Конденсаторные проходные изоляторы, в которых конденсаторный принцип использовался для более равномерного распределения напряжения по оси и по радиусу, были предложены еще в 1906 г. [Л. 11-4, 11-2]. После того как был изобретен промышленный способ производства феноло-формальдегидной смолы (Бэкленд, Лебах, 1907—1908) [Л. 11-5] и бакелизированной бумаги, появились бакелитовые конденсаторные вводы (БКВ). В двадцатых годах они получили широкое распространение как аппаратные изоляторы.
БКВ применялись во многих советских конструкциях высоковольтных аппаратов. Так, в период с 1924 г. до начала тридцатых годов этими вводами снабжались масляные выключатели всех выпускавшихся тогда типов. На использовании БКВ была построена серия многовитковых трансформаторов тока типа ТП и одновитковых — типа ТПО на напряжения до 35 кВ включительно.
С начала тридцатых годов бакелитовые проходные изоляторы в отечественных высоковольтных конструкциях все более и более вытесняются фарфоровыми изоляторами. БКВ применяются в настоящее время лишь в некоторых аппаратах отечественной конструкции.
В зарубежной практике БКВ до сих пор широко применяется.
Большое количество БКВ находится в эксплуатации в отечественных энергосистемах на аппаратах как отечественного, так и зарубежного производства.
БКВ изготовляются путем наматывания на специальных станках на стержень или трубу широкой непрерывной ленты бакелизированной бумаги. По достижении определенных толщин слоя изоляции в намотку вкладываются нарезанные заранее «в размер» прямоугольные листы фольги, образующие проводящие обкладки, которые втягиваются в станок совместно с лентой бумаги и заматываются в получающийся при этом цилиндрический изолятор. Затем полученная втулка пропекается; концы ее подрезаются и иногда обтачиваются на конус, поверхность тщательно и многократно лакируется для создания надежного влагостойкого покрытия.
БКВ обладают некоторыми преимуществами, которые в течение десятков лет обеспечивают им широкое применение, как-то:
- Компактность. Благодаря хорошему использованию материала (в радиальном направлении) и отсутствию усложняющих конструкцию деталей диаметр БКВ оказывается минимальным по сравнению с любой другой конструкцией ввода.
- Механическая прочность. БКВ является почти монолитным, и поэтому прочность БКВ на изгиб сравнима с прочностью листового гетинакса (500—800 кГ/см2).
- Относительная простота изготовления.
Рис. 11-10. Образование газового клина на краю конденсаторной обкладки. 1 — обкладка; 2 — бумага; 3 — газовый клин.
Этим достоинством БКВ противостоят серьезные недостатки, которые побудили в ряде случаев перейти к другим типам проходных изоляторов.
- Недостаточная влагостойкость. Вследствие того, что основой БКВ является бумага, в неблагоприятных условиях они могут отсыревать, несмотря на наличие лакового покрова. Отсыревание БКВ приводит к его пробою.
- Чувствительность к разрядам с краев конденсаторных обкладок.
- Недостаточная стойкость по отношению к токам утечки по увлажненной поверхности. При длительном протекании этих токов они оставляют на поверхности БКВ обуглившийся след, что в конце концов приводит к разряду по поверхности.
- Опасность теплового пробоя.
Вследствие конечной толщины конденсаторной обкладки перед краем ее образуется газовый клин (рис. 11-10), который остается и в готовом изделии. Таким образом, ионизационную устойчивость БКВ следует рассчитывать из условий образования ионизации на краю конденсаторной обкладки в воздухе. Если будет допущено наличие ионизации на краю обкладки при рабочем напряжении, то участки бумаги, прилегающие к этому краю, будут подвергаться непрерывной бомбардировке заряженными частицами и вследствие этого они будут изъязвляться. Стечением времени такая эрозия прогрессирует и в конце концов происходит разряд вдоль слоев или пробой.
Таким образом, длительная электрическая прочность БКВ, соответствующая эксплуатационному режиму работы, определяется ионизационной или эрозионной устойчивостью БКВ. Для надежной работы изоляции необходимо, чтобы было выполнено условие: (11-2) где Uр — наибольшее рабочее напряжение ввода; Uн— напряжение начала ионизации;
k1— коэффициент запаса, равный 1,3—1,4.
Рис. 11-11. Пробивная напряженность для бумажно-бакелитовой изоляции в зависимости от времени; толщина слоев 1—2 мм (данные Каппелера). 1 — образец № 1; 2 — образец № 2; 3 — образец № 3.
Каппелер [Л. 11-2] дает кривую (рис. 11-11) зависимости электрической прочности БКВ от времени воздействия напряжения. При временах порядка месяцев и годов, если не выполнено условие (11-2), может происходить эрозионный пробой.
Рис. 11-12. Кривые ионизации бакелитовых конденсаторных вводов (11 слоев по 2—3 мм).
Рис. 11-13. Радиальные градиенты напряжения в зависимости от толщины, ниже которых срок службы БКВ становится неограниченно длительным (эрозионная устойчивость). Обкладки металлические (данные Каппелера).
Заметим, что импульсная прочность БКВ на рис. 11-11 явно завышена.
Рис. 11-14. Зависимость градиента начала ионизации от толщины слоя в БКВ.
1— поданным лаборатории завода «Электроаппарат»; 2 — поданным лаборатории им. Смурова.
