Изоляторы элегазовых КРУ - Предъявляемые требования

ГЛАВА ПЕРВАЯ
ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К ОПОРНЫМ ИЗОЛЯТОРАМ

Изоляция КРУЭ представляет собой комбинацию работающих совместно твердого и газового диэлектриков. Высокая электрическая прочность газообразного элегаза определяет возможности создания компактных конструкций. Однако электрическая прочность газовых промежутков может значительно ухудшаться при внесении в них твердой изоляции. Поэтому электрическая прочность газового и твердого диэлектриков должна быть скоординирована, параметры конструкции опорного изолятора — оптимизированы и выбраны с учетом электрической прочности твердого диэлектрика, термомеханических нагрузок и времени воздействия высокого напряжения. Создание таких изоляторов — достаточно трудная задача: их конструкция должна обеспечивать отсутствие пробоев твердого диэлектрика и перекрытий по его поверхности в течение всего срока службы КРУЭ (20—50 лет). Основным препятствием на этом пути является недостаточная изученность электрической прочности твердой изоляции, обусловленная особыми условиями ее работы. Эти особенности определяются, во-первых, тем, что в газоизолированных устройствах используются большие объемы монолитного диэлектрика, расположенного в межэлектродных промежутках с максимальной напряженностью до 5 кВ/мм. Во-вторых, вследствие большой пропускной способности КРУЭ и существенной токовой нагрузки, доходящей до нескольких килоампер, температура его токоведущих элементов может значительно возрастать (до 100° С), приводя к нагреву опорного изолятора. Повышение температуры твердого диэлектрика отрицательно сказывается на его электрических, механических характеристиках и должно быть учтено при разработке опорных элементов. В-третьих, выбор конструкции опорных изоляторов должен осуществляться с расчетом воздействующих на них механических усилий, которые могут возникать в результате действия электродинамических сил при токах к. з., при перепадах давления между отсеками КРУЭ. Допустимые пределы нагрузок (электрической, термической, механической) обычно взаимосвязаны. Это затрудняет разработку конструкций опорных изоляторов, поскольку выбор изоляционного материала для работы в оборудовании, где используется элегазовая изоляция, ограничен: элегаз может разлагаться в электрическом разряде с образованием химически активных соединений, способных вступать в реакцию с материалами, традиционными для аппаратов высокого напряжения.

1. ИЗОЛЯТОРЫ НА ОСНОВЕ ТВЕРДЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ

Основные технические требования, предъявляемые к материалу опорных изоляторов, можно сформулировать следующим образом:

1. материал опорных изоляторов должен выдерживать рабочую максимальную напряженность до 5—7 кВ/мм и кратковременную — не ниже 15—17 кВ/мм при толщинах до 200— 300 мм и температуре около 100° С;
2. рабочая температура изоляционного материала должна быть не ниже 100° С;
3. материал не должен изменять своих физических и электрических свойств при эксплуатации в среде элегаза и при наличии возможных продуктов его разложения.

