Проводниковые материалы
Важнейшим проводниковым материалом, применяемым в производстве силовых конденсаторов, является алюминиевая фольга, из которой выполняются обкладки конденсаторов. Технические данные ее должны соответствовать ГОСТ 618-50 «Фольга алюминиевая рулонная для технических целей».
Удельный расход фольги, т. е. вес ее на 1 кВАр реактивной мощности конденсатора, прямо пропорционален ее толщине, что заставляет стремиться к применению возможно более тонкой фольги. Обкладки отечественных силовых конденсаторов типа КМ выполняются из рулонной алюминиевой фольги толщиной 7,5—10 мк.
Удельный расход фольги зависит также от номинального напряжения секции, т. е. того напряжения, которое приходится на последнюю при номинальном напряжении на зажимах конденсатора. С понижением номинального напряжения секции удельный расход фольги увеличивается.
В производстве конденсаторов применяется также луженая медная фольга толщиной около 0,1 мм, из которой изготовляются выводы (вкладыши) секций, служащие для соединения секций между собой. Для соединения выемной части конденсатора с токоведущими стержнями выводных изоляторов служит луженая медная фольга толщиной около 0,3 мм или луженый многожильный медный провод. Токоведущие стержни выводных изоляторов изготовляются из круглой латуни сплошного или трубчатого сечения.
Изоляционная бумага
Изолирующие прослойки между обкладками силовых конденсаторов выполняются из специальной конденсаторной бумаги, которая в процессе производства конденсаторов подвергается пропитке жидким диэлектриком. Технические данные конденсаторной бумаги должны соответствовать ГОСТ 1908-67 «Бумага конденсаторная». Последний предусматривает две марки этой бумаги со следующими данными:
В производстве силовых конденсаторов применяется конденсаторная бумага обеих марок толщиной 7—12 мк. Объемный вес бумаги марки КОН-2 возрастает согласно ГОСТ от 1,16 до 1,25 по мере увеличения толщины бумаги.
Конденсаторная бумага представляет собой наиболее тонкий из всех существующих сортов бумаги. ГОСТ предъявляет к ней высокие требования в отношении изоляционных свойств и других показателей, от Которых зависит надежность работы конденсаторов.
Согласно ГОСТ конденсаторная бумага выпускается в бобинах шириной 12—750 мм и состоит по волокну полностью (на 100%) из древесной сульфатной небеленой целлюлозы марки КН. Ширина бобин, требующихся для изготовления конденсаторных секций, равна длине изготовляемых секций.
Установленные ГОСТ наименьшие допустимые значения пробивного напряжения конденсаторной бумаги зависят от ее марки и толщины, составляя 275—475 в переменного тока частотой 50 Гц для бумаги марки КОН-1 и 250—560 В — для бумаги марки КОН-2. Бумага марки КОН-2, имеющая больший объемный вес, имеет более высокое пробивное напряжение, чем бумага КОН-1 такой же толщины.
Более плотная бумага имеет также более высокие диэлектрическую проницаемость е и тангенс угла диэлектрических потерь tg δ. Согласно ГОСТ тангенс угла потерь при 60° С должен быть не более 0,0017 для бумаги марки КОН-1 и не более 0,002 для бумаги марки КОН-2.
В конденсаторах переменного тока с повышением ε и tgδ возрастают потери энергии в единице объема конденсаторной секции. Следовательно, увеличивается и количество тепла, выделяющегося в конденсаторе, что делает более тяжелыми условия работы изоляции между обкладками.
Относительная диэлектрическая проницаемость εr клетчатки, из которой состоит конденсаторная бумага, равна около 6,5—7, но εr непропитанной конденсаторной бумаги значительно ниже, составляя около 2,2—2,3 у бумаги нормальной плотности 1 г/см3 и около 3,5 у бумаги повышенной плотности 1,3 г/см3. Это снижение εr объясняется тем, что часть объема конденсаторной бумаги занята не клетчаткой, а воздухом, у которого εr=1.
Диэлектрическая проницаемость пропитанной бумаги определяется значениями е,- как самой бумаги, так и пропитывающего материала. Для бумаги, пропитанной минеральным маслом, εr составляет около 3,5 и для бумаги, пропитанной хлорированным дифенилом, — около 5,5.
Расход конденсаторной бумаги на 1 кВАр мощности конденсатора обратно пропорционален квадрату напряженности электрического поля в диэлектрике между обкладками. Из этой зависимости следует, что для получения конденсаторов со сравнительно низкой стоимостью 1 кВАр необходимо допускать высокие напряженности электрического поля в диэлектрике между обкладками.
Кроме конденсаторной бумаги, в производстве силовых конденсаторов типа КМ применяется кабельная бумага, служащая для изоляции секций от металлических деталей, стягивающих выемную часть, и выемной части в целом от бака (ГОСТ 645-59 «Бумага кабельная»). Подобно конденсаторной бумаге, кабельная бумага изготовляется из древесной сульфатной целлюлозы, но толщина ее больше, а объемный вес меньше, чем у конденсаторной бумаги.
