Глава первая
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СИЛОВЫХ КОНДЕНСАТОРАХ
ОСОБЕННОСТИ И КЛАССИФИКАЦИЯ СИЛОВЫХ КОНДЕНСАТОРОВ
Электрический конденсатор, широко применяемый в различных областях науки и техники, представляет собой устройство, состоящее из двух находящихся под разными потенциалами проводников (в силовых конденсаторах — обкладок), разделенных изоляционным материалом или их композицией (диэлектриком) и предназначенное для использования его электрической емкости. Этапы развития конденсаторостроения (в том числе и силового) с момента появления конденсатора (1745 г.) и до середины XX в. изложены в [1.1, 1.11], а становление и развитие силового конденсаторостроения в СССР — в [1.1]. Дальнейшее развитие и совершенствование силовых конденсаторов связано с внедрением в качестве диэлектрика синтетической полимерной пленки на основе изотактического полипропилена. Используя ее, фирма «Дженерал Электрик» с середины 60-х гг. первой начала выпуск более экономичных конденсаторов с бумажно-пленочным диэлектриком. Фирмой «Сименс» разработаны конденсаторы для повышения коэффициента мощности с однослойным пленочным диэлектриком, с обкладками в виде напыляемого на пленку слоя металлизации, обладающие свойством самовосстановления после пробоя диэлектрика. После того как были найдены способы сделать поверхность пленки шероховатой, что обеспечивает диффузию пропитывающей жидкости внутрь секции, были разработаны и начался промышленный выпуск еще более экономичных конденсаторов с многослойным пленочным диэлектриком и обкладками из алюминиевой фольги.
Силовые конденсаторы применяются непосредственно в силовых сетях высокого и низкого напряжений или в силовых устройствах повышенных (до 10 кГц) частот. Они применяются как отдельными единицами, гак и в виде комплектных конденсаторных установок или мощных батарей с параллельнопоследовательным соединением отдельных единиц. Как правило, конденсаторы эксплуатируются в длительном режиме, под воздействием (в зависимости от назначения) разнообразных форм напряжения: синусоидального промышленной или повышенных частот; несинусоидального с постоянной составляющей или без нее; постоянного, а также импульсного с различной формой и частотой повторения импульсов. Изоляция конденсатора работает при высоких напряженностях электрического поля, значительно превосходящих рабочие напряженности в любой другой электротехнической конструкции и сравнительно высокой температуре, обусловленной внутренним тепловыделением. Кроме того, она подвергается воздействию значительных кратковременных перенапряжений. В отличие от конденсаторов, применяемых в радиоэлектронике, связи и т. п., силовые конденсаторы (за исключением нескольких типов) имеют значительные объем и массу, а также большую емкость, реактивную мощность и запасаемую энергию в конденсаторной единице.
Выделение силовых конденсаторов в особую группу в известной мере условно, поскольку нельзя указать точного признака разделения, однако их специфичность подчеркивается определяющим словом силовой в названии. Наличие общих компонентов в изоляции, а также общая конструкция секции и пакета делают создание классификационной системы силовых конденсаторов сложной задачей. Силовые конденсаторы обычно классифицируются в соответствии с областями их применения, режимами работы и конструктивными особенностями. По этим признакам различают конденсаторы для повышения коэффициента мощности в сетях промышленной и повышенных (электротермические) частот, связи, отбора мощности, делителей напряжения, продольной компенсации линий электропередачи, для работы в линиях электропередачи постоянного тока, импульсные и др.
ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ СИЛОВЫХ КОНДЕНСАТОРОВ
Силовой конденсатор состоит из двух проводящих лент (обкладки), разделенных изоляционным материалом или их композицией (диэлектрик). Такая диэлектрическая система обладает электрической емкостью, представляющей собой по ГОСТ 19880-74 скалярную величину, численно равную абсолютному значению отношения электрического заряда одного проводника к разности потенциалов проводников при условии, что проводники имеют одинаковые, но противоположные по знаку заряды и что все другие проводники бесконечно удалены. Физически емкость характеризует способность системы накапливать электрический заряд, который равен произведению емкости на разность потенциалов, и оба эти параметра определяются свойствами и качеством диэлектрика и конструкцией системы.
