Загальні відомості про силові конденсаторах - силові електричні конденсатори
Сторінка 2 з 26
Глава перша
Загальні відомості про СИЛОВИХ конденсаторів
ОСОБЛИВОСТІ І КЛАСИФІКАЦІЯ СИЛОВИХ КОНДЕНСАТОРІВ
Електричний конденсатор, широко застосовуваний в різних областях науки і техніки, являє собою пристрій, що складається з двох знаходяться під різними потенціалами провідників (в силових конденсаторах - обкладок), розділених ізоляційним матеріалом або їх композицією (діелектриком) і призначене для використання його електричної ємності. Етапи розвитку конденсаторостроенія (в тому числі і силового) з моменту появи конденсатора (1745 г.) і до середини XX в. викладені в [1.1, 1.11], а становлення і розвиток силового конденсаторостроенія в СРСР - в [1.1]. Подальший розвиток і вдосконалення силових конденсаторів пов'язано з впровадженням в якості діелектрика синтетичної полімерної плівки на основі ізотактичного поліпропілену. Використовуючи її, фірма «Дженерал Електрик» з середини 60-х рр. першою почала випуск більш економічних конденсаторів з паперово-плівковим діелектриком. Фірмою «Сіменс» розроблені конденсатори для підвищення коефіцієнта потужності з одношаровим плівковим діелектриком, з обкладинками у вигляді напилюваного на плівку шару металізації, що володіють властивістю самовідновлення після пробою діелектрика. Після того як були знайдені способи зробити поверхню плівки шорсткою, що забезпечує дифузію просочує рідини всередину секції, були розроблені і почався промисловий випуск ще більш економічних конденсаторів з багатошаровим плівковим діелектриком і обкладинками з алюмінієвої фольги.
Силові конденсатори застосовуються безпосередньо в силових мережах високого і низького напруг або в силових пристроях підвищених (до 10 кГц) частот. Вони застосовуються як окремими одиницями, гак і в вигляді комплектних конденсаторних установок або потужних батарей з параллельнопоследовательним з'єднанням окремих одиниць. Як правило, конденсатори експлуатуються в тривалому режимі, під впливом (в залежності від призначення) різноманітних форм напруги: синусоидального промислової або підвищених частот; несинусоидального з постійної складової або без неї; постійного, а також імпульсного з різною формою і частотою повторення імпульсів. Ізоляція конденсатора працює при високих напряженностях електричного поля, що значно перевершують робочі напруженості в будь-який інший електротехнічної конструкції і порівняно високій температурі, обумовленої внутрішнім виділенням тепла. Крім того, вона піддається впливу значних короткочасних перенапруг. На відміну від конденсаторів, що застосовуються в радіоелектроніці, зв'язку і т. П. Силові конденсатори (за винятком декількох типів) мають значні обсяг і масу, а також велику ємність, реактивну потужність і запасається енергію в конденсаторної одиниці.
Виділення силових конденсаторів в особливу групу певною мірою умовно, оскільки не можна вказати точного ознаки поділу, однак їх специфічність підкреслюється визначальним словом силовий в назві. Наявність загальних компонентів в ізоляції, а також загальна конструкція секції та пакету роблять створення класифікаційної системи силових конденсаторів складним завданням. Силові конденсатори зазвичай класифікуються відповідно до областями їх застосування, режимами роботи і конструктивними особливостями. За цими ознаками розрізняють конденсатори для підвищення коефіцієнта потужності в мережах промислової і підвищених (електротермічні) частот, зв'язку, відбору потужності, подільників напруги, поздовжньої компенсації ліній електропередачі, для роботи в лініях електропередачі постійного струму, імпульсні та ін.
Діелектричні СИСТЕМИ СИЛОВИХ КОНДЕНСАТОРІВ
Силовий конденсатор складається з двох провідних стрічок (обкладання), розділених ізоляційним матеріалом або їх композицією (діелектрик). Така діелектрична система має електричну ємністю, що представляє собою по ГОСТ 19880-74 скалярную величину, чисельно рівну абсолютним значенням відносини електричного заряду одного провідника до різниці потенціалів провідників за умови, що провідники мають однакові, але протилежні за знаком заряди і що всі інші провідники нескінченно видалені . Фізично ємність характеризує здатність системи накопичувати електричний заряд, який дорівнює добутку ємності на різницю потенціалів, і обидва ці параметра визначаються властивостями і якістю діелектрика і конструкцією системи.
