В заключение скажем несколько слов о координации разрядных напряжений при промышленной частоте и при импульсах. По существу эта координация должна определяться действующими ГОСТ, которые устанавливают разрядные напряжения как при промышленной частоте, так и при импульсах. Анализ этих ГОСТ показывает, что в подавляющем большинстве случаев, за самыми редкими исключениями, разрядное расстояние изоляторов определяется сухоразрядным напряжением при 50 Гц. Величина разрядного расстояния, требуемого испытательным напряжением при импульсах, почти всегда оказывается меньше, чем при 50 Гц. Особенно заметно это при напряжениях 400 кВ и выше, когда решающую роль в определении уровня изоляции начинают играть коммутационные перенапряжения. Это не значит, что при проектировании внешней изоляции аппаратуры можно не обращать внимания на требования к импульсному разрядному напряжению. При неудачной конструкции изолятора может оказаться, что он выдержит испытание при 50 Гц, но не выдержит его при импульсах. Такое положение может получиться в случае гладких (без ребер) изоляторов, которые имеют относительно низкое импульсное разрядное напряжение.
Рис. 3-15. Схема наложения БМИ в полнахлеста.
3-2. Бумажно-масляная изоляция
В конструкциях аппаратов высокого напряжения масло применяется как в чистом виде, так и в сочетании с многослойной бумажной изоляцией, гетинаксовыми барьерами и т. д.
Особенно широко применяется масло в сочетании с многослойной бумажной изоляцией, что дает так называемую бумажномасляную изоляцию (БМИ).
Эта изоляция имеет много общего с кабельной изоляцией как по материалу и способу нанесения, так и по электрическим характеристикам. Есть, однако, и существенные различия между аппаратной БМИ и кабельной изоляцией.
Аппаратная БМИ в большинстве случаев наматывается вручную, кабельная — всегда машинным способом (на кабельном стане). Вследствие этого плотность намотки и, соответственно, электрическая прочность у БМИ оказывается ниже, чем у кабельной изоляции (подразумевается маслонаполненный кабель). Так, при тщательной ручной намотке, при отсутствии «масляных мешков» и других нарушений равномерности намотки, электрическая прочность БМИ оказывается равной 25—32 кВ/мм (одноминутное испытание, концентрические цилиндры), тогда как прочность кабельной изоляции примерно вдвое выше [Л. 3-2].
Способ наложения аппаратной БМИ несколько отличается от способа машинного наложения бумажной ленты при изолировке кабеля. Аппаратная БМИ, как правило, накладывается с нахлестом (рис. 3-15), обычно в полнахлеста, т. е. каждый последующий виток ленты перекрывает половину ширины предыдущего витка; в некоторых случаях производится намотка ленты и с большим нахлестом, что соответственно увеличивает толщину одного слоя изоляции. Для повышения производительности труда при ручной намотке БМИ часто применяют так называемую «сложенную» бумагу (рис. 3-16); она не только вдвое толще исходной кабельной ленты, но и не рвется при ручной подтяжке ввиду невозможности образования краевого надрыва.
БМИ широко применяется в конструкциях маслонаполненных трансформаторов тока (см. гл. 15).
Во многих случаях БМИ представляет собою цилиндрическую изоляцию; электрическое поле в такой изоляции часто можно представить как поле между двумя концентрическими цилиндрами. Напряженность этого поля обратно пропорциональна радиусу цилиндра. Таким образом, напряженность поля падает в радиальном направлении. При большой толщине изоляции внутренние слои се оказываются перетруженными, а внешние — недогруженными.
В других случаях неравномерность поля в БМИ может быть еще выше, чем в случае концентрических цилиндров. Коэффициент неравномерности поля может доходить до двух-трех и даже выше (см. гл. 15).
В реальных конструкциях аппаратов и устройств высокого напряжения, кроме радиальной неравномерности поля, приходится учитывать также неравномерность поля в осевом направлении.
