Вакуумная технология и оборудование в процессах создания высоковольтной изоляции
В высоковольтном оборудовании энергосистем и в электрофизических установках различного назначения используются многие виды внутренней изоляции. Одним из видов изоляции является бумажно-пропиточная изоляция (БПИ), при изготовлении которой используется вакуумная техника [6, 7]. Исходным материалом для БПИ служат специальные электроизоляционные бумаги и минеральные (нефтяные) масла или синтетические жидкие диэлектрики. Основу БПИ составляют слои бумаги. Каждый слой бумаги может быть сплошным или состоять из витков бумажной ленты. В первом случае это рулоны шириной до 3,5 м, во втором — ролики бумажной ленты шириной от 20 до 400 мм. Рулонная БПИ применяется в секциях силовых конденсаторов и в вводах (проходных изоляторах); ленточная — в конструкциях с электродами относительно сложной конфигурации или в конструкциях большой длины, например в кабелях.
Технология изготовления БПИ состоит в намотке необходимого числа слоев бумаги, вакуумной сушке и пропитке в вакуумных условиях дегазированным маслом или другим жидким диэлектриком. Так как БПИ является многослойной, в ней дефекты твердого диэлектрика (бумаги) заведомо ограничены пределом одного слоя, который многократно перекрывается другими слоями. В БПИ образуется система сообщающихся узких зазоров между слоями и большое количество микропор между волокнами самой бумаги. Благодаря этому при вакуумной сушке обеспечивается удаление воздуха и влаги, а при пропитке — надежное заполнение зазоров и пор маслом или другой пропиточной жидкостью. Наилучшими электрическими и механическими свойствами обладают специальные конденсаторные и кабельные бумаги. Недостатком БПИ являются невысокие допустимые рабочие температуры и горючесть.
Цель вакуумной сушки и пропитки заключается в увеличении электрической прочности. Жидкий диэлектрик, заполняющий поры бумаги, имеет значительно более высокую электропрочность, чем воздух. Для конденсаторной бумаги указывается температура сушки от 120 до 130°С при остаточном давлении 0,1-0,01 Па, а пропитки высушенным и дегазированным жидким диэлектриком — от 80 до 90°С при остаточном давлении 0,1-1 Па .
Большое внимание уделяется сушке и пропитке бумажной изоляции силовых кабелей . Пропиточная бумага должна обладать высокой электропрочностью, малыми диэлектрическими потерями, высоким сопротивлением, высокой механической прочностью. Большинство свойств бумаги существенно зависит от газосодержания. При обычной влажности воздуха (70%) бумага по массе содержит 7-9,5% воды. Для получения высоких электроизоляционных свойств необходимо снизить влагосодержание до 0,3% и менее, а затем пропитать сухим дегазированным пропиточным составом на основе минеральных масел.
При нагреве бумажной изоляции в атмосферных условиях до температуры 100-120°С влагосодержание может быть снижено до 1,5-2%. Снижение давления пара над поверхностью бумаги до 10Па позволяет при температуре 120°С уменьшить влагосодержание до 0,1%.
Для дегазации масла используются специальные дегазационные котлы, в которых при температуре 125°С создается остаточное давление 2,6-103 Па (кабели на напряжение до 10 кВ) и 1,3-103 Па (кабели на напряжение 20 и 35 кВ). При дегазации масла, предназначенного для кабеля на 110 кВ и выше, применяется способ капельного распыления в дегазационных котлах или поверхностного растекание, когда масло протекает через вещество с сильно развитой поверхностью. В этом случае остаточное давление поддерживается на уровне 1-10 Па. Процесс дегазации при этом длится от нескольких десятков до нескольких сотен часов.
Приведем пример, дающий представление о сушильнопропиточном отделении цеха [8-10]. Кабель поступает в сушильнопропиточное отделение уложенным в металлическую корзину. В вакуумный сушильно-пропиточный котел загружается по две корзины с кабелем. Каждый котел включается в систему цеховых массопроводов для подачи в него пропиточного состава. В систему вакуумирования входят вакуумные насосы и конденсационные колонки. В комплекс технологического оборудования включаются также циркуляционные насосы и теплообменники для пропитки.
