7 Дәріс Электр қондырғыларының ішкі оқшауламасының түрлері
Дәріс мақсаты:
Дәріс мазмұны:
1. Ішкі оқшауламаның жалпы сипаттамалары
2. Ішкі оқшауламаның түрлері және оларды дайындауға қолданылатын материалдар
3. Электр өрісін реттеудің есептері.
4 Тесіп өтудің негізгі үрдісі.
5 Май ішіндегі қатты диэлектрик бетінің бойындағы разрядтар.
1. Ішкі оқшауламаға трансформаторлар мен электр машиналарының орамаларының оқшауламасы, кабельдердің, конденсаторлардың оқшауламалары, кірістердің герметикалық түрдегі оқшауламасы, ажыратулы күйдегі ажыратқыштардың түйіспелері арасындағы оқшаулама, яғни қоршаған ортадан корпуспен, қаптаулармен, бакпен және т.б. герметикалық оқшауланған оқшаулама жатады. Ішкі оқшаулама әртүрлі диэлектриктердің (сұйық және қатты, газтәріздес және қатты) комбинациясы ретінде жасалады.
Электрлік қондырғының ішкі оқшауламасының ерекшелігі оның ескіруі, яғни эксплуатация процесінде электрлік сипаттамаларының нашарлауы. Диэлектрлік шығын әсерінен оқшаулама қызады. Оқшауламаның шамадан тыс қызуы жылулық тесіп өтуге әкеледі. Газды қосылуларда пайда болатын ішінара разрядтар әсерінен оқшаулама бұзылады және ыдырау өнімдерімен ластанады. Қатты және аралас оқшауламаның тесілуі – қайтымсыз, электрлік қондырғының істен шығуына әкелетін құбылыс. Сұйық және ішкі газдық оқшаулама өздігінен қалпына келеді, бірақ олардың сипаттамалары нашарлайды. Эксплуатация процесінде пайда бола бастаған ақауларды дер кезінде тауып, электрлік қондырғының апаттық істен шығуының алдын алу үшін кезінде ішкі оқшаулама күйін үнемі бақылау қажет.
Ішкі оқшауламаның жалпы қасиеттері
Ішкі оқшаулама деп оқшауламалық конструкцияның оқшаулаушы орта ретінде сұйық, қатты және газтәріздес диэлектриктерді немесе оның атмосфералық ауамен тура түйісуі болмайтын комбинациясын айтады.
Ішкі оқшауламаны қолдану қажеттілігі бірнеше себептермен түсіндіріледі. Біріншіден, ішкі оқшауламаға арналған материалдар жоғары электрлік беріктікке ( 5-10 есе және одан жоғары) ие болады, бұл өткізгіштер арасындағы оқшауламалық арақашықтықты күрт қысқартуға және қондырғының габаритін азайтуға мүмкіндік береді. Бұл экономикалық тұрғыдан тиімді. Екіншіден, ішкі оқшауламаның жеке элементтері өткізгіштерді механикалық бекіту функциясын орындайды, сұйық диэлектриктер кей жағдайда бүкіл конструкцияны салқындату жағдайын жақсартады.
Жоғарывольтті конструкцияларда ішкі оқшаулама элементтері экплуатациялау кезінде күшті электрлік, жылулық және механикалық әсерлерге ұшырайды. Бұл әсерлерден оқшауламаның диэлектрлік әсерлері нашарлайды, оқшаулама «ескіреді» және электрлік беріктігін жоғалтады.
Жылулық әсерлер қондырғының активті бөліктеріндегі (өткізгіштерде және магнитөткізгіштерде) жылу бөлінулермен, сол сияқты оқшауламаның өзіндегі диэлектрлік шығындармен түсіндіріледі. Температура жоғарылауынан оқшауламадағы химиялық процестер жеделдетіледі де оның біртіндеп қасиеттерінің нашарлауына апарып соғады.