Для тех же целей, что и кабельная бумага, применяется в конденсаторах электроизоляционный картон, из которого изготовляют также прокладки, расположенные между секциями и на торцовой поверхности их.
Особым видом силовых конденсаторов являются так называемые металлобумажные конденсаторы [Л. 1-11 и Л. 21]. В них конденсаторные секции не имеют отдельных обкладок, а состоят из металлизированной конденсаторной бумаги, т. е. бумаги с нанесенным на нее очень тонким слоем цинка или другого металла, играющим роль обкладки. Толщина этого слоя составляет около 0,1 мк. В зависимости от напряжения конденсатора иногда между листами металлизированной бумаги прокладываются еще и листы обыкновенной конденсаторной бумаги.
В металлобумажных конденсаторах вслед за пробоем бумаги покрывающий ее металлический слой плавится и испаряется вблизи места пробоя, отчего последнее оказывается изолированным от обкладок и секция продолжает нормально работать. Весь этот процесс продолжается всего лишь около 10 мксек, причем емкость конденсатора уменьшается крайне незначительно (по данным фирмы — на 1% после 10 000 пробоев). Такое протекание процесса дает основание называть металлобумажные конденсаторы самовосстанавливающимися.
Металлобумажные конденсаторы для повышения коэффициента мощности изготовляются только в некоторых странах Западной Европы. В Советском Союзе имеются установки для повышения коэффициента мощности, выполненные из металлобумажных радиоконденсаторов емкостью по несколько микрофарад.
Другую особенность в отношении диэлектрика между обкладками представляют собой силовые конденсаторы, изготовляемые в Японии. В них между обкладками прокладывается не конденсаторная бумага, а более толстая бумага типа кабельной.
Пропиточные материалы
Бумажная изоляция между обкладками силового конденсатора пропитана жидким диэлектриком, который заполняет также пространство внутри конденсаторного бака, не занятое выемной частью. Таким образом, жидкий диэлектрик выполняет в конденсаторе две задачи: во-первых, он повышает надежность работы изоляции, заполняя поры бумаги и покрывая торцовую поверхность секций, во-вторых, он усиливает охлаждение секций, передавая выделяющееся в них тепло стенкам конденсаторного бака.
В силовых конденсаторах отечественного производства типа КМ. секции пропитаны минеральным конденсаторным маслом, представляющим собой продукт переработки нефти и лишь незначительно отличающимся от трансформаторного масла, применяемого для заполнения трансформаторов и масляных выключателей.
Масло, применяемое в производстве силовых конденсаторов, должно удовлетворять требованиям ГОСТ 5775-51 «Масло конденсаторное». В табл. 1-1 приведены некоторые из этих требований.
Таблица 1-1
Некоторые свойства конденсаторного масла согласно ГОСТ 5775-51
Для конденсаторного масла нормируются некоторые электрические величины, не нормируемые ГОСТ 982-56 «Масло трансформаторное», а именно — удельное сопротивление, электрическая прочность и диэлектрическая проницаемость. В отношении тангенса угла диэлектрических потерь к конденсаторному маслу стандартом предъявляются более высокие требования, чем к трансформаторному маслу.
Стандартом не нормируется, но имеет существенное значение при работе конденсаторов, пропитанных минеральным маслом, стабильность масла при действии на него электрического поля высокой напряженности. Разложение масла в электрическом поле сопровождается выделением из него газообразных и твердых соединений и приводит к сокращению срока службы конденсаторов. Этот процесс изучен еще недостаточно, но имеющиеся данные говорят, что интенсивность его зависит, в числе прочих факторов, от химического состава масла [Л. 1-9].
Важнейшими недостатками минерального масла, как материала для пропитки конденсаторов, являются сравнительно низкое значение диэлектрической проницаемости (2,1—0,3) и горючесть. При этом температура вспышки масла сравнительно невысока (не ниже 135°С согласно ГОСТ 5775-51), а горение его сопровождается выделением большого количества тепла (теплотворная способность около 10 000 кал/г). Эти недостатки вызвали применение для пропитки конденсаторов жидких диэлектриков другого типа, не имеющих недостатков минерального масла.
Эти синтетические диэлектрики весьма близки друг к другу по своему химическому составу и по физическим свойствам, но называются в разных странах и у разных фирм по-разному, например: в Советском Союзе — совол, в ГДР и ФРГ — клофен, во Франции—пирален, в США —пиранол, инертин, элемекс и т. д. Иногда в отношении всей этой группы диэлектриков применяют общее наименование «аскарелы». Данные о некоторых свойствах совола приведены в табл. 1-2.
При температуре около 20°С совол представляет собой жидкость, бесцветную, как вода, но заметно более вязкую, со слабым запахом. С понижением температуры вязкость совола увеличивается, а с повышением уменьшается.