Неравномерность распределения напряжения в аппаратах с БМИ в радиальном и осевом направлении заставляет излишне увеличивать размеры изоляции, что приводит к удорожанию аппаратов. В некоторых случаях неравномерность поля может даже служить препятствием для развития рациональных конструкций на высокие и наиболее высокие напряжения. Так, например, начиная с известного предела, увеличение толщины цилиндрической изоляции уже не увеличивает существенно общую пробивную прочность устройства, а из-за ухудшения теплоотвода это увеличение толщины может даже снизить устойчивость изоляции по отношению к тепловому пробою.
Применение конденсаторной БМИ позволяет в известной степени решить задачу получения равномерного распределения напряжения в цилиндрической изоляции в радиальном и осевом направлении.
Конденсаторная изоляция широко применяется с начала текущего столетия в конструкциях бакелитовых вводов (см. гл. 11). В последние годы, однако, она стала находить все большее применение в виде конденсаторной БМИ (КБМИ). Такая изоляция, выполненная с помощью ленты кабельной бумаги, именуется иногда «кабельно-конденсаторной изоляцией».
Острый край конденсаторной обкладки (рис. 3-17) легко может вызвать скользящий разряд; последнее явление при отсутствии защиты от него будет определять электрическую прочность изоляции в целом. При подъеме напряжения ионизация и скользящие разряды на краях конденсаторных обкладок могут развиться и привести к разряду по поверхности изоляции намного раньше, чем будут достигнуты радиальные градиенты поля, могущие вызвать пробой изоляции.
Из этого следует, что правильное решение вопроса о защите краев конденсаторных обкладок против развития ионизации и скользящих разрядов представляет собою основную задачу при проектировании КБМИ.
По данным Г. Т. Мессермана, Г. С. Кучинского и О. В. Тихановой, которые производили подробные исследования КБМИ на заводе «Электроаппарат» и в Ленинградском· политехническом институте [Л. 3-9], при практически применяемых в промышленности толщинах изоляции между парой обкладок (0,8—8,0 мм) возникают ионизационные процессы двух родов:
- Сначала появляется неустойчивая «начальная ионизация», которая на приборе для регистрации частичных разрядов проявляется в виде эпизодических, быстро затухающих колебаний высокой частоты. Эта неустойчивая ионизация при кратковременном ее существовании не приводит к порче изоляции и к снижению напряжения ионизации. Неустойчивая ионизация не выявляется измерением угла диэлектрических потерь. Если условия существования неустойчивой ионизации будут поддерживаться длительно, то может образоваться „Х-воск“ и произойдет ухудшение характеристик изоляции (старение изоляции).
- При дальнейшем повышении напряженности электрического поля появляется устойчивая ионизация, отмечаемая на регистраторе частичных разрядов в виде слабо затухающих длительных серий высокочастотных колебаний. Устойчивая ионизация развивается при значительно больших напряженностях поля, чем ионизация неустойчивая. Она ведет к развитию газообразования и к резкому падению напряжения ионизации до некоторого значения Umin. Если приложенное к образцу изоляции напряжение остается неизменным, устойчивая ионизация переходит затем в разряд, обычно в скользящий разряд с края конденсаторной обкладки, или в пробой изоляции. При некоторых особо прочных системах защиты краев обкладок скользящие разряды не возникают и устойчивая ионизация, образующаяся на других местных неравномерностях поля, переходит в ветвистый разряд, характерный для кабеля.
Таким образом, для данного образца конденсаторной изоляции могут рассматриваться следующие характерные величины: 1) рабочее напряжение Uраб; 2) напряжение неустойчивой ионизации Uн; 3) напряжение устойчивой ионизации Uy.
Очевидно, что рабочее напряжение для данной КБМИ должно быть ниже напряжения неустойчивой ионизации, а испытательное напряжение и, соответственно, уровень возможных коммутационных перенапряжений должны быть ниже напряжения устойчивой ионизации, с необходимыми запасами прочности.
Можно считать:
где k1,k2 — коэффициенты запаса прочности, которые можно принять равными: k1=1,5, k2=1,3 [Л. 3-9].
