Сосуд с жидким диэлектриком находится
6. Жидкие диэлектрики
Общие сведения
Наиболее широкое распространение в электротехнических устройствах получили нефтяные (минеральные) электроизоляционные масла и синтетические жидкости.
Они выполняют функцию изолирующей, охлаждающей и дугогасящей среды и применяются как в чистом виде, так и в сочетании с волокнистыми и твёрдыми материалами, например, бумажно-масляная или маслобарьерная изоляция.
Поэтому при выборе изолирующей жидкости необходимо соблюдать следующие требования:
- совместимость с применяемыми материалами;
- высокая электрическая прочность;
- высокое удельное сопротивление;
- малые диэлектрические потери;
- стабильность свойств в условиях длительной эксплуатации;
- пожарная и экологическая безопасность.
Не все жидкие диэлектрики удовлетворяют этим требованиям, поэтому в каждом конкретном случае предпочтение отдаётся тем свойствам, которые обеспечивают необходимую стабильность параметров, надёжность и долговечность изделия.
Минеральные (нефтяные) масла.
К этой группе относятся трансформаторное, конденсаторное и кабельное масла.
Трансформаторное масло находит наибольшее применение в электротехнике. Его получают из нефти посредством её ступенчатой перегонки и последующей тщательной очисткой от химически нестойких примесей. Назначение трансформаторного масла двояко: во-первых, масло, заполняя поры в волокнистой изоляции, а также промежутки между проводами обмоток и между обмотками и баком трансформатора, значительно повышает электрическую прочность изоляции; во вторых, оно улучшает отвод тепла, выделяемого за счёт потерь в обмотках и сердечнике трансформатора. Ещё одна важная область применения трансформаторного масла – масляные выключатели высокого напряжения. В масляных выключателях жидкий диэлектрик не только изолирует токопроводящие части, но и выполняет роль среды, гасящей электрическую дугу, которая возникает между контактами срабатывающего выключателя. Трансформаторное масло применяется также для заливки маслонаполняемых вводов, некоторых типов реакторов, реостатов и других электрических аппаратов.
Конденсаторное масло получают из трансформаторного путём дополнительной обработки под вакуумом с целью удаления воздуха (газов). К параметрам конденсаторного масла предъявляются повышенные требования, так как в процессе эксплуатации невозможно производить замену или регенерацию масла, и диэлектрические свойства его должны сохраняться в течение всего срока службы.
Пропитка изоляции конденсаторов маслом с высоким значением электрической прочности позволяет уменьшить толщину изоляции и увеличить коэффициент диэлектрической проницаемости изоляции, что сокращает массогабаритные показатели конденсаторов при тех же значениях ёмкости. Низкое значение тангенса угла диэлектрических потерь снижает потери, а следовательно, и нагрев изоляции и позволяет увеличить срок службы.
В конденсаторном масле не допускается содержание газов, так как в газовых включениях при высокой напряжённости электрического поля интенсивно развиваются ионизационные процессы, что может привести к пробою изоляции.
К кабельным маслам, как и к конденсаторному маслу, предъявляются высокие требования касательно стабильности и численного значения параметров, так как изоляция должна обеспечить длительный срок службы.
Однако есть и специфические требования, зависящие от конструкции изоляции и величины напряжения.
Так, для кабелей с бумажно-масляной изоляцией (БМИ) напряжением до 35 кВ масло должно обладать повышенной вязкостью, что исключает его стекание при прокладке кабеля на различных уровнях и образование «обедненных» участков изоляции, где возможны развитие разрядных процессов и пробой изоляции. Для увеличения вязкости в масло добавляют канифоль или другие загустители.
В маслонаполненных кабелях напряжением 110 кВ и выше токоведущие жилы выполняют в виде толстых труб, свитых из круглых или сегментных проводов. Внутрь этих труб подается масло под давлением. Проникая сквозь зазоры между проводами, масло пропитывает бумажную изоляцию. В кабелях, проложенных в стальных трубах, оно омывает внешнюю поверхность изоляции (здесь применяют менее вязкие масла).
В настоящее время во многих странах производство кабелей с БМИ прекращено. На смену им пришли кабели с твердой изоляцией на основе полиэтилена и других материалов. Твердая изоляция обладает более высокими электрическими свойствами, что позволяет уменьшить толщину изоляции (диаметр кабеля), увеличить строительную длину, токовые нагрузки и допустимую рабочую температуру и, главным образом, упростить процесс изготовления кабелей, их прокладку, разделку и эксплуатацию.
