Конденсаторные секции
Основной конструктивной деталью силового конденсатора является конденсаторная секция. Секции по форме выполняются плоскими и цилиндрическими. Во всех отечественных конструкциях силовых конденсаторов применяются исключительно плоские секции. Цилиндрические секции встречаются только в зарубежных конструкциях и притом значительно реже, чем плоские.
Рис. 1-4. Частично развернутая секция конденсатора типа КМ.
1—бумага; 2—обкладки; 3 и 4—вкладыши (выводы).
Конструкция плоской секции конденсатора типа КМ изображена на рис. 1-4. Секция развернута на несколько оборотов, чтобы показать обкладки. Как видно из чертежа, длина секции или, что то же, ширина бумаги, применяемой для изготовления секции, равна ширине фольги плюс двойная ширина закраины (изолирующего поля) конденсаторной бумаги. Необходимая минимальная ширина закраины определяется расчетным напряжением секции. Снижая его, можно уменьшить до известного предела ширину закраины, повысить коэффициент использования бумаги (отношение активной площади диэлектрика к его полной площади) и, следовательно, снизить расход конденсаторной бумаги на 1 кВАр мощности конденсатора.
Рис. 1-5. Полностью развернутая секция конденсатора типа КМ.
1— бумага; 2— обкладки; 3 и 4— вкладыши (выводы).
Это является одной из причин, заставляющих выполнять конденсаторы высокого напряжения из последовательно соединенных групп секций. Другим соображением в пользу этой схемы соединений является возможность выполнить секцию с оптимальной толщиной диэлектрика между обкладками и улучшить этим путем ионизационные характеристики конденсатора.
На рис. 1-5 изображена полностью развернутая секция конденсатора типа КМ 6 300 В, 0,83 мкФ, 10,3 кВАр, соединенного по схеме рис. 1-2,б. Расчетные данные секции: 900 В, 1,94 мкФ, 0,49 кВАр.
Конденсаторная секция состоит из двух листов алюминиевой фольги (обкладок секции) и 2п листов конденсаторной бумаги, где п — число листов между обкладками. На рис. 1-5 пунктирными линиями показан контур фольги и сплошными линиями — контур бумаги.
Необходимое число листов конденсаторной бумаги между обкладками определяется расчетным напряжением секции, расчетной напряженностью электрического поля в диэлектрике и толщиной бумаги. Это число уменьшается с уменьшением расчетного напряжения секции, но даже в конденсаторах самого низкого напряжения не может быть менее двух, так как при одном листе наличие в нем проводящей частицы приводило бы к короткому замыканию между обкладками.
При двух листах и наличии проводящей частицы в одном из них напряженность электрического поля в другом листе против проводящей частицы повышается вдвое сравнительно с расчетной напряженностью. Поэтому в силовых конденсаторах напряжением до 500 В прокладывают 3—4 слоя бумаги между обкладками, применяя возможно более тонкую бумагу для снижения ее расхода. При более высоком расчетном напряжении секции число листов бумаги между обкладками увеличивается.
Для электрического соединения секций между собой служат вкладыши (выводы) секций, представляющие собой полоски луженой медной фольги (рис. 1-5). Их вкладывают в секцию при ее намотке таким образом, чтобы каждый вкладыш частью своей поверхности касался обкладки, а другой частью выступал за конец секции. Каждая секция имеет два вывода, расположенных или у одного и того же, или у противоположных концов секции.
В современных конденсаторах типа КМ с номинальным напряжением UK = 3 150—10 500 В расчетное напряжение Uс секции составляет 800—ООО в. В конденсаторах напряжением до 1 050 В Uc равно UK. Расчетная мощность Qс секции в конденсаторах типа КМ составляет около 0,5 кВАр.
Из секций собирается выемная часть конденсатора, которая в конструктивном отношении представляет собой одно целое при любом количестве секций и любой схеме их соединения. Номинальная мощность конденсатора примерно пропорциональна числу секций в выемной части. Общий вид выемной части конденсатора типа КМ первого габарита приведен на рис. 1-6.
