I principali tipi e caratteristiche elettriche dell'isolamento interno degli impianti elettrici

Proprietà generali dell'isolamento interno degli impianti elettrici

L'isolamento interno si riferisce a parti della struttura isolante in cui il mezzo isolante è dielettrico liquido, solido o gassoso o loro combinazioni, che non hanno un contatto diretto con l'aria atmosferica.

L'opportunità o la necessità di utilizzare l'isolamento interno piuttosto che l'aria ambiente è dovuta a una serie di ragioni.

Innanzitutto, i materiali isolanti interni hanno una resistenza elettrica significativamente più elevata (5-10 volte o più), che può ridurre drasticamente le distanze di isolamento tra i fili e ridurre le dimensioni dell'apparecchiatura. Questo è importante dal punto di vista economico.

In secondo luogo, i singoli elementi dell'isolamento interno svolgono la funzione di fissaggio meccanico dei fili; i dielettrici liquidi in alcuni casi migliorano significativamente le condizioni di raffreddamento dell'intera struttura.

Gli elementi isolanti interni nelle strutture ad alta tensione durante il funzionamento sono esposti a forti carichi elettrici, termici e meccanici. Sotto l'influenza di queste influenze, le proprietà dielettriche dell'isolamento si deteriorano, l'isolamento "invecchia" e perde la sua resistenza elettrica.

Gli effetti termici sono causati dal rilascio di calore nelle parti attive dell'apparecchiatura (nei cavi e nei circuiti magnetici) nonché dalle perdite dielettriche nell'isolamento stesso. In condizioni di temperatura elevata, i processi chimici nell'isolamento accelerano notevolmente, il che porta a un graduale deterioramento delle sue proprietà.

I carichi meccanici sono pericolosi per l'isolamento interno, perché possono comparire microcricche nei dielettrici solidi che lo compongono, dove poi, sotto l'influenza di un forte campo elettrico, si verificheranno scariche parziali e l'invecchiamento dell'isolamento accelererà.

Una particolare forma di influenza esterna sull'isolamento interno è causata dai contatti con l'ambiente e dalla possibilità di contaminazione e umidità dell'isolamento in caso di perdite dell'impianto. La bagnatura dell'isolamento comporta una forte diminuzione della resistenza di dispersione e un aumento delle perdite dielettriche.

Proprietà dell'isolante come dielettrico

L'isolamento è principalmente caratterizzato da resistenza CC, perdita dielettrica e rigidità elettrica. Il circuito di isolamento elettricamente equivalente può essere rappresentato collegando condensatori e resistori in parallelo. A questo proposito, quando viene applicata una tensione costante all'isolamento, la corrente in esso diminuisce esponenzialmente e il valore di resistenza misurato aumenta di conseguenza.Il valore stabilito della resistenza di isolamento R da esso caratterizza l'inquinamento esterno dell'isolamento e la presenza di percorsi di corrente passanti in esso. Inoltre, l'isolamento dell'idratazione può anche essere caratterizzato dal valore assoluto della capacità e dalla dinamica del suo cambiamento.

Distruzione dell'isolamento interno delle apparecchiature elettriche

In caso di guasto ad alta tensione, l'isolamento interno perde completamente o parzialmente la sua rigidità dielettrica. La maggior parte dei tipi di isolamento interno appartiene al gruppo degli isolanti non recuperabili, la cui rottura comporta un danno irreversibile alla struttura, ciò significa che l'isolamento interno deve avere una rigidità dielettrica superiore a quella dell'isolamento esterno, cioè tale livello che i guasti sono completamente esclusi durante l'intera vita di servizio.

L'irreversibilità del danno all'isolamento interno complica enormemente l'accumulo di dati sperimentali per i nuovi tipi di isolamento interno e per le grandi strutture di isolamento di nuova concezione di apparecchiature ad alta e altissima tensione. Dopotutto, ogni pezzo di isolante grande e costoso può essere testato per guasti solo una volta.

Dielettrici utilizzati per produrre l'isolamento interno delle apparecchiature elettriche

Dielettricile apparecchiature utilizzate per la produzione dell'isolamento interno ad alta tensione devono possedere un complesso di elevate proprietà elettriche, termofisiche e meccaniche e fornire: il livello richiesto di rigidità dielettrica, nonché le caratteristiche termiche e meccaniche richieste della struttura isolante con dimensioni che soddisfano gli alti indicatori tecnici ed economici dell'intero impianto nel suo complesso.

