Назначение и типы изоляторов

В воздушной, газовой, вакуумной и чисто жидкой изоляции для под­держания электрода под высоким напряжением используются твердотель­ные изоляторы.

Диэлектрики, из которых изготавливаются изоляторы, должны обла­дать высокой механической прочностью, так как, являясь элементом кон­струкции, несут значительную нагрузку. Изоляторы линий электропере­дачи, например, несут нагрузку от тяжения проводов, исчисляемую тоннами, а иногда и десятками тонн. Опорные изоляторы, на которых кре­пятся шины распределительных устройств, выдерживают громадные нагрузки от электродинамических сил, возникающих между шинами при коротких замыканиях.

Пробой твердого диэлектрика означает выход изолятора из строя, тогда как разряд по поверхности при условии быстрого отключения напряже­ния не причиняет изолятору никаких повреждений. Поэтому пробивное напряжение твердого диэлектрика в изоляторе всегда примерно в 1,5 раза выше, чем напряжение перекрытия на поверхности, которым и определя­ется электрическая прочность изолятора.

Диэлектрики должны быть негигроскопичны и не должны изменять своих свойств под воздействием различных метеорологических факторов. При неблагоприятных условиях (дождь, увлажненные загрязнения) на поверхностях изоляторов, устанавливаемых на открытом воздухе (изоля­торов наружной установки), могут возникать частичные электрические дуги. Под их действием поверхность может обугливаться и на ней могут появляться проводящие следы — треки, снижающие электрическую проч­ность изоляторов. Поэтому диэлектрики для изоляторов наружной уста­новки должны обладать высокой трекингостойкостью.

Всем указанным требованиям в наибольшей степени удовлетворяют глазурованный электротехнический фарфор и стекло, получившие широ­кое распространение, а также некоторые пластмассы.

Электрическая прочность фарфора в однородном поле при толщине образца 1,5 мм составляет 30—40 кВ/мм и уменьшается при увеличении толщины, электрическая прочность стекла при тех же условиях — 45 кВ/мм.

Изоляторы из закаленного стекла имеют ряд преимуществ перед фар­форовыми изоляторами. Технологический процесс их изготовления пол­ностью автоматизирован, прозрачность стекла позволяет легко обнару-

жить при внешнем осмотре мелкие трещины и другие внутренние дефекты, повреждение стекла приводит к разрушению диэлектрической части изолятора, которое легко обнаружить при осмотре линии электро­передачи эксплуатационным персоналом.

Полимерные изоляторы наружной установки изготавливаются из эпок­сидных компаундов, из кремнийорганической резины, из полиэфирных смол с минеральным наполнителем и добавкой фторопласта. Такие изоля­торы имеют высокую электрическую прочность и достаточную трекин-гостойкость. Высокая механическая прочность полимерных изоляторов достигается посредством армирования их стеклопластиком. Применение полимерных изоляторов на линиях электропередачи позволяет сущест­венно уменьшить массу подвесных изоляторов.

Условия развития разряда по поверхности изоляторов наружной уста­новки существенно изменяются, если на их поверхностях имеются увлаж­ненные загрязнения или же они смачиваются дождем. Тогда разрядные напряжения значительно уменьшаются.

Наиболее сильное влияние на снижение напряжения оказывают увлаж­ненные загрязнения и повышение напряжения перекрытия вдоль поверх­ности изолятора обеспечивается только применением на его поверхности ребер, часто с очень развитой поверхностью. По нормированным катего­риям загрязнения и экспериментальным зависимостям длин пути утечки вдоль поверхности изоляторов и заданным воздействиям определяется форма и необходимое число ребер изолятора.

Для повышения разрядного напряжения чисто воздушных промежут­ков и по высоте аппаратов высокого напряжения и вводов трансформато­ров на их концах устанавливают экраны из металлических труб. Уста­новка экранов большого диаметра резко увеличивает радиус кривизны электродов при сохранении межэлектродного расстояния. Это позволяет при сохранении средней напряжённости поля в промежутке резко снизить максимальную напряжённость поля. При этом сильно затрудняется разви­тие лавины электронов и разряда, повышается разрядное напряжение воз­душных промежутков, почти исключается появление короны на электро­дах высокого напряжения с соответствующим резким снижением уровня радиопомех вблизи подстанций и линий электропередачи.

Применение экранов на гирляндах линии электропередачи за счёт уве­личения ёмкостной связи между электродом высокого напряжения и эле­ментами гирлянды изоляторов снижает напряжение на самых нагружен­ных изоляторах гирлянды и соответственно повышает напряжение ее перекрытия.

Выбор изоляционных расстояний по воздуху между токоведущими час­тями, а также от токоведущих до заземленных элементов распределитель-ного устройства (РУ), производят по значениям испытательных напряже­ний. Для РУ напряжением до 220 кВ за основу принимают испытательные

напряжения грозовых импульсов, а для РУ напряжением 330 кВ и выше — испытательные напряжения промышленной частоты.

В целях обеспечения безопасности обслуживающего персонала рассто­яния между фазой и землей в тех местах, где это необходимо, должны быть увеличены. Поэтому вне зависимости от класса рабочего напряже­ния минимальные расстояния от неогражденных токоведущих частей до земли увеличиваются на 270 см. Расстояние от нижней кромки диэлектри­ческой части изоляторов до земли должно быть не менее 250 см. Мини­мальные расстояния между токоведущими частями и ограждениями, зда­ниями или сооружениями увеличиваются на 200 см. Минимальные расстояния от токоведущих частей до транспортируемого оборудования увеличиваются на 75 см.

