3.4. Изоляция силовых конденсаторов

Общие сведения. Силовые конденсаторы используются в цепях электроэнергетических установок, где осуществляется преобразование и передача больших мощностей или накопление больших количеств энергии. Они применяются в силовой электротехнике для улучшения коэффициента мощности, в технике связи, импульсной технике, ядерных исследованиях, электроразрядных и плазменных технологиях.

Расчет конденсатора заключается в том, чтобы по заданным значениям электрических характеристик определить наиболее оптимальные размеры и срок службы конденсатора.

3.4.1. Расчет емкости конденсаторов

Отношение заряда Q, накопленного на пластинах, к напряжению U, приложенному к ним, называют емкостью конденсатора

, Ф, (3.7)

где Q – в Кл; U – в В.

На практике часто пользуются единицами меньшими, чем фарада.

1 Ф = 10⁶ мкФ = 10¹² пФ.

Емкость плоского конденсатора (рис. 3.21, а) можно определить из формулы

, Ф, (3.8)

где S – активная площадь обкладок (S = bl), см²; d – толщина диэлектрика, см;  – относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика; ₀ – диэлектрическая проницаемость вакуума, Ф/см; b и l – ширина и длина обкладки, см.

Ф/см. (3.9)

Емкость цилиндрического конденсатора (рис. 3.21, б) определяется по формуле

, Ф, (3.10)

где l – активная длина обкладок, см; R₁, R₂ – внутренний и наружный радиусы электродов, соответственно, см.

При использовании тонких диэлектриков, поставляемых в рулонах (конденсаторная бумага, пленки), для получения больших значений емкости применяется спиральная намотка (рис. 3.22). В этом случае работают обе ленты диэлектрика и емкость конденсатора

, пФ, (3.11)

где b и l – ширина и длина фольги, см; d – толщина диэлектрика, см.

а) б)

Рис. 3.21. К определению емкости конденсатора: а – плоский конденсатор; б – цилиндрический конденсатор

Применение секций со спиральной намоткой позволяет значительно сократить расход алюминиевой фольги при производстве конденсаторов. Секции наматывают на специальных станках либо на цилиндрическую оправку и после снятия с оправки прессуют (плоскопрессованная секция), либо на жесткий изоляционный цилиндр (цилиндрическая секция).

Рис. 3.22. Эскиз секции со спиральной намоткой: Д₀ – диаметр оправки; b – ширина закраины

3.4.2. Характеристики основных материалов, применяемых в высоковольтных конденсаторах

В технике сильных токов и высоких напряжений, а также в энергетических установках для повышения коэффициента мощности используются конденсаторы с бумажной изоляцией, пропитанной минеральным (конденсаторным) маслом, жидкостями растительного происхождения (касторовое масло – для импульсных конденсаторов) или синтетическими жидкостями (совол, совтол, трихлордифенил, фенилксилиэтан и др.) [2].

Достоинствами хлорированных дефинилов (совол, совтол, трихлордифинилов) являются более высокие , повышенная стойкость к воздействию частичных разрядов, негорючесть. Однако эти жидкости являются токсичными и экологически опасными. Поэтому масштабы применения хлорированных дефинилов сокращаются и их заменяют на более безопасные жидкости (дибутилфтилат, фенилксилилэтан и др.).

Для изготовления таких конденсаторов обычно используется конденсаторная бумага, которая отличается весьма малой толщиной (5…30 мкм), высокой плотностью и небольшим содержанием неорганических загрязнений. Отечественная бумага выпускается двух видов: обычная конденсаторная бумага – КОН и бумага с улучшенными диэлектрическими свойствами – СИЛКОН. Обычную бумагу изготавливают двух марок: КОН-I ( = 2,2) плотностью 1 г/см³ и КОН-II ( = 2,9) плотностью 1,2 г/см³. Улучшенная бумага СИЛКОН имеет плотность 0,8; 1,0 и 1,2 г/см³.

В последнее время для улучшения характеристик диэлектрика (повышения электрической прочности и напряжения начала частичных разрядов, уменьшения диэлектрических потерь) используют комбинированную бумажно-пленочную изоляцию. В этом случае бумажные слои выполняют роль фитиля, который втягивает пропитывающую жидкость в прослойки между пленками и обеспечивает хорошую пропитку и отсутствие газовых включений в изоляции.

Из полимерных пленок для конденсаторов промышленной и повышенной частоты (до 10 кГц) применяется полипропиленовая пленка (Е_пр = 180…190 кВ/мм; tg = (2…3)10^–4;  = 2,25) и для импульсных конденсаторов – полиэтилентерефлатная (лавсановая) пленка (Е_пр = 160 кВ/мм; tg = (4…20)10^–3;  = 3,2).

В качестве обкладок в конденсаторах чаще всего используется металлическая фольга из алюминия толщиной d_Ф = 7…12 мкм. Для перемычек между секциями и для выводов конденсатора применяется медная фольга толщиной 0,3…0,5 мм.

Для изготовления щек, хомутов и корпусов конденсаторов используют отожженную и протравленную (для удаления окалины) тонколистовую сталь толщиной 1…2 мм, называемую декапированной.

Для изготовления конденсаторов в изоляционном корпусе используется фарфор, бакелит, винипласт, стеклопластик и другие материалы.