Механикалық жүктемелердің ішкі оқшауламаға қауіптілігі оның құрамына кіретін қатты диэлектриктерде микрожарықтар пайда болуымен, содан соң күшті электр өріс әсерінен пайда болған ішінара разрядтардан оқшауламаның ескіруінің жеделдеуімен түсіндіріледі.
Ішкі оқшауламаға әсер ететін сыртқы әсерлердің ерекше түрі қоршаған ортамен ұшырасумен және қондырғының герметикалылығы бұзылуынан оқшауламаның ылғалдануымен түсіндіріледі. Оқшауламаның ылғалдануы диэлектрлік шығындардың өсуіне, кедергінің күрт азаюына әкеледі.
Жоғары кернеу әсерінен болатын тесілуден ішкі оқшаулама толық немесе ішінара электрлік беріктігін жоғалтады. Ішкі оқшауламаның көптеген түрлері қайта қалпына келмейтін топқа жатады, тесілуі конструкцияның қайтымсыз ақауға ұшырауын білдіреді. Бұл ішкі оқшаулама жоғары деңгейлі электрлік беріктікке ие болуы тиіс дегенді білдіреді
Күштік трансформаторлардың оқшауламасы. Металдан жасалған бакты күштік трансформаторлардың оқшауламасы сыртқы және ішкі болып бөлінеді. Сыртқы оқшаулама кірістер арасындағы ауалық аралықтардан, кірістер мен жерлестірілген бактың арасынан, сонымен бірге, кірістердің фарфорлық қақпақтарының беттерінен құралады. Ішкі оқшауламаға бак ішіндегі оқшауламалық аралықтарды: орамалардың, кірістердің, шығыстардың және көмекші құрылғылардың майлы бөліктерінің оқшауламасын жатқызады.
Орамалардың оқшауламасын бас және бойлық деп бөледі. Бас оқшаулама орамалар арасында, орамалар мен магниттік өзекше арасында, екі көршілес стерженьнің сыртқы орамалары арасындағы фазааралық оқшаулама мен бак қабырғасының сыртқы оқшауламасы араларынан құралады. Бойлық оқшауламаға орамдар арасындағы оқшауламалық аралықтар, орамдар қабаттарының арасын және бір ораманың орам қабаттарының арасын жатқызады. 220 кВ дейінгі кернеуде бас және бойлық оқшауламалардың габариттері атмосфералық асқын кернеумен анықталады. Оқшауламаның конструкциясы трансформатордың активті бөліктерін суытуды қамтамасыз етуі тиіс.
Бас оқшаулама көбінесе импульстік электрлік беріктігі жоғары және орамалар мен магниттік өткізгішті тез суытумен қамтамасыз ететін майлы барьерлік түрде орындалады. Бұл оқшаулама электротехникалық картоннан жасалған барьерлі трансформаторлық май болып табылады. Мұндай оқшауламаның жалпы бейнесі 3.1-суретте көрсетілген. Барьерлер жиынтығы үш негізгі түрден тұрады: цилиндрлік барьер, жалпақ шайба және бұрыштық шайба.
Барьерлер үлкен бір майлы аралықты бірнеше кіші аралықтарға бөледі, бұл жалпы тесіп өту кернеуін ұлғайтады. Тиімдірек болу үшін барьерлер электр өрісінің күштік сызықтарына перпендикуляр орналасуы тиіс.
Майдың айналуын (циркуляция) қамтамасыз ету және жылуды әкету үшін екі негізгі түрдегі майлы каналдар тұрғызылады (3.2-сурет):
3.1-сурет. Трансформаторлар орамаларының бас оқшауламасының жалпы түрі
• цилиндрлік барьерлер арасындағы және барьерлер мен орамалар арасындағы тік тақтайшалар көмегімен жасалған тік каналдар;
• тік тақтайшаларды бекітуге арналған көлденең төсеніштер көмегімен жасалған орамдар арасындағы көлденең каналдар.
Кернеуі 35 кВ және 110 кВ транформаторлардың бас оқшауламасының сипатты құрылымы 3.3-суретте көрсетілген.