В силовых конденсаторах в отличие от конденсаторов для радиоэлектроники, связи и т. д. используется ограниченный ассортимент изоляционных материалов, разделяющих обкладки. Ими являются специальная конденсаторная бумага и синтетические полимерные пленки в форме лент, наматываемых в рулоны, что позволяет производить машинную намотку секций. Такой слоистый диэлектрик может состоять только из бумаги — бумажный диэлектрик, чередующихся слоев бумаги и пленки — комбинированный бумажно-пленочный диэлектрик или только из пленки — чисто пленочный диэлектрик. Для устранения воздуха, находящегося между слоями твердых материалов и в порах бумаги, он пронизывается более электрически прочным и имеющим большую диэлектрическую проницаемость изоляционным материалом. Как правило, таким пропитывающим материалом являются электроизоляционные жидкости, имеющие ряд преимуществ — хорошее заполнение, отсутствие усадки и др.— перед пропиткой твердеющими (воски и др.) материалами. В отличие от всегда многослойных (содержащих более одного слоя твердого материала) бумажного или бумажно-пленочного диэлектриков чисто пленочный диэлектрик может быть однослойным.
В качестве обкладок используются алюминиевая фольга (конструкция с фольгой), слой цинка или алюминия, нанесенный на одну сторону бумаги или пленки, образующих диэлектрик (конструкция с металлизированным диэлектриком), двусторонне-металлизированная лента бумаги, у которой обе металлизированные поверхности электрически соединены и электрическое поле в бумаге отсутствует — так называемая мягкая обкладка. Последняя может иметь различные разновидности в исполнении. При прочих равных условиях система с фольгой имеет лучшие тепловые характеристики по сравнению с двумя другими, но последние обладают свойством самовосстановления емкости после пробоя. Это происходит за счет выжигания дугой при пробое небольшого участка металлизации, окружающего место пробоя, практически без перерыва в работе конденсатора. Возможно использование комбинированных обкладок, из которых одна является фольговой, другая — металлизированной [1.12]. Такая система, сохраняя свойства самовосстановления, позволяет улучшить тепловые характеристики.
Основными и наиболее распространенными в высоковольтных силовых конденсаторах являются системы с бумажно- пленочным и пленочным диэлектриками и фольговыми обкладками (рис. 1.1, а, листы бумаги заменены пленкой), имеющие малые потери и позволяющие создавать конденсаторы с высокими удельными характеристиками в широком диапазоне напряжений и частот. Разделение слоев пленки слоями бумаги, являющейся пористой системой и играющей роль фитиля, обеспечивает хорошую пропитку бумажно-пленочного диэлектрика. Применение пленочного диэлектрика стало возможным только после разработки способа обработки поверхности пленки, создающего на ней микрокапиллярную систему, которая обеспечивает пропитку диэлектрика. Необработанные поверхности, слипаясь, нс пропускают пропитывающую жидкость. Рабочие напряженности в бумажном диэлектрике достигают 22 МВ/м, в бумажно-пленочном — 40 МВ/м и в пленочном— более 50 МВ/м (при 50 Гц). Последний позволяет получать удельную характеристику более 6,5 квар/дм3. Диэлектрическая система с мягкими обкладками и полипропиленовой пленкой в один слой в качестве диэлектрика с пропиткой нефтяным маслом (пористая обкладка является фитилем) и металлопленочная (двусторонне-металлизированная полипропиленовая пленка) без пропитки или с частичной пропиткой (только торцов секции) позволяют создать новый тип силового конденсатора — самовосстанавливающийся — с рабочей напряженностью до 70 МВ/м и удельной объемной характеристикой до 9,4 квар/дм3 (для повышения коэффициента мощности и других применений). Мощность потерь в такой системе вдвое ниже потерь в бумажно-пленочном диэлектрике и составляет около 0,05 Вт/квар, вследствие чего их собственный нагрев невелик и они могут быть использованы при более высоких температурах окружающей среды.
Рис. 1.1. Диэлектрические системы с обкладками из фольги (о) и слоем металлизации (б):
1 — алюминиевая фольга; 2 — бумага; 5--пропитывающая жидкость; 4 —пленка; 5— слой металлизации
Рис. 1.2. Диэлектрические системы с мягкими обкладками:
1 — обкладка: 2 — диэлектрик; -- --металлизация (рис. б и в односторонняя металлизация)
Исполнения системы с мягкими обкладками могут быть различными. Исполнение, показанное на рис. 1.2, а, является простейшим. В исполнении на рис. 1.2, 6 бумажная лента металлизируется только с одной стороны; этой стороной она прилегает к металлизированной стороне односторонне-металлизированной пленки активного диэлектрика. На рис. 1.2, в мягкие обкладки и пленки имеют одностороннюю металлизацию, но располагаются так, что между двумя мягкими обкладками находятся две параллельно работающие пленки. Как видно из рис. 1.2, я, ленты металлизируются так, чтобы обкладки одного полюса были у одного края, другого — у другого края ленты.
