Газовая изоляция
Изоляция токоведущих частей электрических установок может быть газовой, твердой, жидкой или комбинированной.
Естественная газовая изоляция — это воздушная изоляция. Атмосферный воздух обладает электрической прочностью, позволяющей использовать воздушную изоляцию вплоть до высших рабочих напряжений при условии достаточно больших расстояний между электродами.
Природа снабдила нас даровым диэлектриком — атмосферным воздухом. Естественная воздушная изоляция используется на воздушных линиях электропередачи, в распределительных устройствах (РУ) на подстанциях и другой электрической аппаратуре, токопроводные элементы которых выходят в атмосферу.
В качестве изолирующих газов используется воздух, элегаз (SF6), азот, смесь элегаза с азотом и др.
Характеристики газовой изоляции
Газы не имеют постоянного объема, формы и структуры. При отсутствии оболочки газы способны расширяться беспредельно. При давлении 760 мм.рт.ст. газы имеют малую плотность. Молекулы газа преодолевают в пространстве силы взаимного притяжения, испытывая только столкновения друг с другом.
Электрическая прочность — основная характеристика газа как изоляционной среды — изучается в технике высоких напряжений наиболее подробно.
При нормальных атмосферных условиях (давление - 100 кПа, температура - 293 К, плотность - 11 г/м3) и в однородном электрическом поле электрическая прочность воздуха составляет 30 кВ/см.
Такое значение характерно для расстояния между электродами менее 1 м. При расстояниях 1-2 м прочность составляет около 5 кВ/см, а при расстоянии 10 м и выше - 1,5-2,5 кВ/см. Снижение электрической прочности воздуха при больших расстояниях объясняется стримерной теорией развития разряда. На величину электрической прочности воздуха оказывают влияние температура, давление (плотность) и влажность.
Электрическую прочность воздуха можно повысить путем глубокого его разрежения, близкого к вакууму, или, наоборот, путем сжатия его до высоких давлений. Оба эти способа используются техникой высоких напряжений.
Изоляционные свойства атмосферного воздуха зависят от барометрического давления. В известных пределах электрическая прочность воздуха пропорциональна давлению.
Подавляющее большинство электрических установок расположено на уровне, близком к уровню моря, где давление близко к одной атмосфере. На этом уровне изоляционные свойства воздуха еще удовлетворительны с точки зрения строительства воздушных линий и подстанций.
Но в горных районах, где барометрическое давление низко, изоляционные свойства воздуха снижаются, и в этих районах перед техникой высоких напряжений возникает много сложных проблем.
При очень глубоком разрежении газа электрическая прочность вновь повышается, что также используется в изоляционных конструкциях.
Хотя техника высоких напряжений пока еще вполне земная техника, можно задаться вопросом о ее возможностях в космосе. В практически абсолютном вакууме электрическая прочность очень высока, поэтому, например, на Луне проблема наружной изоляции высоковольтных установок решалась бы очень просто.
Электрическое оборудование обычно проектируется для работы на высоте до 1000 м над уровнем моря при температуре t < 40 °С и плотности 11 г/м3. При увеличении высоты на 100 м и увеличении температуры на 3 °С прочность воздуха снижается на 1 %. Увеличение абсолютной влажности в два раза снижает прочность на 6-8 %. Эти данные характерны для расстояния между токоведущими частями до 1 м. При увеличении расстояния влияние атмосферных условий снижается.
На основе свойств разряда в газах выбираются габариты воздушных линий электропередачи, ошиновка подстанций, марки проводов сверхвысокого напряжения, высота изоляторов, размеры изоляционных конструкций с газовой изоляцией и т. д. Таким образом, свойства разряда в газах имеют важнейшее значение в электроэнергетике вообще и в технике высоких напряжений в частности.
Достоинства воздушной изоляции
Достоинства атмосферного воздуха как диэлектрика — это относительно низкая стоимость, относительно высокая электрическая прочность, свойство "самовосстановления", хорошая теплопроводность.
Экономичность и доступность являются основными преимуществами атмосферного воздуха как изоляции. Именно по этой причине получили столь большое распространение воздушные линии электропередачи высокого напряжения.
Недостатки воздушной изоляции
Атмосферный воздух подвержен всем метеорологическим воздействиям, а также загрязнению, например уносами труб промышленных предприятий. Загрязнения при повышенной, влажности резко снижают изоляционные свойства наружной поверхности изоляторов.
Главным же недостатком воздуха является то, что под действием на него короны образуется озон и окись азота, что в свою очередь приводит к старению твердой изоляции и коррозии.
Газовая внутренняя изоляция
Газы используются в качестве не только наружной, но и внутренней изоляции высоковольтных конструкций, т. е. изоляции, непосредственно не связанной с атмосферным воздухом.
Для внутренней изоляции применяются газы, обладающие повышенной электрической прочностью. Такими являются газы при высоком давлении, а также специальные высокопрочные газы, находящие за последние годы все большее применение. Применяется также вакуумная внутренняя изоляция, обладающая высокой электрической прочностью.
Для использования газов в качестве внутренней изоляции важна не только их электрическая прочность, но и ряд других физико-химических свойств.
Газы должны быть инертны, т. е. не вступать в химические соединения с материалом оболочки (металл, пластмасса, фарфор), в которой заключен газ. Для электрических аппаратов, выделяющих тепло, важна теплопроводность газов. С точки зрения безопасности важны невоспламеняемость, взрывобезопасность и нетоксичность газов.
Только с учетом всех этих условий можно подобрать для данной изоляционной конструкции газ с «оптимальными» свойствами. Стоимость такого газа решает вопрос о целесообразности его применения.
Виды газовой изоляции электроустановок
В настоящее время для изготовления газовой изоляции используются следующие газы: элегаз, азот, смесь элегаза с азотом и некоторые фторуглероды. Многие из этих газов имеют электрическую прочность выше, чем у воздуха. Недостатком многих изоляционных более 3200 лет и имеет парниковый потенциал в 22000 раз больше, чем потенциал углекислого газа.
Несмотря на то, что доля элегаза в образовании парникового эффекта сравнительно мала (около 0,2 %), он включен в список парниковых газов из-за широкого использования в электроэнергетике.
В новых высоковольтных коммутационных аппаратах элегаз применяется в качестве изолирующей и дугогасящей среды (смотрите - Элегазовые выключатели 110 кВ и выше).
Коммутационная способность и диэлектрические свойства коммутационных аппаратов зависят от плотности элегаза, которая постоянно должна контролироваться. Утечки через уплотнения или корпус должны автоматически определяться приборами.
Нормальное рабочее давление (давление заполнения при 20 °С) для этих коммутационных аппаратов от 0,45 до 0,7 МПа в минимальном температурном диапазоне от -40 °С до -25 °С. Элегаз не токсичен, не подвержен загрязнению или увлажнению, не огнеопасен и не имеет озоноразрушающего эффекта. Однако, он сохраняется в атмосфере. Подобнее об этом изоляционном газе написано здесь: Элегаз и его свойства
В реальном газе всегда присутствует конечное число заряженных частиц - электронов и ионов. Свободные носители заряда образуются в результате воздействия естественных ионизаторов - ультрафиолетового излучения солнца, космических лучей, радиоактивного излучения. Также свободные носители заряда образуются под действием электрического поля в результате ионизации.
Этот процесс может носить нарастающий характер в виде лавины. В результате канал между электродами приобретает высокую проводимость и наступает пробой газообразного диэлектрика. Подробнее об этом читайте здесь: Виды электрических разрядов в газах
Андрей Повный