Типы и конструкции силовых конденсаторов

Лекция 5
Электрические характеристики конденсаторной изоляции
Изоляционные материалы, применяемые в силовом конденса
торостроении. В секциях конденсаторов в качестве диэлектрика испо
льзуют конденсаторную бумагу, пропитанную жидким диэлектриком
и полимерные пленки. Наряду с бумагой среднего качества типа КОН
с плотностью 1000 и 1200 кг/м3, tg δпри 100°С - 0,0026 и количеством
токопроводящих включений (ТПВ) до 200 на 1 м2, применяют бумагу
с уменьшенными диэлектрическими потерями МКОН, в том числе с
пониженной плотностью 800 кг/м3, с повышенной электрической
прочностью и пониженным до 40 на 1 м2 количеством ТПВ - типа
СКОН, МКОН, ЭМКОН (tgδ до 0,0012-0,0016). Конденсаторные
бумаги выпускают толщиной от 4 до 30 мкм.
Из полимерных пленок для конденсаторов примышленной и
повышенной частоты применяют полипропиленовую пленку (εr=2,25;
плотность
920
кг/м3,
tg
δ=
(2÷З)·10-4)
и
для
импульсных
конденсаторов - полиэтилентерефталатную (лавсановую) с εг=3,2;
плотностью 1400 кг/м3; tg δ от (3÷4)·10-3 при частоте 50 Гц до 2·10-2
при частоте 106 Гц или поливинили-денфторидную пленку, имеющую
εr=10-12, плотность 1800 кг/м3, tg δ на соответствующих частотах от
0,012 до 0,22.
Полимерные
пленки
обладают
высокой
электрической
прочностью (при напряжении промышленной частоты Епр= 160-190
кВ/мм и при постоянном напряжении Епр=600-800 кВ/мм), имеют
достаточную термостойкость (температура плавления около 170°С) и
механическую прочность, совместимы с жидкими диэлектриками,
применяемыми в конденсаторостроении, однако полиэтилентерефтала
тная
пленка
имеет
несколько
большие
диэлектрические
потери. Поливинилиденфторидная пленка обладает повышенной диэл
ектрической проницаемостью (10-12)е0, однако имеет значительные
диэлектрические потери, особенно при повышенной частоте, поэтому
пленка
применяется
только
в
импульсных
конденсаторах,
работающих в режиме редко повторяющихся импульсов.
В силовых конденсаторах наиболее часто применяют комбиниро
ванную
бумажно-пленочную
изоляцию,
в
которой
слои
конденсаторной бумаги перемежаются со слоями полимерной пленки.
В этом случае бумага используется как диэлектрик, обладающий
высокой электрической прочностью, и как фитиль, втягивающий
пропитывающую
жидкость
в
прослойки
между
пленками
и
обеспечивающий хорошую пропитку в отсутствии газовых включений
в изоляции. В пленочной изоляции применяют шероховатую пленку,
также обеспечивающую хорошую пропитку. Из жидких диэлектриков
(табл.
1)
в
конденсаторное
(трихлордифенил),
(дибутилфта-лат,
силовом
(нефтяное)
конденсаторостроении
масло,
заменители
фенилксилилэтан),
применяют:
хлорированные
хлорированных
касторовое
дифенилы
дифенилов
масло
(для
импульсных конденсаторов). По сравнению с конденсаторным маслом
хлорированные дифенилы обладают рядом преимуществ, из которых
основными являются: высокая диэлектрическая проницаемость,
высокая стойкость к разложению в электрическом поле, в том числе,
под
воздействием
частичных
разрядов,
высокая
химическая
стойкость, а также негорючесть. Однако эти жидкости имеют
существенные
недостатки,
основным
из
которых
является
токсичность и экологическая опасность.
В связи с этим разработан и разрабатывается ряд заменителей
хлорированных дифенилов: полярные жидкости (дибутилфталат),
неполярные (фенилксилилэтан) и др. Основные характеристики
важнейших пропиты вающих жидкостей приведены в табл. 1.