У силових конденсаторах на відміну від конденсаторів для радіоелектроніки, зв'язку і т. Д. Використовується обмежений асортимент ізоляційних матеріалів, які поділяють обкладання. Ними є спеціальна конденсаторна папір і синтетичні полімерні плівки в формі стрічок, намотуваних в рулони, що дозволяє виробляти машинну намотування секцій. Такий шаруватий діелектрик може складатися тільки з паперу - паперовий діелектрик, що чергуються шарів паперу і плівки - комбінований паперово-плівковий діелектрик або тільки з плівки - чисто плівковий діелектрик. Для усунення повітря, що знаходиться між шарами твердих матеріалів і в порах паперу, він пронизує більш електрично міцним і мають велику діелектричну проникність ізоляційним матеріалом. Як правило, таким просочують матеріалом є електроізоляційні рідини, що мають ряд переваг - гарне заповнення, відсутність усадки і др перед просоченням твердіючими (воски та ін.) Матеріалами. На відміну від завжди багатошарових (входить більш як один шару твердого матеріалу) паперового або паперово-плівкового діелектриків чисто плівковий діелектрик може бути одношаровим.
Як обкладок використовуються алюмінієва фольга (конструкція з фольгою), шар цинку або алюмінію, нанесений на одну сторону паперу або плівки, що утворюють діелектрик (конструкція з металізованим діелектриком), двосторонньо-металізована стрічка паперу, у якій обидві металізовані поверхні електрично з'єднані і електричне поле в папері відсутня - так звана м'яка обкладка. Остання може мати різні різновиди у виконанні. За інших рівних умов система з фольгою має кращі теплові характеристики в порівнянні з двома іншими, але останні мають властивість самовідновлення ємності після пробою. Це відбувається за рахунок випалювання дугою при пробої невеликої ділянки металізації, навколишнього місце пробою, практично без перерви в роботі конденсатора. Можливе використання комбінованих обкладок, з яких одна є фольговій, інша - металізованої [1.12]. Така система, зберігаючи властивості самовідновлення, дозволяє поліпшити теплові характеристики.
Основними і найбільш поширеними в високовольтних силових конденсаторах є системи з паперово плівковим і плівковим діелектриками і фольгових обкладинками (рис. 1.1, а, аркуші паперу замінені плівкою), що мають малі втрати і дозволяють створювати конденсатори з високими питомими характеристиками в широкому діапазоні напруг і частот . Поділ шарів плівки шарами паперу, що є пористою системою і грає роль гніту, забезпечує хорошу просочення паперово-плівкового діелектрика. Застосування плівкового діелектрика стало можливим тільки після розробки способу обробки поверхні плівки, що створює на ній мікрокапілярного систему, яка забезпечує просочення діелектрика. Необроблені поверхні, сліпа, нс пропускають просочують рідину. Робочі напруженості в паперовому діелектрику досягають 22 МВ / м, в паперово-плівковому - 40 МВ / м і в пленочном- більше 50 МВ / м (при 50 Гц). Останній дозволяє отримувати питому характеристику понад 6,5 квар / дм3. Діелектрична система з м'якими обкладинками і поліпропіленової плівкою в один шар в якості діелектрика з просоченням нафтовим маслом (пориста обкладка є гнітом) і метало плівкові (двосторонньо-металізована поліпропіленова плівка) без просочення або з частковою просоченням (тільки торців секції) дозволяють створити новий тип силового конденсатора - самовідновлюється - з робочою напругою до 70 МВ / м і питомої об'ємної характеристикою до 9,4 квар / дм3 (для підвищення коефіцієнта потужності та інших застосувань). Потужність втрат в такій системі вдвічі нижче втрат в паперово-плівковому діелектрику і становить близько 0,05 Вт / квар, внаслідок чого їх власний нагрів невеликий і вони можуть бути використані при більш високих температурах навколишнього середовища.
Мал. 1.1. Діелектричні системи з обкладинками з фольги (о) і шаром металізації (б):
1 - алюмінієва фольга; 2 - папір; 5 - просочує рідина; 4 -плівка; 5 шар металізації
Мал. 1.2. Діелектричні системи з м'якими обкладинками:
1 - обкладка: 2 - діелектрик; - --металлізація (рис. Б і в одностороння металлизация)
Виконання системи з м'якими обкладинками можуть бути різними. Виконання, показане на рис. 1.2, а, є найпростішим. У виконанні на рис. 1.2, 6 паперова стрічка металлизируются тільки з одного боку; цією стороною вона прилягає до металізованої стороні односторонньо-металізованої плівки активного діелектрика. На рис. 1.2, в м'які обкладки і плівки мають односторонню металлизацию, але розташовуються так, що між двома м'якими обкладинками знаходяться дві паралельно працюють плівки. Як видно з рис. 1.2, я, стрічки металлизируются так, щоб обкладання одного полюса були у одного краю, іншого - в іншого краю стрічки.