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.