Высокочастотные устройства высокого напряжения включают в себя различные коммутационные аппараты. К ним относятся разъединители механической блокировки и заземления цепей высокого напряжения, высоковольтные контакторы, выключатели и переключатели, анодные реле и т.д. Приведем характеристики изоляции этих аппаратов, выполненной с использованием полимерных изоляционных материалов. Отметим также особенности технологических решений при изготовлении указанной изоляции.
Разъединители механической блокировки (РМБ) предназначены для гарантированного отключения цепей питания и заземления элементов устройства по условиям техники безопасности. При этом должны быть обеспечены основные требования: надежность срабатывания всей системы защиты, исключающей попадание человека под высокое напряжение, в частности, наличие видимого разрыва в цепи питания, возможность визуального наблюдения за срабатыванием РМБ.
По системе изоляции РМБ разделяются на два основных вида: стержневые — с большим количеством контактных ламелей на одном диэлектрическом стержне и изоляторные, у которых контактные устройства располагаются на изоляторах.
Для стержневых РМБ могут использоваться керамические стержни или трубки, стержни из полиэтилена и из твердых полимерных диэлектриков.
На керамических стержнях контактные элементы закрепляются хомутами, клеевым способом или ввариваются.
При использовании полимерных диэлектриков ламели и ответные части (губки, гнезда и т.д.) запрессовываются одновременно с изготовлением стержня.
В этих случаях, когда производство не является серийным и изготовление прессформ экономически не оправдано, возможно вваривание нагретых ламелей в полиэтиленовые или пропиленовые стержни или трубы.
Для выравнивания электрических полей форма контактных элементов выбирается с расчетными радиусами кривизны, обеспечивающими допустимую напряженность электрического поля для минимальных расстояний по поверхности стержня и по воздуху между электродами. Особые меры принимаются против образования "газового клина" в зоне тройного сопряжения и отсутствия ПЧР при 17=1,25Uраб.
Стержневые конструкции РМБ применяются при напряжениях до 10—12 кВ. При больших напряжениях обычно применяются изоляторные конструкции.
На рис. 9-10 представлен элемент РМБ, разработанный на основе эпоксидных изоляторов на рабочее напряжение 20 кВ. Высокие электрические и механические свойства эпоксидных изоляторов и большая точность крепежных размеров гарантируют высокую надежность эксплуатации таких РМБ. В конструкции обеспечена достаточно низкая неоднородность электрического поля (kн≤3).
Рис. 9-10. Элемент разъединителя механической блокировки
1 — нож разъединителя; 2 — контактные губки; 3 — изоляторы
Применены малогабаритные опорные изоляторы вместо стандартных стержневых изоляторов. Подобным образом выполнена изоляция высоковольтных контакторов.
В табл. 9-14 приведены массо-габаритные характеристики РМБ и контакторов, выполненных на стержнях и на опорных изоляторах. Сравнение конструкций, ввиду расхождения их технических и электрических характеристик, производится по удельным показателям для одного контакта.
Таблица 9-14
Сравнительные характеристики высоковольтных РМБ и контакторов
Из таблицы видно, что масса и объем на один контакт в 2 и более раз меньше в случае применения малогабаритных опорных изоляторов. С учетом разницы в напряжениях, которые для рассмотренных изоляторных систем в 2—3 раза больше, эти показатели возрастают еще значительнее.
Система изоляции коаксиальных выключателей или переключателей состоит из внешней трубы с встроенной по ее периметру контактной системой и из внутренней трубы с закрепленным на ней замыкателем в виде штока. Нижняя часть внутренней диэлектрической трубы соединяется с приводом штока, являющемся «землей» (рис. 9-11).
Система изоляции обеспечивает заданную электрическую прочность между верхней и нижней контактной системой с их выводами и выключенного штока относительно контактной системы, находящейся под высоким напряжением.
Рис. 9-11. Выключатели коаксиального типа: горячего формования (а) и сварные (б)
1 — тело изолятора; 2 — контактное устройство; 3 — электростатический экран; 4 — шток; 5 — сварное соединение; 6 — соединение горячего формования
Преимущество коаксиальной системы изоляции заключается в минимальном количестве деталей, пылезащищенности конструкции и ее большей электрической и механической прочности. Появляется возможность простыми конструктивно-технологическими приемами выравнивать электрическое поле и надежно в механическом отношении закреплять контактную и штоковые части конструкции в теле их изоляторов, которыми являются диэлектрические трубы.
Сама конструкция контактного устройства допускает простую систему экранирования ламелей, находящихся в теле этого устройства и создания внешних экранов, обеспечивающих перекрытия не по поверхности, а по воздуху.
В качестве диэлектрических материалов рассматриваются эпоксидный компаунд, керамические, стеклоэпоксидные и полиэтиленовые трубы.
Эпоксидные компаунды обладают высокой адгезией к металлической арматуре, особенно к алюминиевой (у компаундов a'=30x10-6 1/град, у алюминия a'=30·10-6 1/град), большой механической прочностью и устойчивостью к ударным нагрузкам при включениях, малыми допусками по всем конструктивным размерам, легкостью придания компаунду необходимой формы.
К отрицательным свойствам использования эпоксидного компаунда следует отнести возможность эксплуатации при частоте только до 50—100 кГц, сложность оснастки, энергоемкость технологического процесса приготовления компаунда, его заливки, вакуумирования, полимеризации и остывания.
Альтернативным способом при серийном изготовлении выключателей с эпоксидной изоляцией может служить метод АГД.
