Введение

Полый электрический изолятор

В электроэнергетике, введение (или проходной изолятор) – это полый электрический изолятор, который обеспечивает безопасный проход электрического проводника через проводящую преграду, например, корпус трансформатора или выключателя, без электрического контакта с ней. Введения обычно изготавливаются из фарфора, хотя также используются и другие изоляционные материалы.

Пояснение

Все материалы, несущие электрический заряд, генерируют электрическое поле. Когда находящийся под напряжением проводник расположен вблизи материала, заземленного на потенциале земли, может возникнуть очень высокая напряженность поля, особенно в местах, где линии поля вынуждены резко изгибаться вокруг заземленного материала. Бушина контролирует форму и напряженность поля и снижает электрические нагрузки на изоляционный материал.

Конденсатор для бушинга

Втулка должна быть спроектирована таким образом, чтобы выдерживать напряженность электрического поля, возникающую в изоляции при наличии заземленного материала. По мере увеличения напряженности электрического поля в изоляции могут формироваться пути утечки. Если энергия этих путей утечки превышает электрическую прочность изоляции, это может привести к пробою изоляции и прохождению электрической энергии к ближайшему заземленному материалу, вызывая нагрев и образование дуги. Типичная конструкция втулки включает проводник, обычно из меди или алюминия, иногда из другого проводящего материала, окруженный изоляцией, за исключением выводных концов. В случае шины, проводниковые выводы поддерживают шину в заданном положении. В случае втулки, к изоляции также крепится фиксирующее устройство для ее удержания. Обычно точка крепления является частью конструкции или охватывает изоляцию на части ее изолированной поверхности. Изолирующий материал между точкой крепления и проводником является наиболее нагруженной областью. Конструкция любой электрической втулки должна обеспечивать, чтобы электрическая прочность изолирующего материала выдерживала проникающую "электрическую энергию", проходящую через проводник через любые сильно нагруженные участки. Она также должна выдерживать как обычные рабочие напряжения, так и редкие, но значительные импульсы высокого напряжения, поскольку именно напряжение определяет и контролирует развитие путей утечки, а не ток. Изолированные втулки могут устанавливаться как внутри помещений, так и на открытом воздухе, а выбор изоляции определяется местом установки и электрическими характеристиками втулки. Для обеспечения надежной работы втулки в течение многих лет, изоляция должна сохранять свою эффективность как по составу, так и по форме, что является ключевым фактором ее долговечности. Поэтому втулки могут значительно различаться как по материалам, так и по конструкции.

Изоляция из фарфора

Самые ранние конструкции бушингов использовали фарфор как для внутренних, так и для наружных применений. Фарфор изначально использовался благодаря своим свойствам непроницаемости для влаги после нанесения обжигающей глазури и низкой стоимости производства. Основным недостатком фарфора является то, что его небольшое значение коэффициента линейного расширения требует применения гибких уплотнений и массивных металлических деталей, что создает проблемы при производстве и эксплуатации. Типичный фарфоровый бушинг представляет собой полый фарфоровый элемент, который устанавливается в отверстие в стене или металлическом корпусе, позволяя проводнику проходить через его центр и подключаться к другому оборудованию с обоих концов. Бушинги такого типа часто изготавливаются из фарфора, полученного влажным способом, с последующим нанесением глазури. Для выравнивания градиента электрического потенциала по длине бушинга может использоваться полупроводящая глазурь. Внутренняя полость фарфорового бушинга часто заполняется маслом для обеспечения дополнительной изоляции, и такие конструкции широко применяются до 36 кВ, где допускаются более высокие частичные разряды. Если требуется соответствие требованиям IEC 60137 к частичным разрядам, проводники, изолированные бумагой и смолой, используются совместно с фарфором в неотапливаемых помещениях и на открытом воздухе. Распространено использование бушингов с полимерной (полимерной, композитной) изоляцией для высоковольтных применений, хотя большинство высоковольтных бушингов обычно изготавливаются из бумажной изоляции, пропитанной смолой, вокруг проводника, с фарфоровыми или полимерными изоляционными элементами для наружного конца и иногда для внутреннего.