Все масла в процессе эксплуатации находятся под воздействием внешних факторов. Это вызывает старение масла.
Скорость старения масла возрастает:
– при доступе воздуха, так как старение масла в значительной степени связано с его окислением кислородом воздуха, особенно интенсивно идёт старение при соприкосновении масла с озоном;
– при повышении температуры (обычно наивысшей рабочей температурой масла считают 95º С);
– при соприкосновении масла с некоторыми металлами (медь, железо, свинец) и другими веществами – катализаторами старения;
– при воздействии света;
– при воздействии электрического поля.
Для восстановления свойств масла используют несколько способов:
– пропускают под давлением сквозь фильтрованную бумагу в специальных установках;
– воздействуют на масло центробежной силой в центрифуге;
– обрабатывают адсорбентами;
– распыление нагретого масла в камере, заполненной азотом.
Синтетические жидкие диэлектрики
Синтетические жидкие диэлектрики нашли широкое применение в последние 50 лет. Главное их достоинство, по сравнению с нефтяными растительными жидкостями, − более высокая термостойкость, негорючесть и стабильность параметров. К ним относятся хлорированные углеводороды, кремнийорганические и фторорганические жидкости.
Хлорированные углеводороды получают из углеводородов путем замены в их молекулах некоторых (или всех) атомов водорода атомами хлора. Их достоинства − повышенное значение диэлектрической проницаемости, по сравнению с нефтяными маслами, и негорючесть. Поэтому они широко используются для пропитки силовых конденсаторов.
Недостатки хлорированных углеводородов: повышенная токсичность, зависимость диэлектрической проницаемости и вязкости от температуры и др. В настоящее время в некоторых странах их применение запрещено законом.
Кремнийорганические жидкости (силиконы (силоксаны)) − это продукт синтеза кремнистых и углеводородных соединений. Все кремнийорганические жидкости обладают высокими электроизоляционными свойствами, мало зависящими от напряжения, температуры, влажности окружающей среды, стойки к радиационному излучению.
Недостаток – высокая стоимость.
Фторорганические жидкости – это продукт синтеза углеводородов, в которых атомы водорода частично или полностью заменены атомами фтора. Способ получения фторорганических жидкостей сложный и требует дорогих исходных материалов и реактивов, что определяет их высокую стоимость и ограниченное применение.
Особенности: высокая термостойкость, хорошие теплопроводящие свойства, высокая электрическая прочность, малая вязкость. Не горючи, дугостойки, могут работать при температуре 200ºС и выше.
Однако эти жидкости летучи, поэтому применяются в герметизированных конструкциях.
Некоторые из этих жидкостей находят применение в холодильных установках в качестве хладогенов.
Источник
Лабораторная работа № 3
«Определение электрической прочности жидких диэлектриков»
Цель работы:
Ознакомиться с методом испытания жидких диэлектриков. Определить пригодность испытываемой жидкости для применения в высоковольтных аппаратах путем сравнения опытных данных с характеристиками жидких диэлектриков, приведенных в ГОСТе.
Приборы и оборудование:
Для испытания электроизоляционных жидкостей и, в частности, трансформаторного масла на электрическую прочность применяют аппараты AMИ-60 и АИМ-80.
Рисунок 1 Лицевая панель аппарата АИМ-80
Аппарат АИМ-80 (рис.1) предназначен для испытания трансформаторного масла и других жидких диэлектриков на электрическую прочность повышенным напряжением переменного тока частотой 50 Гц. Аппарат переносного типа, компактен, мал по габаритам (345 X 386 X 485 мм) и массе
(35 кг). АИМ-80 подключается к сети однофазного переменного тока номинального напряжения 220 В штепсельными разъемами Ш1, Ш2 (рис. 2). Наибольшее испытательное напряжение переменного тока 80 кВ, потребляемая мощность 0,5 кВ·А.