Как уже упоминалось, напряжение начала ионизации на краю конденсаторной обкладки зависит от толщины слоя диэлектрика и от его диэлектрической проницаемости; последняя же несколько зависит от качества исходных материалов, технологии и т. д. Вследствие этого ионизационные характеристики БКВ различных заводов и различных стран несколько отличаются друг от друга. Так, на рис. 11-12 показаны кривые tgδ=f (U) для нескольких конденсаторных вводов на 35 кВ разного срока изготовления. Точка перелома кривых может с известным приближением характеризовать начало ионизации на краях обкладок. Образцы № 1 и 3 неудовлетворительного качества, образец №2 — нормального качества. На рис. 11-13 приведена кривая, характеризующая градиент эрозионной устойчивости БКВ в функции от толщины слоя [Л. 11-3], а на рис. 11-14 — кривые начала ионизации для БКВ отечественного производства различных сроков поставок.
Напряжение начала ионизации на краях конденсаторных обкладок может быть повышено путем применения полупроводящих обкладок. Рисунок 11-15 показывает зависимость напряжения начала ионизации от толщины слоя для различных условий.
Прямые рис. 11-15 могут быть выражены формулой (11-3)
где s — толщина слоя в сантиметрах, а коэффициент k имеет следующие значения:
для металлического края в воздухе k= 4,3
для полупроводящего края в воздухе k= 6,2
для металлического и полупроводящего края в масле k = 15,2
Пробивное напряжение БКВ поперек слоев характеризуется следующими цифрами: минимальная — 16 кВ/мм, средняя — 20,5 кВ/мм. Эти данные получены на образцах, вырезанных из БКВ.
Электрическая прочность БКВ вдоль слоев значительно ниже таковой поперек слоев (в 10—20 раз). Рис. 11-16 дает кривые продольной прочности БКВ при промышленной частоте и при импульсах [Л. 11-3].
На рис. 11-17 приведена зависимость тангенса угла диэлектрических потерь от температуры для некоторых образцов БКВ.
Рис. 11-17. Зависимость tg δ от температуры для бакелитовых конденсаторных вводов.
Рис. 11-15. Напряжение начала ионизации и скользящего разряда в зависимости от толщины слоя в БКВ (ε=4,5). 1 — напряжение начала ионизации при металлических обкладках в воздухе; 2 — то же, при полупроводящих обкладках в воздухе; 3 — металлические и полупроводящие обкладки в масле; 4 — металлические и полупроводящие обкладки в воздухе и в масле (напряжение начала скользящих разрядов). 1—3— данные Каппелера; 4—данные Теплера.
Рис. 11-16. Продольная прочность бакелитовой изоляции при промышленной частоте и импульсах.
1,4 — для плоской плиты; 2, 5 — для уплотненного намотанного изделия; 3, 6 — для ввода обычного качества.
Конструкция БКВ для выключателя МГ-35 показана на рис. 11-18. Этот ввод имеет 11 обкладок при полной толщине изоляции 23 мм.
Рис. 11-18. Конденсаторный бакелитовый ввод на 35 кВ для маломасляного выключателя МГ-35.
1 — бандаж; 2 — масляный конец; 3 — труба медная.
Для наружной установки применяются БКВ с фарфоровой покрышкой. Пространство между БКВ и покрышкой заполняется компаундом или маслом. Нижний конец БКВ обычно не защищается фарфоровой покрышкой, если он входит внутрь маслонаполненного трансформатора и защищается маслом последнего. Наоборот, нижний конец ввода в масляный выключатель часто защищается фарфоровой покрышкой.
На рис. 11-19 изображена конструкция подобного ввода для масляных выключателей ВМ-35, ВМД-35, МКП-35. Пространство между втулкой и покрышкой заполняется компаундом, качество которого играет большую роль. Именно компаунд (мастика) был виной многих аварий с бакелитовыми конденсаторными втулками. В настоящее время изготовителем и инструкцией МЭС предписывается применение мастики марки УЭА-1 (бывшая марка Э-3).
Для успешной работы мастиконаполненных вводов очень важны хорошие уплотнения, предохраняющие их внутренность от попадания влаги из атмосферы, см. гл. 12.
Рис. 11-19. Бакелитовый конденсаторный ввод с фарфоровой покрышкой и компаундным заполнением для масляных выключателей ВМ-35, ВМД-35 и МКП-35.
Конструктивные данные некоторых бакелитовых конденсаторный вводов с фарфоровыми покрышками приведены в табл. 11-5.
Конструкции БКВ с фарфоровыми покрышками имеют в Западной Европе все еще значительное распространение, несмотря на высокие требования к материалу и технологии производства. Так, например, швейцарская фирма Микафиль серийно выпускает конденсаторные вводы этого типа на различные напряжения. На рис. 11-20 показана конструкция такого ввода на 380 кВ. Он состоит из БКВ, защищенного фарфоровой покрышкой, причем пространство между покрышкой и БКВ заполнено маслом. Нижняя часть ввода, предназначенного для силового трансформатора, открыта. Она погружается в масло, которым заполнен трансформатор.
Обращает на себя внимание очень короткая нижняя часть ввода. Это объясняется тем, что в данном вводе применено большое число обкладок и очень короткие ступени изоляции с открытыми концами обкладок. Такие меры приводят к значительному повышению разрядного градиента по поверхности ввода, что и дает возможность уменьшить длину его масляного конца.
Рис. 11-20. Бакелитовый конденсаторный ввод с фарфоровой покрышкой на 380 кВ (Микафиль).
1 — нажимная шайба с конической выточкой; 2 — диск с выемкой; 3 — мастика; 4 — фарфоровая покрышка; 5 — фланец; 6—бакелитовый ввод.