Технология изготовления высоковольтных маслонаполненных вводов с бумажно-масляной изоляцией также базируется на широком применении вакуумной техники. Ввод служит для изолирования от заземленного силового оборудования высоковольтного токоведущего вывода. Ввод состоит из изолированной бумагой или элегазом токоведущей трубы, соединительной втулки и двух фарфоровых покрышек. Габариты вводов составляют по длине от 2,5 м для вводов 110 кВ до 15 м для вводов 1150 кВ .
В технологии изготовления вводов заводом «Изолятор» применяют водокольцевые насосы ВВН-1,5, форвакуумные НВЗ-150, двухроторные и бустерные насосы. Кроме того, для сушки и дегазации трансформаторного масла, заливаемого во вводы, используют как отечественные дегазационные установки ВДУ-3 и ВДУ-10, так и импортные.
Для обеспечения высокой электрической прочности бумажную изоляцию подвергают термовакуумной обработке т.е. сушат при температуре 105°С под вакуумом 102Па в индукционных шахтных вакуумных печах.
Предварительно, после прогрева бумажной изоляции до 105°С, на сутки включают водокольцевые насосы для удаления основной массы водяного пара из печей, выделяющегося из бумажной изоляции, затем включают форвакуумный насос, а за ним — бустерный.
В результате применения такой технологии термовакуумной обработки было достигнуто остаточное давление в печах 10-1 Па и весьма низкое влагосодержание внутри бумажной изоляции — менее 0,1%.
Высушенная бумажная изоляция поступает на сборку вводов. Собранные вводы вакуумируют через отверстие диаметром 6 мм в течение 24-48 ч, до остаточного давления 133-400 Па после чего производится заливка вводов трансформаторным маслом под вакуумом. Такая технология обеспечивает низкое газосодержание масла в выпускаемых вводах, не более 1%. Значительную долю в увеличении газосодержания масла составляет газ, оставшийся в бумажной изоляции после вакуумирования перед заливкой масла.
За последние 20 лет в мировой практике высоковольтного ап-паратостроения изменились взгляды на необходимость глубокого вакуумирования бумажной изоляции в процессе сушки и пропитки маслом. Если раньше считали, что сушку бумажной изоляции необходимо производить при остаточном давлении 10-1 Па, то в настоящее время считают, что оптимальное давление 10-103 Па. В то же время нашло обоснование повышение глубины вакуума непосредственно перед пропиткой бумажной изоляции в пределах 10-1 Па. Автор отметил, что у завода «Изолятор» в то время для реализации указанного требования не было отечественного вакуум-пропиточного оборудования . Необходимы были вакуумные маслостойкие вентили, клапаны, затворы, конденсаторы паров воды, вакуумные агрегаты с воздушным охлаждением, состоящие из двухроторного и форвакуумного насосов, течеискателей. Установленные на заводе «Изолятор» бустерные и водокольцевые насосы не использовались из-за отсутствия надежных схем блокировки вакуумной системы от аварийного заполнения маслом и водой при внезапном отключении электроэнергии.
Для силовых трансформаторов на напряжения от 10 до 1150 кВ в качестве основной используется маслобарьерная изоляция (МБИ), при изготовлении которой также используется вакуумная технология .
Основу МБИ составляет минеральное трансформаторное масло, которое надежно заполняет изолирующие промежутки между электродами любой сложной формы и обеспечивает хорошее охлаждение конструкции за счет конвективного или принудительного движения масла. Достоинством этого типа изоляции является простота, конструкции и технологии, интенсивное охлаждение активных частей оборудования. Недостатком МБИ является меньшая, чем у БПИ электропрочность, пожаро- и взрывоопасность.
Технология изготовления МБИ включает сборку конструкции, сушку ее под вакуумом и заполнение дегазированным маслом.
Изоляция силовых трансформаторов представляет сложную систему, состоящую из внешней и внутренней частей, обмоток, выводов и вспомогательных устройств. В процессе производства изоляция трансформатора подвергается вакуумной сушке при температуре 110-120°С и остаточном давлении 100-10 Па, для чего активная часть трансформатора помещается в сушильный шкаф. После окончания сушки при сохранении вакуума температуру в сушильном шкафу снижают до 80-85°С и в шкаф заливают высушенное дегазированное трансформаторное масло, обладающее электропрочностью не менее 200 кВ/см. По окончании заливки активную часть выдерживают в шкафу, заполненном маслом при наличии вакуума над поверхностью масла в течение 3-5 часов, затем масло сливают, выдерживают под вакуумом в течение двух часов.