Рисунок 2 Принципиальная электрическая схема аппарата АИМ-80
Конструкция аппарата включает следующие элементы: бак с высоковольтным трансформатором Тг (главный трансформатор); регулятор напряжения (вариатор) с электрический приводом щетки Вг; сосуд для испытания (банка с электродами) Бэ; измерительный прибор kV (киловольтметр) М903 постоянного тока с пределом измерения 0—10 кВ; сигнальные лампы Лк (красная), Л3 (зеленая), Лж (желтая) напряжением 6,5 В; реле максимального тока Рм.
На лицевой панели аппарата расположены элементы управления аппаратом и световая сигнализация (см. рис. 1): выключатель сети Вс со специальным съемным ключом, исключающим произвольное включение аппарата; зеленая лампа Лз, показывающая включение сети. Эти элементы имеют на панели условный знак (~); желтая лампа Лж, указывающая готовность схемы аппарата к включению испытательного напряжения; кнопка включения электродвигателя Кд, включающаяся после пробоя испытуемого диэлектрика.
Эти элементы на панели имеют условный знак (→ 0); красная лампа Лк, сигнализирующая о включенном высоком напряжении; кнопка включения Кв испытательного напряжения. Эти элементы имеют на панели условный знак измерительный прибор kV, указывающий испытательное напряжение в киловольтах; тумблер-выключатель ТВ2 для остановки электродвигателя, имеющий условный знак (∆); тумблер-выключатель TB1 автоматического возврата щетки регулятора напряжения в нулевое положение после пробоя испытуемого жидкого диэлектрика, имеющий условный знак (→ 0)
Рассмотрим схему аппарата АИМ-80 и взаимодействие его элементов (рис. 1, 2).
Чтобы легче было пользоваться схемой, элементы, между которыми существует механическая и электрическая связь, имеют одинаковые подписи (например, контакты и катушка контактора обозначены буквами Кг).
Напряжение 220 В специальным кабелем с штепсельными разъемами Ш1 и Ш2 подается от сети однофазного переменного тока на зажимы выключателя сети питания ВС, далее через предохранители Пр1, Пр2 подается одновременно на конденсатор защиты сети от высокой частоты С, трансформатор питания сигнальных ламп Тс, главный вариатор ВГ, оперативные цепи управления главным контактором Кг и промежуточные реле РП1 и РП2.
При условиях, если: 1) щетка вариатора находится в нулевом положении (контакты БВ1 цепи катушки контактора Кт замкнуты), 2) дверца, открывающая доступ к испытательному сосуду, закрыта (контакты дверной блокировки ДБ1 и ДБ2 замкнуты) и 3) тумблер-выключатель ТВ2 находится в положении «включено»— , то при нажатии на кнопку Кв срабатывает контактор Кг, промежуточное реле РП2 и электродвигатель ЭД начинают перемещать щетку вариатора Вг. На выводах вторичной обмотки главного трансформатора Тг и электродах испытательного сосуда Бэ с испытываемым жидким диэлектриком равномерно повышается напряжение.
Испытательное напряжение контролируется прибором kV, который включен в первичную цепь трансформатора Тг и отградуирован в действующем значении вторичного напряжения. В момент электрического пробоя диэлектрика срабатывает максимальное реле Рм, контактор Кг размыкает электрическую цепь главного трансформатора, реле промежуточное РП2 отключает электродвигатель, при этом стрелка вольтметра kV фиксируется.
1 — фарфоровая ванна, 2 — электрод, 3 — изолятор, 4 — испытываемый жидкий диэлектрик
Рисунок 3 Сосуд для испытания жидких диэлектриков
Нажатием кнопки включения электродвигателя Кд (при разомкнутом тумблере TB1) осуществится реверс электродвигателя. Стрелка прибора возвратится в нулевое положение.
При возвращении щетки вариатора в нулевое положение срабатывает блокировка вариатора БВ1, отключается электродвигатель ЭД, загорается лампа Лж (желтая), которая укажет на готовность схемы аппарата к повторному включению высокого напряжения.
Если тумблер TB1 поставлен в положение замкнутых его контактов, то после пробоя диэлектрика возврат щетки вариатора и стрелки измерительного прибора в нулевое положение будет происходить автоматически.
Главный трансформатор Тг отключается при подъеме напряжения выше номинального значения, с учетом минус 15 % номинального значения сети, равного 220 В, так как срабатывает максимальное реле Рм и контактор Кг размыкает электрическую цепь трансформатора.