Все негорючие диэлектрики рассматриваемого типа получаются синтетическим путем в результате хлорирования дифенила С6Н5—С6Н5. Последний принадлежит к числу ароматических углеводородов и представляет собой бесцветное кристаллическое вещество с температурой плавления 70° С.
Таблица 1-2
Некоторые свойства совола
В процессе хлорирования дифенила часть атомов водорода замещается атомами хлора. Для пропитки силовых конденсаторов применяют главным образом пентахлордифенил C12H5CI5, в молекуле которого замещены хлором пять атомов водорода.
Для пропитки конденсаторов, работающих при низких температурах окружающего воздуха, за рубежом используют иногда хлорированные дифенилы с меньшей степенью хлорирования, например с замещением только трех или четырех атомов водорода (трихлордифенил или тетрахлордифенил). Эти диэлектрики имеют более низкую температуру застывания, чем пентахлордифенил. Иногда применяют для той же цели и смеси пентахлордифенила с какой-либо другой хлорированной жидкостью, имеющей меньшую вязкость и более низкую температуру застывания.
Важнейшими особенностями совола и других хлор- дифенилов сравнительно с минеральным маслом являются значительно более высокое значение диэлектрической проницаемости (около 5 против 2,1—2,3 у масла) и полная негорючесть.
Бумага, пропитанная хлордифенилом, имеет более высокую диэлектрическую проницаемость, чем та жё бумага, пропитанная минеральным маслом (около 5,5 вместо 3,5). В результате этого емкость конденсатора, пропитанного хлордифенилом, примерно на 50% больше емкости такого же конденсатора, пропитанного минеральным маслом. Переход к пропитке хлордифенилом при прежнем значении напряженности электрического поля в диэлектрике позволяет уменьшить на одну треть затраты фольги и бумаги на 1 кВАр реактивной мощности конденсатора.
Преимуществом хлордифенила сравнительно с минеральным маслом является также более высокая стабильность во время эксплуатации конденсаторов. Эта особенность позволяет несколько повысить значения напряженности электрического поля и тем самым еще более снизить удельные затраты фольги и бумаги (,в общей сложности, учитывая и повышение емкости, примерно в 2 раза).
Диэлектрическая проницаемость хлордифенила близка к диэлектрической проницаемости клетчатки, и это обеспечивает во время эксплуатации конденсатора примерно одинаковые значения напряженности электрического поля как в волокнах бумаги, так и в ее порах, заполненных хлордифенилом. При пропитке бумаги минеральным маслом напряженность электрического поля в порах выше, чем в волокнах бумаги.
Хлордифенил совершенно негорюч, и даже при прямом воздействии пламени он только разлагается на составные части, но не воспламеняется. Поэтому пропитка конденсатора хлордифенилом устраняет возможность возгорания конденсатора при несвоевременном отключении внутреннего короткого замыкания и других авариях.
Хлордифенил как пропиточный материал для конденсаторов не лишен и недостатков, к числу которых относятся:
токсичность как самого хлордифенила, так и газообразных продуктов разложения его под действием высокой температуры: хлордифенил, попадая на слизистые оболочки, вызывает их раздражение, а продукты разложения его действуют раздражающе на дыхательные пути;
резкое ухудшение электрических свойств при весьма малых примесях некоторых посторонних веществ, что требует высокой чистоты всей аппаратуры (баков, трубопроводов и т. п.), содержащей хлордифенил при пропитке им конденсаторов;
более высокая стоимость сравнительно с конденсаторным маслом;
снижение диэлектрической проницаемости хлордифенила в области отрицательных температур, а следовательно, и снижение емкости пропитанных им конденсаторов (рис. 1-3).
Рис. l-3. зависимость емкости и тангенса угла потерь конденсатора, пропитанного соволом, от температуры.
Особенностью конденсаторов, пропитанных хлордифенилом, является также свойственная ему зависимость тангенса угла диэлектрических потерь от температуры с резко выраженным максимумом, приходящимся на температуру несколько ниже нуля (рис. 1-3).
Эта особенность не препятствует, однако, нормальной эксплуатации конденсаторов, так как максимум tg δ даже для пентахлордифенила наблюдается при температуре около —10° С, а для менее вязких хлордифенилов— при еще более низких температурах. Поэтому повышенное значение tg δ может наблюдаться только временно, в процессе разогрева остывшего конденсатора после его включения, а затем tgδ приобретает нормальное значение.
Недостатками пентахлордифенила являются также значительное увеличение вязкости и сравнительно большое уменьшение объема при понижении температуры, приводящие к образованию в застывшем хлордифениле пустот («раковин») и трещин при температурах 20—30° С ниже нуля. При включении конденсатора с такими пустотами может произойти пробой диэлектрика, что имело место при эксплуатации конденсаторов, пропитанных пентахлордифенилом, в местностях с холодным климатом [Л. 11-11]. В настоящее время этот недостаток устраняется путем пропитки силовых конденсаторов указанными выше сортами и смесями хлордифенила, имеющими пониженную температуру застывания.