Благодаря вакуумной сушке перед пропиткой обмоток электродвигателей и трансформаторов увеличивается их теплопроводность Обмотки нагреваются протекающим по ним электрическим током по всей толщине, а охлаждение идет только с поверхности. Чем меньше в обмотке воздуха и больше смолы или масла, тем больше ее теплопроводность и меньше разогрев.
Вакуумная технология находит применение не только в производстве конденсаторов и кабелей с БПИ. Одним из типов электрических конденсаторов является вакуумный конденсатор, имеющий меньшие диэлектрические потери, чем газовый, малый температурный коэффициент емкости, большую устойчивость к вибрациям по сравнению с газонаполненным [13]. Значение пробивного напряжения вакуумного конденсатора не зависит от атмосферного давления, поэтому он широко используется в авиационной технике.
Вакуумная техника применяется также при испытании герметичности конденсаторов, заполненных элегазом. Испытуемый конденсатор помещается в герметичную камеру, на первом этапе откачиваемую с помощью мощных вакуумных насосов для удаления адсорбированных газов. На втором этапе камера за короткое время наполняется сухим воздухом до давления ниже атмосферного и отбирается проба из смеси воздуха и (в случае негерметичности) элегаза. Встроенные в систему датчики давления работают на центральный измерительный комплекс.
Большую роль играет вакуумная технология и вакуумнотехнологическое оборудование в производстве металлопленочных конденсаторов. Одним из методов изготовления тонкопленочных конденсаторов является радиочастотное магнетронное распыление мишеней из керамики ВаТЮ3 [14]. Распыление ведется в атмосфере Аг + О2 на кремниевую подложку с температурой от комнатной до 700° С. Для практических применений рекомендуется двух- и трехслойные конденсаторы с диэлектриком ВаТЮ3. Предложен ускоренный метод изготовления намотанных металлопленочных конденсаторов [15]. Метод дает также повышение качества и надежности конденсаторов и уменьшение их стоимости. Заготовки конденсаторов помещаются в вакуумную камеру для откачки воздуха из пор применяемых материалов. Затем поры заполняются под давлением газом с высокой электропрочностью (например, элегазом или хладоном-12), что предотвращает возникновение коронного разряда, и герметизируются полимерными капсулами.
Фирмой General Vacuum Equipment (Великобритания) разработана установка для вакуумного нанесения электродов из алюминия, цинка, а также слоев алюминий-цинк-алюминий на диэлектрики для конденсаторов переменного тока.
Предложен способ получения металлизированной полимерной пленки, используемой при изготовлении конденсаторов повышенного качества. Полимерная подложка обрабатывается в плазме в атмосфере инертного газа при давлении 10-10-1 Па. Затем на полимерную подложку осаждается тонкая пленка одного из металлов Au, Ag, Сщ Ni, Sn в количестве 0,1-50 мг/м2, что существенно улучшает адгезию. После этого осаждается алюминиевая пленка. Оптимальная толщина алюминиевой пленки 20-100 мкм. Коэффициент гладкости поверхности не хуже 10-4. В производстве металлопленочных конденсаторов используется устройство, обеспечивающее точное расположение масок в установке металлизации. Предложена установка для металлизации с таким устройством.
Широкую пленку из полиэфира, поликарбоната и т.п. электроизоляционного материала металлизируют в вакууме алюминием, цинком или сплавами, содержащими алюминий, цинк, хром. Для получения из такой пленки заготовок конденсаторов при металлизации используют одновременно до 100 лент-масок, которые надеты на две пары приводных роликов и прижаты к металлизируемой пленке. Перед узлом металлизации ленты-маски проходят через направляющие гребенки из сплава инвар.
Еще одной функцией применения вакуума является формообразование, при котором разность давлений создает силу, заменяющую механическую. Например, предложена система для производства проводов с круглой или преимущественно прямоугольной токопроводящей жилой (ТПЖ), которая содержит отдающее и приемное устройства и экструдер, обеспечивающий наложение полимера без растворителя в виде трубки продольно вокруг ТПЖ, движущейся от отдающего к приемному устройству. Трубка из полимера плотно накладывается на поверхность ТПЖ с помощью вакуума, создаваемого внутри трубки. При этом в системе предусматриваются устройства для контроля скорости движения ТПЖ относительно головки экструдера и, таким образом, регулирования толщины экструдируемой электроизоляции при изменении скорости движения ТПЖ.