Сигнальная лампа Л3 (зеленая) указывает на включение сети, так как непосредственно включается во вторичную обмотку трансформатора Тс; лампа Лк (красная) включается после срабатывания промежуточного реле РП2 одновременно с включением главного контактора Кг.
С размыканием тумблера ТВ2 прекращается повышение напряжения и некоторое время испытуемый диэлектрик находится под неизменным высоким напряжением.
Испытание производят в специальной фарфоровой ванне (рис. 3), заполняемой испытываемым жидким диэлектриком 4. В сосуд помещены два латунных электрода 2 диаметром полусферы 25 мм. Электроды устанавливают на определенном расстоянии (оно должно быть 2,5 мм) и проверяют его щупом для измерения зазора. Потемневшие при работе электроды перед испытаниями полируют замшей.
Общие сведения
Для повышения электрической прочности изоляции трансформаторов, кабелей и бумажных конденсаторов применяют жидкие диэлектрики (трансформаторное и конденсаторные масла, совтол, октол, кремнийорганические жидкости).
Трансформаторное масло используют как диэлектрик в различной высоковольтной аппаратуре. В трансформаторах масло является также охлаждающей средой, в масляных выключателях — дугогасящей средой. Масло характеризуется достаточно высокой электрической прочностью (12— 20 МВ/м), малыми диэлектрическими потерями, удовлетворительной теплопроводностью 0,0015 Вт/(см • °С). Оно, как и другие жидкие диэлектрики, способно восстанавливать свою электрическую прочность после пробоя. Это масло можно очищать и сушить, тем самым восстанавливая его электроизоляционные свойства.
Трансформаторное масло стареет (окисляется) под влиянием кислорода воздуха, высокой температуры и солнечного света. Процессу старения масла способствует соприкосновение его с лаковой изоляцией и металлами (особенно с медью). Масло обладает гигроскопичностью, понижающей его электрическую прочность.
Старение масла можно определить по изменению цвета, наличию механических примесей (шлама), воды и другим внешним признакам. Поэтому перед определением электрической прочности масла, бывшего в эксплуатации, желательно провести некоторые испытания по определению его качества.
По цвету масла ориентировочно судят о его качестве. Испытания проводят так: масло фильтруют через два бумажных фильтра и заливают его в пробирку. Пробу масла сравнивают по цвету с образцами масла различного цвета (качества), залитыми в девять пробирок и расположенных по номерам от № 1 до № 9 или по цветной таблице, аналогичной набору образцов масла. Свежее масло светло-желтое, соответствует цвету первых двух пробирок (№ 1 и №2).
Наличие осадков (шлама), которые увеличивают гигроскопичность масла, определяют так: в стеклянную стандартную банку емкостью 0,5 л с притертой пробкой заливают пробу масла, выдерживают его не менее 12 ч в спокойном состоянии; затем банку опрокидывают осторожно вверх дном без взбалтывания масла и наблюдают на свету, как шлам осаждается. При наличии осадков на дне банки образуется из них кольцо.
По внешнему виду масла определяют также степень его загрязнения. В банку емкостью 0,5 л заливают пробу масла. Перемешивают его неоднократным опрокидыванием банки, взбалтыванием и просматривают на свету. Наличие видимых ворсинок и крупных частиц свидетельствует о загрязнении масла. При числе ворсинок менее девяти масло можно испытывать на электрическую прочность.
Чтобы определить присутствие воды в масле, пробу масла в пробирке с термометром помещают в баню при температуре 175 °С и наблюдают за его нагревом. Если при 150 °С образуется пена, происходит потрескивание, на стенках пробирки масло темнеет — это означает, что в масле есть вода.
Одной из наиболее важных электрических характеристик жидких диэлектриков является их электрическая прочность
где Uпр — пробивное напряжение, MB;
h – толщина испытываемого слоя жидкого диэлектрика (расстояние между электродами), м.
Значение пробивного напряжения зависит от формы и размеров электродов, расстояния между ними, давления и температуры жидкого диэлектрика, характера приложенною напряжения (постоянное, переменное), степени загрязнения волокнами, водой и другими примесями. Снижение электроизоляционных свойств жидкого диэлектрика может привести к аварии в электрической установке, поэтому для обеспечения нормальной работы аппаратуры периодически проверяют качество диэлектрика и, в первую очередь, его электрическую прочность.