I materiali dielettrici devono inoltre:

• avere buone proprietà tecnologiche, ad es. deve essere adatto a processi di isolamento interno ad alto rendimento;

• soddisfare i requisiti ambientali, ad es. non devono contenere o formare prodotti tossici durante il funzionamento e, dopo l'esaurimento dell'intera risorsa, devono subire lavorazioni o distruzioni senza inquinare l'ambiente;

• non scarseggiare e avere un prezzo tale che la struttura di isolamento sia economicamente sostenibile.

In alcuni casi, altri requisiti possono essere aggiunti ai requisiti di cui sopra a causa delle specifiche di un particolare tipo di apparecchiatura. Ad esempio, i materiali per i condensatori di potenza devono avere una costante dielettrica aumentata; materiali per camere di distribuzione — elevata resistenza agli shock termici e agli archi elettrici.

La pratica a lungo termine della creazione e del funzionamento di varie apparecchiature ad alta tensione mostra che in molti casi l'intero insieme di requisiti viene soddisfatto al meglio quando una combinazione di diversi materiali viene utilizzata come parte dell'isolamento interno, completandosi a vicenda e svolgendo funzioni leggermente diverse .

Pertanto, solo i materiali dielettrici solidi forniscono la resistenza meccanica della struttura isolante; di solito hanno la più alta rigidità dielettrica. Parti costituite da un dielettrico solido ad alta resistenza meccanica possono fungere da ancoraggio meccanico per i fili.

I gas ad alta resistenza e i dielettrici liquidi riempiono facilmente le lacune dell'isolamento di qualsiasi configurazione, comprese le lacune, i pori e le crepe più piccole, aumentando così in modo significativo la rigidità dielettrica, soprattutto a lungo termine.

L'utilizzo di dielettrici liquidi consente in alcuni casi di migliorare sensibilmente le condizioni di raffreddamento dovute alla circolazione naturale o forzata del liquido isolante.

Tipi di isolamento interno e materiali utilizzati per la loro produzione.

Diversi tipi di isolamento interno vengono utilizzati negli impianti ad alta tensione e nelle apparecchiature del sistema di alimentazione. I più comuni sono isolanti impregnati di carta (carta-olio), isolanti barriera all'olio, isolanti a base di mica, plastica e gas.

Queste varietà presentano alcuni vantaggi e svantaggi e hanno le proprie aree di applicazione. Tuttavia, condividono alcune proprietà comuni:

• la complessa natura della dipendenza della rigidità dielettrica dalla durata dell'esposizione alla tensione;

• nella maggior parte dei casi, distruzione irreversibile per demolizione;

• influenza sul comportamento durante il funzionamento di influenze meccaniche, termiche e altre influenze esterne;

• nella maggior parte dei casi una predisposizione all'invecchiamento.

Isolamento in carta impregnata (BPI)

I materiali di partenza sono speciali carte isolanti elettriche e oli minerali (petrolio) o dielettrici liquidi sintetici.

L'isolamento impregnato di carta si basa su strati di carta. L'isolamento in carta impregnata di rotoli (larghezza del rotolo fino a 3,5 m) viene utilizzato nelle sezioni dei condensatori di potenza e nelle boccole (maniche); nastro (larghezza del nastro da 20 a 400 mm) - in strutture con elettrodi di configurazione relativamente complessa o lunga lunghezza (manicotti di classi di tensione più elevate, cavi di alimentazione). Gli strati di isolamento del nastro possono essere avvolti sull'elettrodo con una sovrapposizione o con uno spazio tra le spire adiacenti.Dopo l'avvolgimento della carta, l'isolante viene essiccato sotto vuoto ad una temperatura di 100-120°C ad una pressione residua di 0,1-100 Pa. La carta viene poi impregnata sottovuoto con olio ben degasato.

Un difetto della carta nell'isolamento impregnato di carta è limitato a uno strato ed è ripetutamente sovrapposto da altri strati. Gli spazi più sottili tra gli strati e un gran numero di micropori nella carta stessa durante l'asciugatura sotto vuoto rimuovono l'aria e l'umidità dall'isolamento e durante l'impregnazione, questi spazi e pori vengono riempiti in modo affidabile con olio o altro liquido impregnante.

Le carte per condensatori e cavi hanno una struttura omogenea e un'elevata purezza chimica. Le carte per condensatori sono le più sottili e pure. Le carte per trasformatori sono utilizzate in passanti, trasformatori di corrente e tensione, nonché in elementi isolanti longitudinali di trasformatori di potenza, autotrasformatori e reattori.