Керамические трубы в качестве полуфабрикатов для коаксиальных выключателей лишены указанных выше недостатков. Однако большие допуска по овальности и толщине труб, их большая масса и сложность подгонки размеров полированием для соблюдения соосности контактного и штокового устройств — делают применение их весьма трудоемким. Препятствием для применения керамики является также ее недостаточная ударная прочность, усложняющая условия транспортировки и монтажа.
Стеклоэпоксидные трубы, обладая теми же недостатками, что и керамические по форме и допускам, имеют меньшую массу, превосходят их в технологии подгонки размеров и сохранения их в процессе эксплуатации, механической прочности и надежности приклейки к ним металлического контактного устройства или других деталей. Однако такие трубы нуждаются в защитном изоляционном покрытии для повышения влагостойкости и короностойкости. Они имеют ограниченное применение по частоте примерно до 100 кГц.
Коаксиальным выключателям с полиэтиленовой изоляцией присущи недостатки конструкций на основе стеклоэпоксидных труб, в частности, по короностойкости. Кроме того, они имеют меньшую механическую прочность. Однако, как показывают расчеты и опыт эксплуатации, механические нагрузки в выключателях не приводят к деформациям и заметному снижению механической прочности полиэтиленовых труб.
Преимуществом коаксиальных полиэтиленовых выключателей является их технологичность, основанная на креплении арматуры сваркой или тепловым формованием и возможность эксплуатации в любом, в том числе и в мегагерцевом диапазоне частот.
Сварной вариант конструкции изготавливается на стандартном оборудовании, используемом для центрирования и сварки полимерных труб. Металлическая арматура в виде контактного устройства надежно фиксируется в выточенных пазах между двумя сваренными трубами.
Слабой стороной такой конструкции может явиться наличие воздушных включений и отслоений между контактными устройствами, находящимися под высоким напряжением, и полиэтиленом, т. е. в районе максимальной напряженности электрического поля.
Для исключения воздушных включений более благоприятной является технология армирования на основе теплового формования. Как видно из рис. 9-11,б, формование осуществляется внутри экранной части арматуры, где сама форма металлической канавки экранирует отформованную часть полиэтилена. В зоне тройного сопряжения, опасной для возникновения Eмах и газового клина, при формовании образуется грат, который одновременно свидетельствует о заполнении канавки и исключает возникновение газового клина.
Испытания выключателей на напряжение 20 кВ, выполненных с закреплением арматуры методом теплового формования, показали, что для выключателя на рабочее напряжение 25 кВ при частоте 50 Гц и 25 кГц пробой происходил между участками конструкции по воздуху (между штоками и контактной системой, между контактными системами и другими участками) при напряжениях от 45 до 50 кВ и более. Для выключателя на напряжение 35 кВ и частоту 25 кГц перекрытие происходит также по воздуху при напряжении 65 кВ, т.е. таким образом обеспечен практически двойной и более запас по электрической прочности.
Возможен вариант приваривания к телу изолятора арматуры из полуприводящего материала.
Итак, выполнение коаксиальных выключателей и переключателей с полиэтиленовой и стеклоэпоксидной изоляцией имеет следующие преимущества: электрическое поле имеет малую неоднородность, его выравнивание обеспечивается самой контактной арматурой; механические напряжения в изоляции равномерно распределены по сечению трубы. Сварка полиэтиленовых или склейка клеем К-400 стеклоэпоксидных конструкций с течением времени вносят незначительные и несущественные изменения в изоляцию; нормальная составляющая напряженности электрического поля внутри меньше, чем на наружной поверхности, а форма электростатического экрана обеспечивает перекрытие при расчетных значениях по воздуху, а не по поверхности; поверхность тела изолятора не содержит выступов и заглублений; количество деталей минимальное. Для системы изоляции используются серийно выпускаемые промышленностью диэлектрические трубы, а сборка осуществляется сваркой или склейкой, благодаря чему достигается минимальная трудоемкость.
Для системы изоляции и привода вакуумного выключателя на напряжение 25 кВ разработана дополнительная изоляция корпуса и штока относительно заземленных элементов конструкции на напряжение 50 кВ. Механическое усилие на приводе около 1 кг, ход штока 2—3 мм.
На рис. 9-12 представлен общий вид вакуумного выключателя на напряжение 50 кВ.
Арматура внешнего цилиндра и его тело, выполненное из стеклоэпоксидной трубы имеют в отличие от аналогичных изоляторов отверстие для прохода штока привода. Перекрытие по воздуху между верхней и нижней арматурой происходит при напряжении около 100 кВ.
Возможно выполнение систем изоляции вакуумных выключателей из полиэтиленовых или полипропиленовых трубок с заменой металлической арматуры полупроводящим материалом. Крепление таких электродов на теле изолятора осуществляется сваркой.
На рис. 9-13 приведено схематическое изображение анодно-максимального реле на основе герконов. Положительной особенностью такого реле по сравнению с существующими является отсутствие движущихся механических деталей. Включение его осуществляется при броске тока, проходящего через обмотку, включенную в анодную цепь.
Рис. 9-12. Вакуумный выключатель с системой изоляции привода
Конструктивно реле выполнено на основе металлической трубки, которая несет основную механическую нагрузку, служит короткозамкнутым витком и креплением для всего реле. Трубка залита в эпоксидный компаунд, имеющий снаружи металлизированную канавку с уложенной в ней обмоткой. Коэффициент неоднородности электрического поля 1,6. Рабочее напряжение 20 кВ. Реле перекрывается при напряжении 50 кВ.
Рис. 9-13. Реле анодное максимальное на основе геркона: 1 — металлическая трубка; 2 — эпоксидная изоляция; 3 — вывод обмотки; 4 — обмотка; 5 — геркон