Порядок выполнения работы
1. Перед испытаниями выполнить следующее:
а) установить требуемое расстояние (2,5 мм) между электродами;
б) промыть фарфоровый сосуд с электродами сухим чистым маслом;
в) залить в промытый сосуд такое количество испытываемого масла (приблизительно 500 мл), чтобы слой масла, покрывающий электроды, был не менее 15 мм;
г) выдержать залитое в сосуд масло в течение 10 мин для того, чтобы пузырьки воздуха всплыли на поверхность.
2. Испытания производить в такой последовательности:
а) заземлить аппарат АИМ-80 прилагаемым к нему медным проводом сечением не менее 4 мм2 к зажимам для присоединения заземления с задней стороны аппарата в нижней части;
б) подсоединить аппарат к сети 220 В однофазного переменного тока гибким кабелем, снабженным штепсельными разъемами Ш1, Ш2 (см. рис. 2);
в) открыть верхнюю дверцу аппарата, установить сосуд для испытания Бэ с жидким диэлектриком, закрыть дверцу (замыкаются дверные блок-контакты ДБ1 и ДБ2)
г) поставить тумблер-выключатель ТВ2 (см. рис. 1 и 2) в замкнутое положение ;
д) тумблер-выключатель TB1 (см. рис. 1) по желанию оператора может занимать любое из двух положений. Если TB1 поставить в положение замкнутых его контактов, то после пробоя диэлектрика возврат щетки вариатора Вг и стрелки измерительного прибора в нулевое положение будет происходить автоматически;
е) специальным ключом (съемным) включить выключатель сети ВС, при этом загорается зеленая лампа Л3;
ж) после включения необходимо проследить, чтобы стрелка измерительного прибора стояла на нуле и горела желтая лампа Лж.
При этом возможны следующие случаи: 1) стрелка измерительного прибора стоит на нуле и горит желтая лампа Лж ; 2) стрелка измерительного прибора находится в движении к нулю, если тумблер-выключатель TB1 поставлен в замкнутое положение (автоматический возврат щетки вариатора в нулевое положение); 3) стрелка измерительного прибора стоит не на нуле (если тумблер-выключатель TB1 поставлен в разомкнутое положение). В этом случае для возврата щетки вариатора в нулевое положение следует нажать кнопку Кд;
з) по истечении 10 мин после заполнения испытательного сосуда жидким диэлектриком нажать кнопку включения испытательного напряжения Кв, при этом загорается красная лампа Лк и гаснет желтая Лж.
Киловольтметр в момент, предшествующий пробою, указывает пробивное напряжение жидкого диэлектрика, которое и следует записать в рабочую тетрадь;
и) после пробоя дождаться возврата стрелки измерительного прибора на нуль (загорится желтая лампа), отключить сетевой выключатель, вынуть съемный ключ, открыть верхнюю дверцу (разомкнутся дверные блок-контакты ДБ1 и ДБ2);
к) перемешать масло чистой стеклянной палочкой или латунной пластинкой.
3. Испытание масла произвести 6 раз. На основании шести пробоев вычислить среднее значение пробивного напряжения, которое принимают за действительное значение. Интервал между пробоями (5—10 мин) контролируют по песочным часам.
4.Результаты измерений и вычислений записать в табл. 1.
Таблица 1 Результаты измерений
Наименование жидкого диэлектрика | Измеряются | Вычисляются | ||||||
h, м | Uпр.1, кВ | Uпр.2, кВ | Uпр.3, кВ | Uпр.4, кВ | Uпр.5, кВ | Uпр.6, кВ | Uпр. ср, кВ | Епр. ср., МВ/м |
Контрольные вопросы
1.Как влияет на электрическую прочность масла большое число следующих друг за другом пробоев?
2.Почему при стандартном испытании масла берут среднее из шести значений пробивного напряжения, а не удовлетворяются одним двумя значениями?
3. В каких электрических аппаратах применяют трансформаторное
масло?
Павлодар облысының білім баскармасы
Управление образования Павлодарской области
Академик Сәтпаев атындағы Екібастұз инженерлік – техникалық институтының колледжі
Екибастузский колледж инженерно – технического института имени академика
Лабораторная работа № 3
по дисциплине «Электротехнические материалы»
На тему: «Определение электрической прочности жидких диэлектриков»
Экибастуз 2009
Источник