Per l'impregnazione dell'isolamento in carta nei cavi di potenza riempiti d'olio 110-500 kV, con olio a bassa viscosità o oli sintetici per cavi, e nei cavi fino a 35 kV — miscele riempite d'olio con viscosità aumentata.

L'impregnazione viene eseguita in trasformatori di potenza e di misura e passanti olio per trasformatori… Uso di condensatori di potenza olio per condensatori (petrolio), bifenili clorurati o loro sostituti e olio di ricino (nei condensatori ad impulso).

Gli oli per cavi e condensatori di petrolio sono più accuratamente raffinati rispetto agli oli per trasformatori.

Bifenili clorurati dotati di elevata costante dielettrica relativa, maggiore resistenza alle scariche parziali (PD) e incombustibilità, sono tossici e pericolosi per l'ambiente. Pertanto, la portata del loro utilizzo è nettamente ridotta, vengono sostituiti da liquidi ecologici.

Per ridurre le perdite dielettriche nei condensatori di potenza si utilizza un isolamento combinato, in cui gli strati di carta sono alternati a strati di film di polipropilene, che è di un ordine di grandezza più piccolo della carta grezza. Tale isolamento ha una maggiore resistenza elettrica.

Gli svantaggi dell'isolamento impregnato di carta sono la bassa temperatura di esercizio consentita (non superiore a 90 ° C) e l'infiammabilità.

Isolamento barriera all'olio (riempito d'olio) (MBI).

Questo isolamento si basa sull'olio per trasformatori. Assicura un buon raffreddamento della struttura per circolazione spontanea o forzata.

Anche i materiali dielettrici solidi fanno parte dell'isolamento della barriera all'olio: cartone elettrico, carta per cavi, ecc. Forniscono resistenza meccanica alla struttura e sono utilizzati per aumentare la rigidità dielettrica dell'isolamento della barriera all'olio. I deflettori sono realizzati in cartone elettrico e gli elettrodi sono ricoperti da strati di carta per cavi. Le barriere aumentano la rigidità dielettrica dell'isolamento con una barriera all'olio del 30-50%, dividendo lo spazio isolante in una serie di canali stretti, limitano la quantità di particelle di impurità che possono avvicinarsi agli elettrodi e partecipare all'avvio del processo di scarica.

La resistenza elettrica dell'isolamento della barriera all'olio viene aumentata rivestendo gli elettrodi di forma complessa con un sottile strato di materiale polimerico e, nel caso di elettrodi di forma semplice, isolando con strati di nastro di carta.

La tecnologia per la produzione di isolanti con barriera all'olio prevede l'assemblaggio della struttura, l'asciugatura sottovuoto ad una temperatura di 100-120°C e il riempimento (impregnazione) sottovuoto con olio degassato.

I vantaggi dell'isolamento della barriera all'olio includono la relativa semplicità del design e della tecnologia della sua produzione, il raffreddamento intensivo delle parti attive dell'apparecchiatura (avvolgimenti, circuiti magnetici), nonché la possibilità di ripristinare la qualità dell'isolamento durante il funzionamento asciugando la struttura e cambiando l'olio.

Gli svantaggi dell'isolamento con una barriera all'olio sono la minore resistenza elettrica rispetto all'isolamento carta-olio, il pericolo di incendio ed esplosione della struttura, la necessità di una protezione speciale contro l'umidità durante il funzionamento.

L'isolamento dell'isolamento in olio viene utilizzato come isolamento principale nei trasformatori di potenza con una tensione nominale da 10 a 1150 kV, negli autotrasformatori e nei reattori con classi di tensione più elevate.

L'isolamento a base di mica ha una classe di resistenza al calore B (fino a 130 ° C). La mica ha una rigidità dielettrica molto elevata (a un certo orientamento del campo elettrico rispetto alla struttura cristallina), è resistente alle scariche parziali ed è altamente resistente al calore. Grazie a queste proprietà, la mica è un materiale indispensabile per isolare gli avvolgimenti statorici di grandi macchine rotanti. I principali materiali di partenza sono la striscia di mica o la striscia di mica di vetro.

Micalenta è uno strato di lastre di mica collegate tra loro con vernice e con un substrato di carta speciale o nastro di vetro. Mikalenta viene utilizzato nel cosiddetto isolamento complesso, il cui processo di produzione comprende l'avvolgimento di diversi strati di nastro di mica, l'impregnazione con un composto bituminoso sotto vuoto, il riscaldamento e la pressatura. Queste operazioni vengono ripetute ogni cinque o sei strati fino ad ottenere lo spessore isolante richiesto. L'isolamento complesso è attualmente utilizzato in macchine di piccole e medie dimensioni.