Бумажная изоляция

Другой ранней формой изоляции была бумага, однако бумага гигроскопична и поглощает влагу, что является вредным фактором и создает недостатки для негибких линейных конструкций. Технология литой смолы доминирует в производстве изолирующих изделий с 1960-х годов благодаря гибкости формы и более высокой диэлектрической прочности. Обычно бумажная изоляция впоследствии пропитывается либо маслом (исторически), либо, что более распространено в настоящее время, смолой. В случае использования смолы, бумага покрывается тонким слоем фенольной смолы, превращаясь в бумагу, связанную синтетической смолой (SRBP), или пропитывается эпоксидными смолами после сухой обмотки, становясь бумагой, пропитанной смолой, или бумагой, пропитанной эпоксидной смолой (RIP, ERIP). Втулки с изоляцией SRBP обычно используются при напряжениях до 72,5 кВ. Однако при напряжениях выше 12 кВ возникает необходимость в контроле внешнего электрического поля и выравнивании внутреннего запаса энергии, что снижает диэлектрическую прочность бумажной изоляции. Для повышения характеристик бумажной изоляции во время процесса обмотки могут быть вставлены металлические фольги. Они стабилизируют возникающие электрические поля, гомогенизируя внутреннюю энергию за счет эффекта емкости. Эта особенность привела к созданию конденсаторной/емкостной втулки. Конденсаторная втулка изготавливается путем вставки очень тонких слоев металлической фольги в бумагу в процессе обмотки. Вставленные проводящие фольги создают емкостный эффект, который более равномерно рассеивает электрическую энергию по всей изолированной бумаге и снижает напряженность электрического поля между токоведущим проводником и любым заземленным материалом. Конденсаторные втулки создают электрические поля напряжения, которые значительно менее интенсивны в области крепежного фланца, чем конструкции без фольги, и, при использовании в сочетании с пропиткой смолой, позволяют создавать втулки, успешно работающие при номинальных напряжениях свыше одного миллиона вольт.

Резиновая изоляция

С 1960-х годов смоляные материалы используются для всех типов втулок, вплоть до самых высоких напряжений. Гибкость применения литьевой формы изоляции заменила бумажную изоляцию во многих областях применения и доминирует на современном рынке изолированных втулок. Как и в случае с бумажной изоляцией, контроль электрических полей остается важным. Смоляная изоляция обладает большей электрической прочностью, чем бумага, и требует меньшего контроля напряженности поля при напряжениях ниже 25 кВ. Однако в некоторых компактных и более мощных конструкциях коммутационного оборудования заземленные материалы расположены ближе к втулкам, чем раньше, и в этих конструкциях могут потребоваться выравнивающие экраны в смоляных втулках, работающих уже при 12 кВ. Точки крепления часто являются частью основной смоляной формы и представляют меньшие проблемы для заземленных материалов, чем металлические фланцы, используемые в бумажных втулках. Однако при проектировании смоляных изолированных втулок с внутренними литыми экранами необходимо следить за тем, чтобы преимущества контроля электрического поля не нивелировались увеличением частичных разрядов, вызванных сложностью устранения микропустот в смоле вокруг экранов в процессе литья. Необходимость устранения пустот в смоле становится более критичной с увеличением напряжения, и обычно для втулок с номинальным напряжением выше 72,5 кВ возвращаются к бумажной изоляции, пропитанной смолой и фольгой.

Неисправность в проходе

Втулки иногда выходят из строя из-за частичных разрядов. Это иногда обусловлено медленным и прогрессирующим ухудшением изоляции в течение многих лет эксплуатации под напряжением; однако это также может быть быстрое разрушение, которое уничтожает исправную втулку за несколько часов. В настоящее время электроэнергетическая отрасль проявляет большой интерес к мониторингу состояния высоковольтных втулок. Однако некоторые втулки выходят из строя на ранних этапах эксплуатации из-за несоблюдения режимов напряжения или отсутствия необходимого технического обслуживания, в то время как другие связаны с зарождающимися дефектами, возникающими в процессе производства. Это подтверждается относительно небольшим количеством случаев выхода втулок из строя во всем мире.

Электрический и структурный анализ

Анализ методом конечных элементов обычно проводится перед тем, как бушина будет признана пригодной для использования в новом оборудовании или месте установки. Это особенно важно для бушин изоляторов вокруг высоковольтных проводников. Электрический анализ обычно сосредотачивается на формировании электрического поля вокруг проводника и на том, как форма бушины влияет на это поле. Структурный анализ учитывает нагрузки (ветер, снег, землетрясения, дождь и т.д.), которые бушина должна выдерживать.