Газовая и вакуумная изоляция

Применение газовой изоляции дает ряд преимуществ по сравнению с твердыми и жидкими диэлектриками. В частности, газовая изоляция отличается очень малыми диэлектрическими потерями и практически не изменяет своих свойств в процессе эксплуатации. Применение ее приво­дит к резкому снижению массы конструкции. В ряде случаев конструкция устройства упрощается и становится пожаробезопасной.

При увеличении давления электрическая прочность элегаза (ЗР^) и воздуха становится выше электрической прочности твердых и жидких диэлектриков, например, минерального масла (рис. 15.8).

Рис. 15.8. Зависимость пробивного напряжения V от расстояния между электродами/.:

/ — воздух, р = 2,9 МПа; 2 — элегаз, р = 0.7 МПа; 3 — трансформаторное масло: 4 — воздух при атмосферном давлении

Газы, используемые для изоляции установок высокого напряжения, должны быть химически стойкими в электрическом разряде и не должны выделять химически активных веществ; быть инертными и не вступать в реакции с материалами, в сочетании с которыми они применяются; обла­дать низкой температурой сжижения, допускающей их применение при повышенных давлениях, и высокой теплопроводностью. Помимо этого они должны быть негорючими и нетоксичными и иметь невысокую стоимость.

В настоящее время основной областью применения элегазовой изоля­ции являются комплектные распределительные устройства (КРУЭ) на напряжение ПО—220 кВ, наибольшее рабочее давление элегаза в которых 0,3 МПа. Жесткость изоляционной конструкции с газом придают вставки, распорки и другие элементы, выполненные из твердых диэлектриков. Электрическая прочность такой комбинированной изоляции определяется напряжением перекрытия по поверхности твердого диэлектрика.

Если исключить плохой контакт изолятора с электродом и выровнять поле, придав изолятору соответствующую форму или использовать внут­ренний экран, то удается в некоторых случаях получить разрядные напря­жения по поверхности изолятора, близкие по значениям к пробивному напряжению чисто элегазового промежутка.

Промежутки, для которых произведение давления газа на межэлектрод­ное расстояние лежит в пределах 0,01—0,2 кПа-см, считаются вакуум­ными промежутками. Возникновение разряда в них определяется практи­чески только процессами на электродах. А интенсивность процессов на электродах — образование на них новых ионов и электронов, необходи­мых для развития разряда, зависит от энергии бомбардирующих их час­тиц. Поэтому в коротких промежутках, пробивное напряжение которых менее 100 кВ, электрическая прочность вакуумной изоляции может быть выше, чем газовой изоляции. При более высоких напряжениях энергия беспрепятственно ускоряемых в вакууме заряженных частиц достаточна для интенсивного освобождения новых ионов и электронов с поверхности электродов и пробивное напряжение промежутка перестаёт увеличи­ваться с ростом расстояния между электродами. Поэтому длинные ваку­умные промежутки секционируют таким образом, чтобы приходящееся на одну секцию напряжение не превышало 100 кВ. Промежуток длиной 10 см из 10 секций по 1 см может выдержать напряжение 1 МВ. Такой же промежуток без секционирования не выдержит и 200 кВ.

Вакуумная изоляция используется в установках и приборах, где вакуум является рабочей средой. Это — ускорители, космические двигатели, электростатические сепараторы, электровакуумные приборы. Вакуумная изоляция применяется также в конденсаторах на 20—50 кВ, в выключате­лях, вакуумных разрядниках и реле. Использование вакуумной изоляции в выключателях представляет интерес благодаря быстрому восстановле­нию электрической прочности промежутка после пробоя (10³—10⁴ с); применение вакуумной изоляции в искровых реле позволяет получать

хорошие временные характеристики реле: нестаоильность времени сра­батывания меньше 10 не.

Недостатком вакуумной изоляции являются конструктивные слож­ности получения высокого вакуума и сложная технологическая обработка токоведущих частей.

Твердая изоляция

Одной из особенностей твердой изоляции является возможность ее теплового пробоя вследствие затрудненного теплоотвода. Поэтому твер­дые диэлектрики должны обладать малыми диэлектрическими потерями, высокой нагревостойкостью и хорошей теплопроводностью.

В качестве твердой изоляции могут применяться:

неорганические материалы (электрофарфор, стеатит, стекло и стекло­текстолит, слюдяные изделия, асбест). Чаще всего эти материалы приме­няются для изоляции электрических машин относительно невысокого напряжения или в конструкциях аппаратов высокого напряжения при небольшой средней напряженности поля в твердой изоляции;

органическая изоляция, которая создается на основе целлюлозы, син­тетических материалов или каучука. Основным недостатком изоляции на основе целлюлозы являются ее высокая гигроскопичность и низкая нагре-востойкость. Для уменьшения гигроскопичности бумагу пропитывают лаками и смолами. Пропитанные термореактивной бакелитовой смолой и спрессованные листы бумаги после термообработки образуют монолит­ный материал с высокими механическими свойствами, называемый гети-наксом. Если же такой обработке подвергается хлопчатобумажная ткань, то получаемый материал называют текстолитом;

большой класс твердых изоляционных материалов — синтетические полимерные диэлектрики. Термопластичные материалы, размягчающиеся и плавящиеся при нагреве до нескольких сотен градусов, применяются для изготовления прессованных изделий и тонких пленок, полиэтилен нашел применение в качестве изоляции силовых кабелей и конденсаторов;

компаунды на основе эпоксидной смолы, которые являются термореак­тивными материалами. После нагрева они теряют пластичность, затверде­вают и становятся нерастворимыми. Они используются для изготовления литой изоляции трансформаторов, аппаратов высокого напряжения, гер­метизированных распределительных устройств, генераторов и электри­ческих машин.