L'isolamento da strisce di mica di vetro e composti impregnanti termoindurenti è più perfetto.

Il nastro di mica è costituito da uno strato di carta mica spessa 0,04 mm e uno o due strati di nastro di vetro spesso 0,04 mm. Tale composizione ha una resistenza meccanica sufficientemente elevata (dovuta ai substrati) e le suddette qualità caratteristiche della mica.

Strisce di mica e composizioni impregnanti a base di resine epossidiche e poliestere vengono utilizzate per realizzare isolanti termoindurenti, che non si ammorbidiscono se riscaldati, mantengono un'elevata resistenza meccanica ed elettrica. I tipi di isolamento termoindurente utilizzati nel nostro paese sono chiamati "mica", "monolite", "monotherm", ecc. L'isolamento termoindurente viene utilizzato negli avvolgimenti statorici di grandi turbogeneratori e idrogeneratori, motori e compensatori sincroni con una tensione nominale fino a 36 kV.

L'isolamento in plastica su scala industriale viene utilizzato nei cavi di alimentazione per tensioni fino a 220 kV e nei cavi di impulso. Il principale materiale dielettrico in questi casi è il polietilene a bassa e alta densità. Quest'ultimo ha migliori proprietà meccaniche ma è meno lavorabile a causa della sua temperatura di rammollimento più elevata.

L'isolamento in plastica del cavo è racchiuso tra schermi semiconduttori in polietilene caricato con carbonio. Lo schermo sul filo che porta corrente, l'isolamento in polietilene e lo schermo esterno sono applicati per estrusione (estrusione). Alcuni tipi di cavi impulsivi utilizzano intercalari di nastro fluoroplastico, in alcuni casi il cloruro di polivinile viene utilizzato per le guaine protettive dei cavi.

Isolamento a gas

Viene utilizzato per eseguire l'isolamento del gas nelle strutture ad alta tensione Gas SF6 o esafluoruro di zolfo… È un gas incolore e inodore circa cinque volte più pesante dell'aria.Ha la forza maggiore rispetto ai gas inerti come azoto e anidride carbonica.

Il gas SF6 puro è innocuo, chimicamente inattivo, ha una maggiore capacità di dissipazione del calore ed è un ottimo mezzo di soppressione dell'arco; non brucia né sostiene la combustione. La rigidità dielettrica del gas SF6 in condizioni normali è circa 2,5 volte quella dell'aria.

L'elevata rigidità dielettrica del gas SF6 è spiegata dal fatto che le sue molecole legano facilmente gli elettroni, formando ioni negativi stabili. Pertanto, il processo di moltiplicazione degli elettroni in un forte campo elettrico, che è la base per lo sviluppo di una scarica elettrica, diventa difficile.

All'aumentare della pressione, la rigidità dielettrica del gas SF6 aumenta quasi proporzionalmente alla pressione e può essere superiore a quella del liquido e di alcuni dielettrici solidi. La più alta pressione di esercizio e quindi il più alto livello di rigidità dielettrica dell'SF6 in una struttura isolante è limitata dalla possibilità di liquefazione dell'SF6 a basse temperature, ad esempio la temperatura di liquefazione dell'SF6 a una pressione di 0,3 MPa è -45 ° C ea 0,5 MPa è -30 ° C. Tali temperature per apparecchiature esterne spente sono del tutto possibili in inverno in molte parti del paese.

Strutture di supporto isolanti realizzate con isolamento epossidico colato vengono utilizzate per fissare le parti sotto tensione in combinazione con il gas SF6.

Il gas SF6 viene utilizzato in interruttori automatici, cavi e quadri ermeticamente sigillati (GRU) per tensioni di 110 kV e superiori ed è un materiale isolante molto promettente.

A temperature superiori a 3000 ° C, la decomposizione del gas SF6 può iniziare con il rilascio di atomi di fluoro liberi.Si formano sostanze tossiche gassose. La probabilità del loro verificarsi esiste per alcuni tipi di interruttori progettati per disconnettere grandi correnti di cortocircuito. Poiché gli interruttori sono sigillati ermeticamente, il rilascio di gas velenosi non è pericoloso per il personale operativo e per l'ambiente, ma è necessario adottare precauzioni speciali durante la riparazione e l'apertura dell'interruttore.