Изоляция силовых конденсаторов

Высоковольтные конденсаторы в энергетических установках применяются для компенсации реактивной мощности, для компенсации индуктивного сопротивления ЛЭП и высокочастотной обработки ЛЭП, для создания ГИН и ГИТ.

Энергия, запасенная в электрическом поле конденсатора определяется выражением

,                         (3.22)

где  – объем активной массы диэлектрика;

 – напряженность поля в диэлектрике.

Поэтому массогабаритные показатели конденсатора будет определяться в основном коэффициентом диэлектрической проницаемости  и электрической прочностью диэлектрического материала. Чем выше  и , тем меньше габариты конденсатора, с теми же значениями энергии .

Для изготовления конденсаторов в настоящее время применяется БМИ, которая состоит из конденсаторной бумаги, пропитанной жидкими диэлектриками и полимерной пленки. Пленка вкладывается между слоями бумаги или в виде покрытия наноситься на фольгу. Используется бумага марок КОН, МКОН, ЭМКОН толщиной 4–30 мкм, плотностью , . Из полимерных пленок используют полипропиленовую пленку (, ) для конденсаторов промышленной частоты, и полиэтилентерофталатную (лавсановую) пленку для импульсных конденсаторов (, ), а также поливинилденфторидную пленку (, ). Полимерные пленки обладают более высокой прочностью  и термостойкостью () и механической прочностью. Бумага в комбинированной бумажно-пленочной изоляции обеспечивает хорошую пропитку изоляции.

В качестве пропитывающих материалов используют конденсаторное (нефтяное) масло, хлордефинилы, дибутилфталат, кастровое масло (в импульсных конденсаторах). Хлордефинилы токсичны и требуют тщательной герметизации, хотя обладают высокими значениями , стойки к ЧР и разложению. В качестве электродов используют алюминиевую фольгу толщиной 7–12 мкм. В некоторых низковольтных конденсаторах используют слой металла из цинка или алюминия, нанесенный на поверхность бумаги или пленки. Такие конденсаторы обладают самовосстанавливающими свойствами: в месте пробоя происходит разрушение металлического слоя (выгорание), при этом несколько уменьшается емкость.

Технология изготовления включает следующие операции: намотку на специальных станках на оправку или цилиндрический каркас, снятие и опрессовку, пропитку под вакуумом и герметизацию. Намотка выполняется со скрытой или выступающей фольгой. При выступающей фольге обеспечивается лучший теплоотвод и уменьшается индуктивность. Со слепой фольгой выполняются конденсаторов на высокие напряжения.

Конденсатор обычно собирается из секций (рис. 3.27), соединенных перемычками в параллельную, последовательную или комбинированные схемы. Секции могут иметь несколько подсекций, соединенных последовательно. После опрессовки секция помещается в бак, вакуумируется, пропитывается и герметизируется. Каждая секция имеет свой плавкий предохранитель.

Кратковременная электрическая прочность изоляции конденсатора определяется в основном прочностью твердой изоляции. В процессе изготовления изоляции в пленку или бумагу попадают частицы металла, их окислы и соли. Вследствие малой толщины бумаги образуются токопроводящие включения (ТПВ) со сравнительно малым сопротивлением (около 200 кОм). Число таких включений на квадратный метр может достигать 40–100 штук. Пробой изоляции происходит в местах этих включений в области равномерного поля. Пробивная напряженность изоляции конденсатора определяется по выражению

,   (3.23)

где  – пробивная напряженность листа бумаги при отсутствии ТПВ;
 – число листов в слое.

Зависимость пробивной напряженности  от толщины  изоляции представлена на рис. 3.26.

Частичные разряды в изоляции конденсаторов возникают в жидких диэлектриках, т. к. при разложении масла образуются газовые включения. В изоляции конденсаторов высокого переменного напряжения ЧР возникают на краю электродов. Переход ЧР в критические связан с появлением скользящих разрядов на краю фольги, либо с возникновением в толще изоляции газовых включений, что наиболее характерно для изоляции, пропитанной нефтяным маслом.

Длительная электрическая прочность в основном определяется развитием ЧР и повышением температуры (тепловое старение). Процесс старения в значительной степени зависит от типа жидкого диэлектрика. Для нефтяного масла процесс старения в основном определяется интенсивностью появления газовых пузырьков, после чего сильно снижается напряжение возникновении ЧР. Для конденсаторов с трихлордифиниловой пропиткой процесс старения определяется увеличением , снижением прочности за счет разложения жидкого диэлектрика и взаимодействия продуктов разложения с твердым диэлектриком.

Рабочие напряженности: для БМИ при ; в комбинированной изоляции , ; для конденсаторов с изоляцией из пленок при ; для конденсаторов с металлизированными пленками ; для конденсаторов на постоянном токе ; для конденсаторов импульсных установок ; при пропитке касторовым маслом или диэлектриками высокой газостойкости .