Изоляция конденсаторов

Изоляция конденсаторов служит не только собственно изоляцией, но является также носителем электрического поля, энергия и мощность которого используются в электрической установке. Чем больше напряженность электрического поля в изоляции, тем ближе его обкладки и выше емкость, а поэтому и больше удельная мощность конденсатора, выраженная в киловольт-амперах реактивных (квар). Удельная мощность конденсатора увеличивается также с повышением диэлектрической постоянной изоляции ε'. Связь удельной реактивной мощности конденсатора с Е и ε' выражается соотношением

(8.1)

где k — коэффициент пропорциональности.

С другой стороны, надежность изоляции снижается с увеличением напряженности поля Е; материалы же с высокой пробивной электрической прочностью имеют относительно невысокие ε' (~2—4). Таким образом, условия повышения удельной мощности конденсатора противоположны условиям повышения изоляционной надежности конструкции. Это противоречие разрешается применением наиболее высококачественных материалов. В конденсаторах применяется бумажно-масляная изоляция с конденсаторной бумагой высокой плотности толщиной от 5 до 30 мкм. Такая бумага обладает высокой механической и электрической прочностью и повышенным ε'. С уменьшением толщины бумаги электрическая прочность бумажно-масляной изоляции повышается. Для пропитки применяется конденсаторное масло, отли­чающееся высокой степенью очистки. Диэлектрическая постоянная ε' бумажно-масляной конденсаторной изоляции составляет примерно 3,8.

Для пропитки бумаги применяется также совол, имеющий ε'≈5. Соволовые конденсаторы имеют на 35—40% сниженный вес. Недостатком совола является токсичность его паров.

Конденсаторы состоят из отдельных секций, соединяемых для получения необходимой емкости параллельно и последовательно. Секции бывают рулонного и пакетного типов.

Конденсатор первого типа представляет собой рулон из бумажных лент с проложенными между лентами электродами из алюминиевой фольги (рис. 8.5). Намотка рулона производится на станках, после чего он сплющивается для придания секции плоской формы. Такие секции располагаются наиболее компактно в корпусе конденсатора. Емкость одной секции

(8.2)

где I — длина электрода, размеры and указфы на чертеже. Так как обе стороны электрода являются активными, в формулу входит множитель 2.

Конструкция пакетной секции показана на рис. 8.6 Эта конструкция допускает применение кабельной бумаги (в рулонных секциях кабельная бумага лопается при опреосовке секции). Секции конденсаторов помещаются в металлический или фарфоро­вый корпус, залитый маслом. В металлическом корпусе вывод концов конденсатора осуществляется через проходные изоляторы.

Рис. 8.5 – Плоскопрессованная рулонная секция конденсатора. а — общий вид; б — элемент секции; 1 — электрод из фольги; 2 — бумага; 3 — выводы; а — ширина электродов; d — толщина диэлек­трика; δ — ширина закраин.

Диэлектрические потери в конденсаторах выражаются формулой

(6.3)

Вследствие большой емкости С потери в конденсаторах также относительно велики. Теплоотвод из конденсаторов осуществляется по электродам — фольге в направлении к торцам секции и далее через масло к металлическому корпусу. Улучшение теплоотвода достигается присоединением фольги к металлическому корпусу конденсатора. В конденсаторах с фарфоровым корпусом условия теплоотвода ухудшаются, что ограничивает применение таких конденсаторов относительно небольшими емкостями (конденсаторы связи или емкостных трансформаторов напряжения).

Рис. 8.6 – Эскиз секции конденсатора пакетного типа

В бумажно-масляной изоляции выражен кумулятивный эффект, заключающийся в накоплении необратимых дефектов при частичных разрядах. Исследования Ю. С. Пинталя (МЭИ) показали, что в конденсаторах переменного напряжения начальные частичные разряды возникают на краях электродов (обкладок), что свидетельствует об образовании начальных электронов вследствие автоэлектронной эмиссии.

Напряженность поля начальной ионизации E_н.и определяется выражением

, кВ/мм (6.4)

где δ_и — толщина изоляции между обкладками, мм; коэффициенты 1,85 и 1,60 относятся соответственно к конденсаторной бумаге КОН-1 и КОН-2.Обычно значения E_н.и (на краях обкладок) лежат ниже рабочих напряженностей Е_раб и, следовательно, начальные частичные разряды под­держиваются в течение всего срока службы изоляции. Возникающие при частичных разрядах мельчайшие газовые включения растворяются в масле и распределяются с течением времени по всей изоляции. Этому способствует пульсация давления в масляных прослойках между обкладками вследствие действия между ними электростатических сил.

Растворение газа в масле приводит к постепенному снижению элек­трической прочности изоляции; изоляция стареет. Срок службы изоляции τ( лет) зависит от отношения Е_раб/Е_н.и и может быть оценен по теоретической формуле

(8.5)

Коэффициент Т₀ для изоляции нормального исполнения можно принять 150–200. Расчеты по формуле (8.5) позволяют выбирать изоляцию конденсаторов, исходя из технико-экономических предпосылок.

Внутренние перенапряжения приводят к напряженностям в изоляции, близким к Е_кр.и. Поэтому конденсаторы, подвергающиеся относительно частым внутренним перенапряжениям, например конденсаторы продольной и поперечной компенсации, выполняются с более низкими рабочими напряженностями.

На выбор Е значительное влияние оказывает вид рабочего напряжения. Для конденсаторов постоянного напряжения, в которых явления ионизации проявляются в слабой форме и диэлектрические потери исчезающе малы, рабочие напряженности могут быть резко увеличены по сравнению с напряженностями для конденсаторов переменного напряжения 50 гц. С другой стороны, для конденсаторов повышенной частоты рабочие напряженности должны снижаться примерно пропорционально 1/f^1/3.

В электрических установках применяются следующие типы высоко­вольтных конденсаторов:

1) конденсаторы переменного напряжения (50 гц), служащие для улучшения cosφ потребителя (косинусные конденсаторы), генерирования реактивной мощности вдали от потребителя и для установок продольной компенсации. Корпус металлический. Допускаемые рабочие напряженности для косинусных конденсаторов 12—14 кВ/мм, для конденсаторов продольной и поперечной компенсации 7—10 кВ/мм;

2) конденсаторы связи, емкостных трансформаторов напряжения, делителей напряжения на выключателях. Все эти конденсаторы имеют относительно малую емкость. Корпус фарфоровый. Рабочие напряженности 7—8 кВ/мм;

3) конденсаторы для электропередач постоянного тока, работающие при выпрямленном напряжении, с составляющей (до 10%) переменного напряжения повышенной частоты. Рабочие напряженности 30–40 кВ/мм;

4) конденсаторы постоянного напряжения импульсные, предназначенные для работы в лабораторных схемах. Корпус конденсаторов металлический, фарфоровый или бакелитовый. Рабочие напряженности до 100 кВ/мм. Испытания конденсаторов переменного напряжения проводятся повышенным напряжением рабочей частоты. Вследствие высокой емкости конденсаторов для испытания требуются испытательные трансформаторы большой мощности. При отсутствии таких трансформаторов практикуется испытание постоянным напряжением до 5U_ном.