно отполирована. Такая же высокая электрическая прочность имеет место у компаунда со смолой «Аральдит-F», отвердителем HY205 и наполнителем ПКП. Высокая электрическая прочность эпоксидных компаундов отмечается не только в экспериментах с полированными электродами [15, 20]. Близкие к ним характеристики были получены в опытах, использующих электроды, обработанные пескоструйным аппаратом [19], причем, по мнению авторов этих исследований, пескоструйная обработка электродов, является необходимым этапом изготовления опорных изоляторов, так как отслоение компаунда от металла значительно больше снижает электрическую прочность компаунда, чем шероховатость электродов. При обычных соотношениях массовой доли смолы, отвердителя и наполнителя в виде ПКП (100, 35 и 220% соответственно) приведенная к активному объему 0,1 см3 электрическая прочность зарубежного компаунда со смолой «Эпокси-1/8» составляет 105 кВ/мм, что почти на 20% превышает приведенную электрическую прочность отечественного компаунда Д-2 (81 кВ/мм). При увеличении содержания отвердителя от 35 до 55% приведенная электрическая прочность смолы «Эпокси-1/8» снижается до 87 кВ/мм. Повышение температуры отверждения от 120 до 180° С (при 35% отвердителя) приводит к снижению электрической прочности «Эпокси- 1/8» до 91 кВ/мм.
Таким образом, для большинства компаундов с наполнителем из ПКП и полированными сферическими электродами, при соотношении массовой доли смолы, отвердителя и наполнителя 100, 30—40 и 200% соответственно, электрическая прочность при активном объеме, равном 0,1 см3 находится в пределах от 62 до 105 кВ/мм. Применение других наполнителей, например фтористого кальция или фтористого алюминия, для повышения стойкости к продуктам разложения снижает электрическую прочность эпоксидной изоляции примерно на 30%.
Сложность сравнения характеристик эпоксидных компаундов объясняется еще и тем, что технология изготовления их составляющих не всегда является надежной, что влияет на изменение электрической прочности. Так, при изготовлении образцов из компаунда Д-2, полученного в 1962 г., электрическая прочность составляла 82,5 кВ/мм, коэффициент изменчивости с = 9%, а из компаунда Д-2, полученного в 1965г., — 64кВ/мм, с — 20%. В обоих случаях форма образцов была одинакова, они имели электроды шар — плоскость при межэлектродном расстоянии 1 мм и диаметре шара 4 мм [3].



 
« Измерения на высоком напряжении   Изоляционные характеристики вакуумных дугогасительных камер »
электрические сети