3.2-сурет. Майлы каналдардың тік және көлденең қималары
220 кВ және одан жоғары трансформаторларда көбінесе кірісті ораманың ортасына келтіреді, бұл ораманың шетіндегі кернеуді азайтады.
Күштік трансформаторлардың бойлық оқшауламасы, әдетте, сымды электроқшауламалық қағаз қабатымен орау арқылы жасалады.
3.3-сурет. Кернеуі 35 кВ (а) және 110 кВ (б) транформаторлардың бас оқшауламасы
Майбарьерлік
оқшауламада электрлік аса жүктелгені
майлы қабаттар болады, өйткені, электрлік
картонның диэлектрлік өтімділігі
шамамен 4, ал майдікі
≈
2.2, оған қоса майдың электрлік беріктігі
электрлік картондікіне қарағанда 3-4
есе
аз.
Майбарьерлік оқшауламаның бұзылуы май каналындағы тесіп өтуден басталады, сол тесіп өту болған жерде электрлік картонның немесе қағаздың электрлік беріктігін азайтатын қалпына келмейтін ақаулары пайда болады. Осыны болдырмау үшін майлы каналдағы электр өрісінің жұмыстық кернеуін 2,5 кВ/мм-ден 5 кВ/мм-ге дейін қабылданады.
Жоғары кернеу кірістерінің оқшауламасы. Жоғары кернеудің өтпелі оқшаулатқыштарының, яғни кірістердің үлкен кернеулікті электр өрісі бар электродтары қолайсыз орналасқан болып келеді. Ең көп электр өрісінің кернеулігі оқшаулағыш шетінде байқалады, осы жерде тәждің, тесіп өтуге әкелетін сырғымалы разрядтардың пайда болуы мүмкін. Пайдалану кезінде оқшаулатқыштың қауіпті механикалық жүктемеден майысуы жиі кездеседі. Одан басқа, оқшаулатқышқа ток өтетін бөліктердің қызуы мен оқшаулағыш денедегі диэлектрлік шығынның есебінен жылулық жүктемелер әсер етеді.
3.4-сурет. Өтпелі оқшаулатқыштың сұлбалық бейнесі
Электр өрісін біртегіс ету үшін конденсатор типті конструкциялар қолданылады, ол үшін металдан жасалған қатпарлар (обкладки) көмегімен оны орау кезінде оқшауламаға салу арқылы оқшауламалық конструкция бойымен кернеу таралуы еріксіз түрде жасалады (3.5-сурет). Мұндай конструкция кірістің талап етілетін өлшемін, әсіресе диаметрін азайтады, осылайша жылу шығару мүмкіндігі жақсарады. Көбінесе, конденсатор типті оқшаулатқыштар электр өрісі кернеулігінің аксиалды (бойлық) құраушысының тұрақтылығын қамтамасыз ете алатындай етіп жасалады. Ол үшін оқшаулама қабатының қалыңдығын таңдағанда, қатпарлар арасының бірдей сыйымдылықтармен және әрбір қабаттың бірдей кернеумен қамтамасыз етілуі көзделеді. Кейде, қабаттардың қалыңдығын бірдей етіп жасайды.
Оқшауламаның орындалу типі бойынша өтпелі оқшаулатқыштар тұтас фарфорлы, қағазды-бакелитті, май-барьерлі және қағазды-майлы (конденсатор типті) болып бөлінеді.
35 кВ дейінгі кернеуде ішкі қондырулар үшін фарфорлы армирленген өтпелі оқшаулатқыштар қолданылады, олардың ішімен ток өткізуші стержень немесе конденсатор типті қағазды-бакелитті өтпелі оқшаулатқыш орналасады. Қағазды-бакелитті оқшаулатқыштар бакелитті қарамай сіңірілген қағазбен оралып, сығылып және 160оС температурада ұсталып, қарамайды полимерлеу жолымен жасалады. Қағазды-бакелитті кірістердің кемшілігі – ылғалға төтеп бере алмауы және газды қосылыстардың орын алатындығы, сондықтан, 35 кВ-тан жоғары кернеуде олар қолданылмайды.