В качестве электродов в секциях применяют алюминиевую фольгу
толщиной 7-12 мкм. В ряде случаев в некоторых типах конденсаторов
используют слой металла (цинка и алюминия), нанесенный на
поверхность ленты бумаги или пленки. Секции с металлизированным
диэлектриком обладают свойством самовосстановления: в месте
пробоя происходит разрушение слоя металла и восстановление
электрической прочности. Одновременно этот процесс сопровождаетс
я некоторым уменьшением емкости секции за счет выгорания
определенной площади электродов. Обычно секции с металлизирован
ным диэлектриком используют на небольшое напряжение (сотни
вольт).
Кратковременная электрическая прочность. Кратковременная
электрическая прочность конденсаторной изоляции определяется
главным образом прочностью твердой фазы изоляции (бумагой или
пленкой).
В конденсаторную бумагу в процессе ее изготовления попадают
частицы металла, их окислы и соли, приводящие вследствие малой
толщины листа к возникновению токопроводящих включений (ТПВ) с
сопротивлением менее 200 кОм. Число включений, размеры которых
соизмеримы с толщиной листа бумаги, увеличивается с уменьшением
толщины листа и для бумаги толщиной 10 мкм составляет 40-100
штук на 1 м2 поверхности. При этом пробой будет происходить в
месте расположения включения, которое в конденсаторной секции
большей частью соответствует области равномерного поля.
Для диэлектрика из п листов бумаги при отсутствии совпадений
ТПВ в различных листах Unp=E06 (n-1) dл , где Е06 - пробивная
напряженность листа бумаги при отсутствии ТПВ, dл - толщина
одного листа бумаги, п -число листов в слое изоляции. При этом
средняя пробивная напряжент ность диэлектрика
Enp=Unp/(ndл)=EO6(n-1)/n,
(1)
Однако, если число листов в слое изоляции более 6-8, то проводящие
включения сказываются все меньше и начинает проявляться краевой
эффект электрода (обкладки): при этом пробои будут более вероятны
на краю электрода, где искажение поля будет наибольшим. Это
приводит к снижению Епр с ростом dc = ndл.
Вследствие наложения обоих рассмотренных выше обстоятельств
зависимость Епр = f (dc) имеет максимум при определенной толщине
изоляции dcmax (рис. 3), причем значение dcmax зависит от толщины
листа бумаги и площади обкладок. При толщине листа бумаги 10-12
мкм и площади обкладок 3-10 м2 dcmax= 40-60 мкм (4-6 листов по 10
мкм каждый)
Рис. 3. Зависимость пробивной напряженности бумажного (1) и
бумажно-пленочного (2) диэлектрика от толщины изоляции
Пленочные диэлектрики имеют большие по сравнению с
бумажным значения Епр и меньший разброс Епр, поэтому зависимость
Enp-f (dc) для бумажно-пленочной изоляции лежит выше, чем для
бумажной, особенно в области малых толщин dc.
Частичные разряды в изоляции конденсаторов. Ч.р. возникают
прежде всего в жидком диэлектрике, так как его электрическая
прочность существенно ниже прочности пропитанной бумаги или
пленки. При этом необходимо учитывать, что в хорошо высушенной и
пропитанной изоляции нет пузырьков воздуха или какого-либо
другого газа. Газовые включения могут образоваться лишь при
интенсивном разложении масла частичными разрядами в изоляции
конденсатора, либо в результате нарушения технологического
процесса сушки и пропитки.
В конденсаторной изоляции при переменном напряжении ч.р.
возникают прежде всего на краю электрода, где имеется повышенная
напряженность электрического поля. Кроме того, ч.р. могут возникать
в местах наличия токопроводящих включений, складок в бумаге и
фольге, у края выводов секции.
При возникновении ч.р. на краю обкладки напряженности ч.р.
возрастает с уменьшением толщины диэлектрика
Ечр =Adc-0,5
(2)
Характерные зависимости напряженности ч.р. Ечр от толщины
изоляции секции dc приведены на рис. 4.