Плоские секции располагаются в выемной части параллельно одна другой и сжимаются в один общий пакет металлическими пластинами, стянутыми стальными хомутами. В конденсаторах типа КМ первого габарита плоскости секций вертикальны, а в конденсаторах второго габарита — горизонтальны.
Рис. 1-6. Выемная часть конденсатора типа КМ на номинальное напряжение 3 150 В, состоящая из четырех групп секций.
В зарубежных трехфазных конденсаторах мощностью около 100 кВАр и больше плоские секции иногда группируются в три отдельных пакета, каждый из которых представляет собой отдельную фазу конденсатора. Эти пакеты располагаются или один над другим, или рядом и скрепляются в одну общую выемную часть конденсатора.
В отечественных конденсаторах выемная часть опирается на дно бака и изолируется от дна и стенок несколькими листами кабельной бумаги или электроизоляционным картоном. В зарубежных конденсаторах или применяется такая же конструкция, или, при мощности около 100 кВАр и более, выемная часть крепится к крышке бака подобно выемной части небольших силовых трансформаторов.
Зазоры между выемной частью и стенками бака бывают очень небольшими, особенно при первой конструкции. Уменьшение зазоров снижает расход жидкого диэлектрика, уменьшает размеры бака и улучшает условия охлаждения выемной части.
Вывод токоведущих частей из бака силового конденсатора осуществляется посредством, изоляторов, изготовленных из фарфора или (в немногих зарубежных конструкциях) из стекла. Выводные изоляторы, как правило, монтируются на крышке конденсаторного бака. Только в некоторых западноевропейских конструкциях встречаются конденсаторы с установкой выводных конденсаторов не на крышке, а на боковой стенке бака.
Число выводных изоляторов в трехфазных конденсаторах, как правило, равно трем и в однофазных — двум. Однофазные конденсаторы зарубежного производства иногда имеют только один изолятор. В таких конденсаторах одна обкладка присоединяется к токоведущему стержню выводного изолятора, а другая соединяется с баком конденсатора.
Выводные изоляторы силовых конденсаторов должны удовлетворять тем же требованиям в отношении электрической прочности, что и выводные изоляторы другого электрооборудования для того же номинального напряжения. Конструкция выводных изоляторов и способ установки их должны обеспечивать герметичность конденсаторного бака, которая необходима для надежной работы конденсатора. Для этого должны быть герметичными как соединение изолятора с крышкой бака, так и соединение токоведущего стержня с фарфором изолятора.
Рис. 1-7. Разрез выводного изолятора к конденсатору типа КМ с припаянным металлическим фланцем (кольцом). I — фланец; 2 — припой; 3 — контактный стержень; 4—медная лента для соединения контактного стержня с выемной частью.
Существуют два способа герметизации соединений, а именно — установка изолятора на прокладках из упругого материала, например из пробки или маслоупорной резины, или же припаивание металлизированной поверхности изолятора к металлическому фланцу (кольцу) и фланца — к крышке бака. Второй способ более сложен, так как требует предварительного создания металлизированного пояска на поверхности изолятора, у места соединения с фланцем, но зато дает более надежную герметизацию бака. Поэтому в настоящее время в производстве конденсаторов применяется почти исключительно второй способ.
Изоляторы, устанавливаемые на прокладках, состоят из двух частей. Верхняя часть изолятора находится полностью вне конденсаторного бака, а нижняя — частично вне и частично внутри бака, под его крышкой. Изоляторы, соединяемые с баком путем пайки, выполняются цельными (рис. 1-7).
Баки силовых конденсаторов
Бак силового конденсатора должен удовлетворять следующим важнейшим требованиям.
Швы бака и соединения стенок бака с крышкой должны быть герметическими, чтобы исключить возможность вытекания жидкого диэлектрика и проникновения в бак наружного воздуха.
Конструкция бака должна допускать температурные изменения объема жидкого диэлектрика, находящегося внутри бака, без нарушения герметичности.
Размеры и форма поверхности бака должны обеспечивать достаточное охлаждение конденсатора.