110 кВ және одан жоғары кернеуде май-барьерлі және қағазды-майлы оқшауламалы конденсаторлық кірістер қолданылады. Дайындау технологиясы қарапайым болғандықтан, соңғысы кеңінен таралған. Бұл конструкцияда ток өткізуші стерженьге кабельдік қағаздан жасалған оқшаулама оралады, ал қағаз қабаттарының арасына аллюминий фольгадан жасалған қабат төселеді. Қағаз вакууммен кептіріледі және трансформаторлық маймен сіңіріледі. Конструкцияның үсті фарфор қақпақпен жабылады, іші трансформаторлық маймен толтырылады.
3.5-сурет. Конденсатор типті өтпелі оқшаулатқыштың эскизі
Кірістің жылулық орнықтылығын көтеру үшін стержень қимасының ауданын ұлғайтады және диэлектрлік шығынның тангенс бұрышын азайту арқылы оқшаулама сапасын жақсартады.
Күштік конденсаторлардың оқшауламасы. Күштік конденсаторларды келесі жағдайларда қолданады:
• жиілігі 50 Гц жоғары және төменгі кернеулердің күштік тораптарында (косинустық конденсаторлар, бойлық сыйымдылықты қарымталау конденсаторлары);
• жоғарылатылған жиілікті күштік қондырғыларда (10 кГц дейінгі жиілікті электротермиялық қондырғылар);
• тұрақты және пульстеуші кернеулі қондырғыларда;
• импульстік кернеулі қондырғыларда.
Басқа конденсаторларға қарағанда күштік конденсаторлардың негізгі сипаттық ерекшелігі – олар арқылы үлкен токтардың өтуінде, тіпті аз диэлектрлік шығынның өзінде конденсаторлардың едәуір қызуына әкеп соғады. Конденсаторларды жобалау мен жасаудағы шешілетін негізгі мәселелер талап етілетін сыйымдылықпен, жұмыстық кернеумен және жылулық орнықтылықпен қамтамасыз етуге келіп тіреледі. Мұның барлығы конденсатордың оқшауламасымен: диэлектриктік өтімділікпен, электр өрісінің жұмыстық кернеулігінің рұқсат етілген шамасымен, диэлектрлік шығындармен және жылу шығару шарттарымен анықталады.
Күштік конденсаторлар рулон тәріздес секциялардан тұрады. Секцияларды цилиндрлік каркасқа орайды. Конденсатордың номинал кернеуі мен сыйымдылығына байланысты оның секцияларын параллель, тізбектей және аралас жалғайды (3.6-сурет). Пакетті корпусқа салып, сіңіреді және ылғал мен ауа кірмейтіндей етіп бекітеді.
3.6-сурет. Секцияны аралас параллель-тізбектей жалғау
Конденсатордың секциялары жасырын немесе шеті шығып тұратын фольгалы болып жасалады (3.7-сурет). Шеті шығып тұратын фольгалы түрі жылу шығаруды жақсарту және секция индуктивтілігін азайту үшін қолданылады. Кернеуді жоғарылату үшін «соқыр» аралық фольгалы конструкциясы қолданылады және секция бірнеше тізбектей жалғанған кіші секциялардан тұрады, ал ұштары тек бірінші және соңғы фольгаларда болады (3.7г-сурет).
3.7-сурет. Жасырын фольгалы (а), шеті шығып тұратын фольгалы (б) және аралық «соқыр» фольгалы конденсатордың рулонды секциялары
Оқшаулама ретінде сіңірілген конденсаторлық қағаз бен полимерлік үлдірлер қолданылады.
Конденсаторлық қағаздың ең маңызды сипаттамалары – оның қалыңдығы (4 – 30 мкм аралығында), тығыздығы, диэлектрлік шығын бұрышы (сіңірілген қағазда tg δ=0.0012..0.0026) және сіңіру материалына тәуелді болатын электрлік беріктілігі.