Рис. 4. Зависимости напряженности критических (1-5) и начальных
ч.р.(6) от толщины диэлектрика: 1 и 6 - бумага КОН-1, пропитка
конденсаторным
маслом;
2
-
бумага
КОН-1,
пропитка
трихлордифенилом; 3 - полипропилено-бумажнся изоляция, пропитка
трихлордифенилом; 4 — полипропиленовая пленка, пропитка
трихлордифенилом; 5 —
полипропиленовая пленка, пропитка финилксилил этаном
Переход начальных ч.р. в критические для слоистой изоляции,
пропитанной жидким диэлектриком, связан либо с возникновением
скользящих разрядов на краю фольги, либо с возникновением в толще
изоляции
газовых
включений.
Последнее
наиболее
сильно
проявляется в изоляции, пропитанной нефтяным маслом.
Длительная
рабочего
электрическая
напряжения
и
прочность.
перенапряжений
При
воздействии
происходит
старение
изоляции конденсаторов, связанное с развитием начальных частичных
разрядов малой интенсивности и повышенной рабочей температуры
(тепловое старение). Характер процессов старения в большей степени
зависит от типа жидкого диэлектрика, используемого для пропитки.
При этом для изоляции, пропитанной нефтяным маслом, обладающим
низкой газостойкостью под воздействием ч.р., можно считать, что
ресурс определяется временем, необходимым для образования
газовых пузырьков, после появления которых напряжение ч.р. сильно
снижается,
появляются
критические
ч.р.,
резко
возрастает
интенсивность ч.р. и происходит быстрое разрушение изоляции, см.
главу 8.
В конденсаторах, пропитанных трихлордифенилом, обладающим
высокой газостойкостью под воздействием ч.р., ресурс определяется
предельным
увеличением
tg5
изоляции
или
снижением
ее
кратковременной прочности за счет разложения жидких диэлектриков
ч.р.
и
взаимодействия
продуктов
разложения
с
твердым
диэлектриком.
Зависимость
ресурса
конденсатора
тр
от
напряженности
электрического поля обычно определяется выражением:
τр=АЕ-n.
(3)
Выбор рабочей напряженности. Рабочую напряженность Ераб в
диэлектрике силового конденсатора выбирают с учетом длительно
приложенного рабочего напряжения и кратковременных перенапряже
ний, воздействующих на конденсатор в процессе его эксплуатации.
Наиболее слабой компонентой конденсаторного диэлектрика
является пропитывающая жидкость. Ее свойства, определяющие
интенсивность и другие характеристики ч.р., являются одним из
основных факторов ограничивающих величину напряженности поля,
а, следовательно, рабочей напряженности.
Для
конденсаторов
с
бумажно-масляным
диэлектриком
толщиной порядка 60-80 мкм при среднем ресурсе около 30 лет при
напряжении
промышленной
частоты
допустимая
рабочая
напряженность составляет 12-14 кВ/мм. При изменении толщины
диэлектрика из конденсаторной бумаги с толщиной листа 10-12 мкм
допустимую рабочую напряженность определяют из соотношения
Ераб=3,Зdc -0,58,
(4)
где Ераб выражено в кВ/мм, dc в миллиметрах.
Для изоляции, пропитанной газостойкими жидкими диэлектрика
ми, в том числе хлордифенилами или заменителями трихлордифенила,
допустимые рабочие напряженности могут быть существенно
увеличены по сравнению с изоляцией, пропитанной нефтяным
маслом:
Epa6=4,3dc7-0,58,
(5)
что соответствует Eраб=18-22 кВ/мм для толщины изоляции секции 50-
60 мкм.
Однако столь высокие рабочие напряженности могут привести к
недопустимому нагреву конденсатора и выходу его из теплового
равновесия. Поэтому применение указанных рабочих напряженностей
возможно только одновременно со снижением tgδ изоляции от
(2,0÷2,5)·10-3 до (1,2÷ 1,5)·10 -3.
Применение неполярных синтетических пленок, имеющих более
высокую электрическую прочность, позволяет уменьшить толщину
диэлектрика dc, вследствие чего напряженность возникновения ч.р.
возрастает примерно в 1/
раз, и величина Ера6 может быть
увеличена.
Применение пленки приводит также к перераспределению
напряженности электрического поля между компонентами изоляции.