Бак должен иметь приспособление для перемещения конденсатора, а именно — ручки при весе, допускающем его переноску, или же катки и подъемные кольца — при большем весе.
Наружная поверхность бака должна быть защищена от коррозии путем окраски или оцинковки.
Бак должен иметь болт для заземления.
Во всех отечественных конденсаторах и в подавляющем большинстве зарубежных конструкций баки имеют прямоугольную форму и изготовляются из тонкой листовой стали сварными или штампованными. Соединение стенок бака с крышкой в современных отечественных конструкциях выполняется путем сварки. В зарубежных конденсаторах мощностью до 50—100 кВАр применяется сварное соединение, а при большей мощности — преимущественно болтовое.
При сварном соединении легче обеспечить герметичность бака. Недостатком его является сравнительная сложность вскрытия и последующей герметизации бака в случае ремонта конденсатора.
В конструкциях конденсаторов типа КМ, введенных в производство несколько лет назад, весь бак, кроме одной боковой стенки, изготовляется из стального листа путем штамповки. Выемная часть вводится в бак не сверху, а сбоку, после чего к баку приваривается боковая стенка.
В небольшом числе зарубежных конструкций конденсаторы имеют цилиндрические баки.
При изменениях температуры конденсатора объем находящегося в нем масла изменяется в большей степени, чем объем бака с жесткими стенками, так как коэффициент объемного расширения масла примерно в 20 раз больше такого же коэффициента для стали (соответственно 7-10-4 и 36·10-6 град-1). Для сохранения герметичности конденсатора при изменениях его температуры необходима конструкция бака, обеспечивающая возможность изменения объема масла без нарушения герметичности бака. Эта задача решается в различных конструкциях конденсаторов различными способами.
Наиболее простым решением является выполнение бака из тонкой (около 1 мм) стали с примерно одинаковыми размерами бака по длине и высоте и в 2— 3 раза меньшей шириной бака. В этом случае изменение объема бака при изменениях температуры конденсатора происходит вследствие упругой деформации боковых (продольных) стенок бака. Последние играют роль упругих мембран, и изменение объема масла происходит без нарушения герметичности бака. Такова, например, конструкция отечественных конденсаторов типа КМ.
По мере увеличения мощности конденсатора приходится увеличивать толщину стенок бака, чтобы обеспечить его достаточную механическую прочность. Поэтому стенки бака становятся жесткими, и приходится применять другие меры, чтобы объем масла мог свободно изменяться. В некоторых конструкциях конденсаторов внутрь бака помещаются сильфоны или подобные им устройства для компенсации теплового расширения масла. Зарубежные конденсаторы мощностью около 200— 300 кВАр и более снабжаются обыкновенно расширителями (консерваторами), подобными расширителям силовых трансформаторов. Иногда расширители таких конденсаторов имеют упругие стенки из тонкой стали или сильфоны, деформирующиеся по мере изменения объема масла, заключенного в конденсаторе.
Баки отечественных конденсаторов и зарубежных конденсаторов мощностью до 50—400 кВАр имеют гладкие стенки. При большей мощности в зарубежных конденсаторах стенки баков для усиления охлаждения часто выполняются ребристыми.
Зарубежные конденсаторы мощностью около 100 кВАр и более снабжаются иногда масломерным стеклом для контроля уровня масла в баке и карманом в крышке бака для установки термометра, измеряющего температуру масла.
Конденсаторы, предназначенные для подземной установки на угольных шахтах, не опасных по газу или пыли, имеют бак повышенной прочности (Англия). Для большего удобства перемещения под землей бак имеет или полозья, или катки с ребордами, позволяющие перемещать конденсатор по подземным рельсовым путям. Конденсаторы во взрывобезопасном исполнении не выпускаются.
Герметичность бака имеет особо важное значение в случае конденсаторов с повышенным давлением внутри бака, выпускаемых в Швеции. Внутри конденсатора перед его герметизацией создается избыточное давление 3—4 ат, сохраняющееся во время эксплуатации; тем самым повышается напряжение ионизации конденсатора (§ 2-10) и улучшаются условия работы диэлектрика.
