Защита краев проводящих обкладок в конденсаторной изоляции от раннего образования скользящих разрядов может проводиться по крайней мере двумя принципиально различными методами: принимают меры, чтобы на краях конденсаторных обкладок не было опасной разности потенциалов, которая при данных расчетных условиях могла бы вызвать скользящий разряд, или чтобы скользящий разряд физически не мог развиваться (вследствие формы поля, наличия барьеров и т. д.).
Как показано в гл. 4, напряжение появления скользящего разряда в системе электродов рис. 3-17 подчиняется закону
(3-9)
где s — толщина слоя изоляции между электродами.
Показатель степени р в зависимости от конструкции изоляции, материала и технологии изменяется в довольно широких пределах и для ориентировочных расчетов может быть взят равным 0,4— 0,5.
Если при одной и той же общей толщине изоляции увеличить число слоев (и число проводящих обкладок) в п раз, а толщину каждого слоя соответственно уменьшить в п раз, то получим для такого случая:
откуда
(3-10)
Так как β<1, то очевидно, что применение большого числа тонких слоев изоляции с точки зрения борьбы со скользящими разрядами выгоднее малого числа толстых слоев.
Такая конструкция технологически проста. Однако большое число фольговых обкладок повышает трудоемкость изготовления и увеличивает время сушки и пропитки изоляции, так как каждая из обкладок является препятствием для удаления влаги из бумаги ч проникновения в бумагу масла.
С целью максимального облегчения и ускорения производства этих процессов для обкладок целесообразно применять перфорированную фольгу.
В 1952 г. в СССР было предложено (и в настоящее время применяется за рубежом) использование печатных проводящих слоев на конденсаторной изоляции. 1 Это требует специального оборудования (печатающие валики) и в принципе пригодно лишь для прямолинейных изоляционных конструкций (проходные изоляторы) [Л. 11-6].
В КБМИ печатные проводящие слои практически не представят препятствий для пропитки маслом.
Уменьшение толщины различных слоев конденсаторной изоляции ограничено толщиной бумаги, технологическими соображениями и требованием перекрытия возможных слабых мест в бумаге вышележащими здоровыми участками. В силу этого число рядов бумаги в слое не должно быть слишком малым. Практически применяют не менее трех-четырех рядов бумажной ленты толщиной 0,12 мм в полнахлеста, что дает толщину слоя не менее 0,72—1,0 мм. Усовершенствованием этого способа является «ступенчатая защита» (СЗ). Сущность ее заключается в следующем.
Рис. 3-18. Ступенчатая защита (СЗ).
1— главные (основные) обкладки одного слоя КБМИ; 2— дополнительные короткие обкладки (манжеты).
Применяется небольшое число конденсаторных обкладок и относительно толстые изоляционные слои. Таким образом, с точки зрения образования скользящих разрядов соотношения на краях обкладок складываются неблагоприятно, а технологически такая система оказывается выгодной. Однако не обязательно всю толщу изоляции делить на тонкие слои. Можно произвести разделение только около краев обкладок, как показано на рис. 3-18. Такие короткие обкладки (манжеты) приводят к тому, что с точки зрения образования скользящего разряда как будто бы существуют «тонкие» слои s1, заключенные между соседними манжетами, а не толстые слои s, заключенные между соседними главными конденсаторными обкладками.
Ширина манжет обычно составляет около 120—200 мм; применение их не вносит заметного усложнения в процесс изолировки. Узкие фольговые манжеты также не могут оказать заметного влияния на скорость сушки и пропитки. Таким образом, СЗ представляется технологически весьма выгодным способом защиты.
Печатные проводящие слои на бумаге образуются путем нанесения на нее полосок проводящей краской.
Напряжение, существующее между двумя соседними главными обкладками (оно определяется в основном емкостями главных обкладок), распределяется между промежуточными манжетами соответственно их емкостям.
Рассмотрение эквивалентной схемы этого устройства приводит к выводу, что самая верхняя манжета (считая от жилы наружу) оказывается перегруженной, так как через этот промежуточный слой проходит не только поток смещения, идущий через все манжеты, но и все потоки утечки каждой из манжет. Соответственно на верхний промежуточный слой падает относительно большая доля напряжения, чем на нижележащие промежуточные слои. Неравномерность распределения напряжения в СЗ можно уменьшить, если применять более широкие манжеты.
Следующим типом защиты является «конусная защита», часто применяемая в кабельных разделках. Она заключается в том, что близ края конденсаторной обкладки производится коническая подмотка изоляционной бумагой, вследствие чего эффективная толщина слоя изоляции непосредственно под краем обкладки значительно увеличивается. Таким образом, без изменения общей толщины изоляции производится местное утолщение изоляции в местах, опасных с точки зрения образования скользящих разрядов.
Вопросу об образовании защитного конуса посвящены многие работы специалистов по кабелям [Л. 3-4], [Л. 3-5], [Л. 3-6], а потому на нем мы не будем останавливаться.