Полимерлік үлдірлерден өндірістік және жоғарылатылған жиілікті конденсаторларда полипропиленді үлдірді (εr=2.25, tg δ=0.0003), ал импульсті конденсаторларда – лавсанды үлдірді (50 Гц жиілікте εr=3.2, tg δ=0.003 және 1 МГц жиілікте tg δ=0.02) қолданылады. Полимерлік үлдірлердің электрлік беріктігі жоғары, жылуға төзімділігі мен механикалық беріктігі жеткілікті деңгейде,
Сіңіруші материалдар ретінде мұнайлы конденсаторлық майды, хлорланған дифенилді және олардың ауыстырушыларды, ал импульстік конденсаторларда-кастор майын қолданады. Хлорлы дифенилдің конденсаторлық маймен салыстырғанда электрлік өтімділігі жоғары, жанбайды, бірақ қоспаларға сезімтал болады.
Күштік конденсаторларда электродтар ретінде қалыңдығы 7..12 мкм алюминийлі фольганы алады. Конденсаторлардың кейбір түрлерінде қағаздың немесе жолақтың бетіне жағылған металл (цинк немесе алюминий) қабаты қолданылады.
Қағазды-майлы
конденсаторлардың оқшауламасында
өрістің
жұмыстық кернеуліктері
12..14
кВ/мм құрайды, хлордифенилмен немесе
оның ауыстырғыштарымен сіңірілсе
18..22
кВ/мм дейін өседі, бірақ қызу мөлшері
шамадан тыс болуы мүмкін және шығын
бұрышы аз болуы тиіс. Қағазды-полипропиленді
диэлектрик екі парақты үлдір (εr=2.25)
мен бір қағазды парақтың (εr=4)
арасымен
18
кВ/мм және одан жоғары қағазды компонентте
және 50..60 кВ/мм үлдірде өткізеді. Таза
үлдірлі диэлектрикті конденсаторлар
50..60
кВ/мм, ал металданған полипропиленді
үлдірлі конденсаторлар 70 кВ/мм дейін
өткізеді. Жоғарылатылған жиіліктерде
өрістің рұқсат етілген жұмыстық
кернеуліктері негізінен жылулық режиммен
анықталады. Тұрақты кернеуде рұқсат
етілген жұмыстық кернеулік 80 кВ/мм дейін
жетеді.
Күштік кабельдердің оқшауламасы. Күштік кабельдер электр энергиясын беруге және таратуға арналған. Жоғары кернеудің кабелі келесі құрамдас бөліктерден тұрады:
• бір немесе бірнеше ток өткізетін талшық сымдардан (жила);
• оқшауламадан;
• герметизация жасау үшін алюминийден немесе қорғасыннан жасалған қабықшадан;
• механикалық ақаулардан қорғауға арналған болат жолақтан немесе сымнан жасалған қалқан (броня);
• коррозиядан қорғауға арналған битум сіңірілген кабельдік қағаздан немесе жіптен дайындалған жолақтардан жасалған бүркеніш.
Кабельдің оқшауламасы фазалық, талшықтар мен белдеу аралық, талшықтар мен қабықшалар аралық болып бөлінеді.
Кабель талшықтарын алюминий мен сымнан жасайды. 10 кВ дейінгі кернеуге арналған кабельдер секторлы талшықты, ал 20 кВ және одан жоғары кернеулерде-дөңгелек талшықты, әдетте, жеке экранды етіп жасайды. Секторлы талшықты конструкция металл қабықшаның астындағы көлемді толтыруға, ал экранды дөңгелек талшықтар біртегіс радиалды түрде бағытталған электр өрісімен қамтамасыз етуге арналады (3.8-сурет).