Первые два требования вытекают из конструктивных особенностей КРУЭ.
По способности вступать в химические реакции чистый элегаз при нормальных условиях сравним с азотом и инертными газами. Строение молекулы элегаза обеспечивает ее высокую стабильность: молекула содержит шесть атомов фтора, расположенных в вершинах правильного октаэдра, и атом серы, который находится в центре молекулы на равных расстояниях от атомов фтора. Между атомом серы и шестью атомами фтора существует валентная связь [1]. В процессе эксплуатации элегазовой аппаратуры в ней могут возникать электрические разряды, вызванные как нормальными, так и аварийными или предаварийными режимами работы (в электрических аппаратах элегаз является не только изоляционной и теплоотводящей, но и дугогасительной средой). Под действием электрических разрядов инертный элегаз может разлагаться с образованием химически активных соединений. Так, при воздействии искрового и слаботочного разрядов основным продуктом разложения элегаза является четырехфтористая сера SF4. Выход продуктов разложения при искровом разряде оказывается более высоким: в 100—200 раз больше, чем при слаботочном дуговом разряде [2]. Поскольку молекулы элегаза являются многоатомными, то реакция диссоциации SF6 исключительно сложна. Известно [1], что уже при относительно низких температурах, меньших 1000 К, начинается диссоциация молекул элегаза, идущая по уравнению SF6->SF4 + F2. Однако и при сильноточном дуговом разряде SF4 является основным продуктом разложения, хотя при анализе элегаза, используемого в выключателях, иногда фиксируется наличие продукта гидролиза фтористой серы — фтористого тионила SOF2, что является следствием наличия влаги в аппарате. Присутствие в среде элегаза указанных соединений делает невозможным применение в КРУЭ таких традиционных для электротехники материалов, как фарфор, бакелит, стеклотекстолит. В этой связи особый интерес представляют эпоксидные компаунды. В настоящее время они повсеместно используются для изготовления опорных изоляторов элегазовых КРУ, и причина их широкого распространения состоит в совокупности свойств, которые имеют отвержденные компаунды независимо от их рецептуры. Этими свойствами являются высокая механическая и электрическая прочность, нагревостойкость, удовлетворительная трекингостойкость, адгезия со всеми полярными веществами и малая усадка при отверждении, которая в зависимости от условий отверждения и состава компаунда колеблется в пределах от 0,4 до 2,5% [3]. Состав эпоксидных компаундов не ограничивается только смолой и отвердителем. Он может также включать в себя пластификаторы и наполнители. Таким образом, эпоксидные компаунды представляют собой двух- или многокомпонентные системы, в которых смола и отвердитель являются постоянными составляющими для любой разновидности компаундов.
Опорные изоляторы КРУЭ представляют собой конструкции с достаточно сложной конфигурацией. Они могут иметь введенные внутрь диэлектрика и залитые компаундом электроды или отливаться непосредственно на токоведущих элементах КРУЭ. Эпоксидные компаунды имеют относительно большие значения температурного коэффициента расширения (ТКР). Это может приводить к появлению в изоляторах внутренних напряжений, вызванных разностью ТКР компаунда и металла. Следует учитывать, что эти напряжения будут действовать в течение всего срока службы изолятора и могут привести к выходу из строя КРУЭ. Для уменьшения ТКР компаундов, увеличения их модуля упругости в компаунды вводят наполнители, в качестве которых используют различные неорганические вещества. Размеры частиц наполнителей колеблются от десятых до тысячных долей миллиметра. Максимальное возможное количество наполнителя в системе определяется предельной вязкостью композиции, так как при применении наполнителей вязкость компаунда сильно возрастает. Применение наполнителей позволяет снизить ТКР компаунда до значений ТКР алюминия — основного конструкционного материала КРУЭ.
Стойкость компаундов к продуктам разложения элегаза определяется стойкостью смолы и стойкостью наполнителя. Из отечественных смол наиболее стойкими оказываются ЭДЛ, ЭД-6, ЭД-8 [4]. Эти смолы, отверждаемые метилтетрагидрофталевым ангидридом (МТГФА), положены в основу компаундов серии КФ — компаундов, стойких к фтористым соединениям. Компаунд КФ-1 содержит в качестве связующего эпоксидную диановую смолу марки ЭД-8 или равноценную ей Э-2000, отвердитель МТГФА или его жидкую форму и наполнитель — фтористый кальций. При температуре 150—160° С в течение 1 ч перемешивают заранее профильтрованные смолу (массовая доля 100%) и прокаленный фтористый кальций (150%) и выдерживают в течение 30—40 мин при остаточном давлении 100—200 Па. При температуре 120—130° С вводят расплавленный МТГФА (40%), тщательно перемешивают и выдерживают 5—10 мин при остаточном давлении 100—200 Па. Приготовленная масса белого или желтоватого цвета легко разливается в формы при 120—130° С. Компаунд обладает хорошими литьевыми свойствами, если его динамическая вязкость не превышает 50 Па*с. Время сохранения литьевых свойств компаундом КФ-1 при 150° С составляет 1 ч, при 120° С — 2—3 ч. Полная потеря текучести происходит за 4—6 ч отверждения при 130—150° С. Помимо компаундов с наполнителем из фтористого кальция, в элегазовых КРУ используются и компаунды с электрокорундом, например компаунд КФ-4, который имеет рецептуру, аналогичную КФ-1 (кроме типа наполнителя). Компаунд КФ-4 имеет по сравнению с КФ-1 улучшенные механические характеристики, а по остальным параметрам практически соответствует ему. Основные свойства компаундов, стойких к продуктам разложения элегаза, приведены в табл. 1.
Таблица 1