Величина напряженности Ej в i-й компоненте n-компонентной
изоляции равна
,
(6)
где Еср - средняя напряженность в изоляции между обкладками; dj —
толщина слоя изоляции с диэлектрической проницаемостью εj.
Как следует из формулы (6), наличие неполярной пленки с диэлектр
ической проницаемостью εпл, меньшей диэлектрической проницаемост
и пропитывающей
жидкости
εж,
приводит
к
уменьшению
напряженности в пропитывающем составе и увеличению напряженнос
ти в пленке. При этом наиболее перспективным является применение
неполярной (полипропиленовой) пленки.
Допустимые
рабочие
напряженности
в
комбинированной
бумажно-пленочной изоляции целесообразно выбирать так, чтобы
бумага, пропитанная жидким диэлектриком, работала при принятых
для бумажной изоляции рабочих напряженностях. Последние могут
быть определены по (4) или (5). При этом средняя рабочая
напряженность комбинированного диэлектрика Е
комб
будет зависеть
от относительного содержания пленки в диэлектрике апл:
Екомб=Еnδ[εпл+апл(εnδ-εпл)]/εпл,
(7)
где апл - относительное содержание пленки в объеме диэлектрика; ε
пл
и εnδ — диэлектрическая проницаемость пленки и пропитанной бумаги
соответственно,
Еnб
-
напряженность
в
пропитанной
бумаге.
Диэлектрическая проницаемость комбинированного диэлектрика εкомб
может быть определена по формуле
εкомб=εпл εnδ/[εпл+апл(εnδ- εпл)],
(8)
При этом удельная энергия конденсатора с комбинированным
диэлектриком
■
Wкомб=εкомбЕкомб2/2=εnδEnδ2[εпл+апл(εпл-εпл)/(2εпл)=Wnδ[1+aпл(εnδ/εпл-1)]
(9)
где Wnδ =εnδEnδ2/2 - удельная энергия конденсатора с бумажным
диэлектриком.
Как следует из (9) при использовании неполярной или
слабополярной пленки с εпл<εnδ
удельная энергия Wкомб будет
возрастать
с
ростом
содержания
пленки
апл.
Бумажно-
полипропиленовый диэлектрик обычно выполняется с толщиной
dс=30-36 мкм и состоит из двух листов пленки, между которыми
расположен лист бумаги. В этом случае допустимые рабочие
напряженности при напряжении промышленной частоты могут быть
приняты: в бумажной компоненте 20-28 кВ/мм; в комбинированном
диэлектрике при апл=60-70% - 35-38 кВ/мм; в пленке - 50-60 кВ/мм.
Для конденсаторов с изоляцией из полипропиленовой пленки
при
dc=30-36
мкм
Eраб=50-60
кВ/мм,
а
в
конденсаторах
с
использованием металлизированной пленки при dc=6-8 мкм Ераб =6070 кВ/мм. В конденсаторах, длительно работающих при постоянном
напряжении, Ера6 составляет 35-40 кВ/мм, а в конденсаторах,
работающих в испытательных схемах, она может быть увеличена до
60-80 кВ/мм.
Выбор Ера6 для импульсных конденсаторов определяется: а) крат
ковременной электрической прочностью; б) характеристиками ч.р. Вв
иду малой длительности импульсных воздействий Ераб существенно
увеличивается: для конденсаторов с диэлектриком из бумаги
толщиной 100 мкм, пропитанной нефтяным маслом, при τр>104
импульсов Ераб= 60-65 кВ/мм, а при τр < 104 импульсов Epaб= 80
кВ/мм. При пропитке бумаги касторовым маслом или диэлектриками,
имеющими более высокую газостойкость, Ераб может быть увеличена
при соответствующих ресурсах до 80 кВ/мм и до 100-120 кВ/мм. Для
бумажно-пленочного
и
пленочного
диэлектриков,
в
которых
напряженность поля в прослойке жидкости ниже, Ераб могут
составлять до 300 кВ/мм. При большой частоте следования импульсов
(более 10 имп/мин) величина Ераб может определяться также
тепловым
режимом
работы
конденсатора.
Расчет
допустимых
значений или перепада температур практически не отличается от
аналогичного расчета конденсаторов промышленной частоты.