Принципиально другой тип защит основан на изменении формы поля и на создании препятствий для распространения скользящего разряда.
- «Барьерная защита» (БЗ) основана на том, что в ней край конденсаторной обкладки закрывается барьером, обычно, из изоляционной бумаги (рис. 3-19). Если край конденсаторной обкладки остается острым, то ионизация и газообразование начинаются примерно при тех же напряжениях, что и без барьера. Разряд при наличии барьера не развивается, но лишь до тех пор, пока газы, образованные у края обкладки, не прорвутся через неплотности барьера в направлении поля либо назад, в сторону обкладки, где они выходят из-под барьера и вызывают обычный для кабеля ветвистый разряд. В сочетании с другими видами защит, однако, БЗ оказывается весьма эффективной.
- «Радиусная защита» (РЗ) основана на том, что край конденсаторной обкладки не оставляется острым (как это имело место в предыдущих случаях), а ему придается округлая форма с более или менее значительным радиусом закругления. Конструктивно это может быть выполнено различными способами. Простейший из них — насадка проводящего кольца (рис. 3-20), плотно прилегающего к краю конденсаторной обкладки. Это кольцо может быть образовано, например, спиральной пружиной, на которую отворачивают лепестки надрезанной фольговой обкладки, бумажным жгутом, обвернутым указанными лепестками, и т. д. Некоторые зарубежные фирмы (например Пасифик—Эрликон) применяют точеные металлические кольца, которые индивидуально подгоняются к каждой конденсаторной обкладке (должна быть обеспечена плотная, без зазоров, посадка). Очевидно, что поле такого кольца резко отличается от поля острого края фольговой обкладки и является более благоприятным с точки зрения повышения ионизационной прочности и напряжения скользящих разрядов. При этом имеется возможность применять толстые слои изоляции, выгодные технологически. Расчетные формулы для напряжения скользящего разряда в данном случае недействительны. РЗ применяется в конденсаторной изоляции очень давно, в частности в конструкциях бакелитовых конденсаторных вводов [Л. 3-3].
- «Защита экраном» (ЭЗ) основана на том, что край конденсаторной обкладки охватывается металлическим кольцом или цилиндром, находящимся на некотором расстоянии от него (рис. 3-21).
Рис. 3-19. Барьерная защита (БЗ).
1 — конденсаторная обкладка; 2 — барьер;
3 — изоляция.
Рис. 3-21. Защита экраном (ЭЗ).
1 — конденсаторные обкладки; 2 — кольцевой экран; 3 — изоляция.
Рис. 3-16. Сечение ленты «сложенной» кабельной бумаги.
Рис. 3-17. Край конденсаторной обкладки и слой конденсаторной изоляции.
Кольцо соединяется электрически с обкладкой, и несколько выравнивает поле близ края обкладки. Чем ближе оно к защищаемому краю, тем больше его выравнивающее действие. В пределе кольцо соприкасается с обкладкой и превращается в «радиусную» защиту.
Технологически изготовление ЭЗ несложно, но ее защитное действие принципиально слабее, чем действие РЗ, так как обычно все же остается значительная неравномерность поля у края обкладки и скользящий разряд будет развиваться, хотя и при несколько повышенном напряжении по сравнению с устройством без какой- либо защиты. ЭЗ нашла себе применение в концевых кабельных муфтах [Л. 3-6].
- «Комбинированная защита» является комбинацией нескольких видов защиты. Так, на заводе «Электроаппарат» в 1952 году была разработана защита, состоящая из комбинации конусной, радиусной и барьерной защит (рис. 3-22). Путем подмотки конуса был значительно уменьшен средний радиальный градиент под краем конденсаторной обкладки; путем создания закругления на краю обкладки был резко уменьшен градиент по сравнению с таковым при остром крае; наконец, защитное кольцо было закрыто толстым изоляционным барьером, который был образован путем отгибания на 180° лепестков бумаги, полученных путем надрезания изоляционной подмотки. Толщина барьера составляла от двух до четырех миллиметров. Лепестки надрезались так, что линии надреза у соседних рядов не совпадали.
Рис. 3-22. Лепестковая разделка конструкции завода «Электроаппарат».
1 — конденсаторные обкладки; 2 — кабельная бумага; 3 — основной изолирующий слой.
Такая «лепестковая разделка» (ЛЗ) оказалась настолько эффективной, что ионизация на краю обкладки вообще не наблюдалась до самого пробоя изоляции; последний же происходил с одинаковой вероятностью под разделкой и в относительно равномерном поле (между основными конденсаторными обкладками).
Недостатком ЛЗ является ее значительная трудоемкость.
Любопытно, что в последнее время защита, напоминающая ЛЗ, была запатентована в ФРГ Кремером и Рабусом [Л. 3-7] и применена в конденсаторной проходной втулке на номинальное напряжение 1000 кВ [Л. 3-8].