Оқшаулама майканифольді компаундтармен немесе кабельдік майлармен (мұнайлық немесе синтетикалық), не болмаса пластмассадан жасалады. Кабельдік қағаз конденсаторлыққа қарағанда қалыңдау болады, 80 - 170 мкм аралығын қамтиды. Қағаз қабаттарын төсегенде олардың қуыстары сәйкес келмеуін қадағалайды. Пластмассалы оқшауламалы жоғарывольтті кабельдерде төмен және жоғары тығыздықты полиэтилен қолданылады, кейде оқшауламалық қабаттарды фторопластан дайындайды. Пластмассалы оқшауламалы кабельдер 400 кВ дейінгі кернеулерге дайындалады. Тұтқыр сіңірілімді кабельдерді 35 кВ аспайтын кернеуге дайындайды, өйткені мұндай оқшауламада жылулық құбылыстар әсерінен бос кеңістіктер пайда болады, бұл электр өрісінің жұмыстық кернеулігін азайтуға әкеп соғады.
3.8-сурет. Тұтқыр сіңірілімді үш талшықты кабельдер
110 кВ және одан жоғары кернеулерде аздау тұтқыр сіңірілімді және артық төменгі (0.5 МПа дейін) немесе жоғары (1.5 МПа дейін) май қысымды қағаздық оқшаулама қолданылады. Жоғары қысымдық кабельдер кей жағдайларда болаттан жасалған құбырларға салынады, әрбір талшықтың оқшаулама үстінен жеке металл экраны болады.
Жоғары кернеудің электр машиналарының оқшауламасы. Жоғары кернеудің электр машиналарына 3 кВ және одан жоғары номинал кернеулі үлкен қуатты турбогенераторлар, гидрогенераторлар, синхронды компенсаторлар, синхронды және асинхронды қозғалтқыштар жатады. Машиналар оқшауламаларының жұмыстарындағы негізгі ерекшеліктерге ауыр эксплуатациялық жағдайлар: асқын кернеу әсері, жоғары жұмыстық температура мен температура ауытқуы, діріл, соқпалы механикалық әсерлер жатады. Осы себептерге байланысты машиналардың оқшауламаларының жылуға төзімділігі (B класынан төмен болмайды) мен механикалық беріктігі жоғары.
Жоғары кернеулі электр машиналарында статор орамаларының оқшауламасын келесі түрлерге бөледі:
• корпустық немесе бас оқшаулама – статор орамасы мен болат арасында;
• фазааралық оқшаулама – әртүрлі фазалардың орамалары арасында;
• орамдық немесе бойлық оқшаулама – бір секцияның орамдары мен орамалар арасында;
• қарапайым өткізгіштердің оқшауламасы – бір орамдағы немесе орама стерженіндегі өткізгіштер арасында.
Орамдық оқшаулама, әдетте, шыныслюдалы жолақшадан немесе эпоксидті компаунд сіңірілген шыныталшықты эмальді сымдар негізінде жасалады. Бас оқшауламаны газды қабаттарды болдырмайтындай етіп, слюдалы оқшауламалық материалдар негізінде жасайды. Стерженьнің ток жүретін бөлігі тікбұрышты түрде орындалады, ойықтардағы электр өрісі біртекті болмайды. Өрістің біртекті еместігін азайту үшін стержень бұрыштарын дөңгелектейді немесе алюминийден жасалған экрандар (төсеніштер) қолданылады.
Корпустық оқшауламаның қысқауақыттық электрлік беріктігі 3-12 мм қалыңдықпен 50 Гц жиілікте 30-35 кВ/мм орташа электрлік беріктікпен сипатталады. Дегенмен, электр өрісінің жұмыстық кернеулігі сипаттамалардың тұрақсыздығына байланысты 2-4 кВ/мм деңгейінде таңдалып алынады. Жоғарывольтті электр машиналарының жұмыстық кернеуліктерінде ұзақ уақыт бойы едәуір жылдамдықтағы біркелкі емес разрядтар пайда болады, олар оқшауламаның сенімділігі мен жұмыс мерзіміне әлсіз әсер етеді, өйткені слюда біркелкі емес разрядтардың әсеріне төзімді болып келеді.
8 дәріс