Провода воздушных линий электропередачи должны быть изолиро­ваны друг от друга и от земли. Для этого они с помощью изоляторов под­вешиваются на опорах таким образом, чтобы соблюдались определенные расстояния между проводами, а также между каждым из проводов и зем­лей. Таким образом, изоляцию линий электропередачи образуют воздуш­ные промежутки и изоляторы.

В связи с тем, что изоляторы во время эксплуатации загрязняются и увлажняются, что может существенно снижать их разрядные напряжения, а на опорах провода ближе всего подходят к заземленным металлическим конструкциям, опоры в отношении изоляции являются слабыми точками линии электропередачи, и ее надежная работа во многом определяется правильным выбором числа изоляторов в гирляндах и изоляционных рас­стояний между проводами и опорой.

По расчетному значению разрядного напряжения ^ _ч и опытным кри­вым разрядных напряжений промежутка провод — опора определяется минимально необходимая длина воздушного промежутка. Полное изоля­ционное расстояние провод — опора складывается из наименьшей длины воздушного промежутка и значения горизонтального отклонения провода под действием ветра.

Выбор расстояния провод — опора связан не только с электрической прочностью изоляции. Реально он определяется условиями безопасности при проведении работ на опоре без отключения линии. Например, для линий 330 кВ безопасность обеспечивается при расстоянии от проводов (или арматуры) до ближайших частей опоры не менее 3,5 м.

Промежуток провод — земля выбирается по уровню воздействующих напряжений, исходя из условия безопасного проезда транспортных средств высотой 4 м под линией в точке наибольшего провеса проводов, а для линий электропередачи напряжением 750 и 1150 кВ исходя из допус­тимого значения напряженности электрического поля под линией на высоте 1,8 м. При выбранных таким образом расстояниях между прово­дами и землей пробои на землю или транспорт практически исключаются как при внутренних, так и при грозовых перенапряжениях.

При выборе изоляционных расстояний необходимо учитывать и эколо­гическое влияние воздушных линий и распределительных устройств.

Для реальных промежутков на подстанциях и линиях электропередачи характерно резко неоднородное распределение напряженности электри­ческого поля вдоль промежутка. В этом случае возникающие у электрода с высокой напряженностью поля лавины электронов и каналы разрядов не пересекают весь промежуток, а сосредотачиваются у этого электрода, образуя свечение вокруг него — коронный разряд.

Коронный разряд создает помехи радио- и телевизионному приему, а также акустический шум. Наиболее сильные радиопомехи и акустический шум возникают при коронировании линий сверхвысокого напряжения во время дождя и снега. В хорошую погоду помехи возрастают при загряз­нении проводов.

Для линий электропередачи напряжением ПО и 220 кВ наименьшие диаметры проводов, при которых исключается корона в хорошую погоду, составляют соответственно 1,2 и 2,4 см (при нормальных атмосферных условиях).

При номинальных напряжениях 330 кВ и выше необходимы провода еще большего диаметра, во многих случаях превышающего диаметр, выбранный из условия передачи по линии заданной мощности. В таких случаях целесообразно иметь провода, площадь поперечного сечения которых по проводящему материалу и диаметру независимы. Это так называемые «расширенные» провода. Они имеют диаметр, при котором обеспечивается необходимое снижение напряженности поля на их поверх­ности, а для сокращения площади поперечного сечения делаются полыми или со стеклопластиковой сердцевиной.

Другое решение состоит в применении расщепленных проводов фаз. В этом случае каждая фаза линии состоит вместо одного провода большого диаметра из нескольких параллельных проводов относительно малого диаметра. В такой конструкции фазы удается при требуемом суммарном сечении проводов существенно уменьшить максимальную напряженность поля на их поверхности (рис. 15.5).

Электрическое поле воздушной линии электропередачи может оказывать на чело­века физиологическое влияние, воздействуя на функциональное состояние центральной нервной системы, сердечно-сосудистой сие-темы и внутренних органов.

Рис. 15.5. Характеристики расщепленной фазы:

r_p — радиус расщепления фазы; r - радиус провода; D - расстояние между проводами фазы

При прикосновении к незаземленным металлическим предметам, сель­скохозяйственным машинам и транспортным средствам человек может подвергаться воздействию кратковременных электрических разрядов, особенно опасных во время возникновения на линии перенапряжений. Степень воздействие на человека электрического поля и разрядов возрас­тает с увеличением напряженности поля под линией.

У нас в стране для персонала, обслуживающего подстанции и линии сверхвысокого напряжения, установлены предельно допустимые про­должительности пребывания в электрическом поле. При выполнении условий, указанных ниже, в течение суток происходит самовосстановле­ние физиологического состояния организма без каких-либо остаточных явлений:

Напряженность электрического

поля, кВ/м.................. 5 10 15 20 25

Допустимые продолжительности

пребывания человека

в электрическом поле

в течение суток, мин... Без ограничений 180 90 10 5

На подстанциях по результатам измерений составляются карты распре­деления напряженностей электрического поля по территории открытого распределительного устройства, которыми пользуются при проведении работ. Если напряженность поля на рабочем месте превышает 25 кВ/м или продолжительность работы превышает допустимое время пребыва­ния в электрическом поле, то работы производятся с применением средств защиты, например, экранирующей одежды. Средства защиты применя­ются также в том случае, если не исключена возможность воздействия на работающего электрических разрядов с незаземленных металлических объектов.

В электрическом поле воздушной линии помимо электротехнического персонала могут находиться местные жители, а также животные. В связи с этим, напряженность электрического поля под линией не должна превы­шать 15 кВ/м в населенной и 20 кВ/м в ненаселенной местностях.

С целью регламентации работ в полосе отчуждения линии электропе­редачи и около нее установлены так называемые зоны влияния. Границы зоны влияния линий 750 кВ проходят на расстоянии 40 м от проекции на землю крайних проводов. В зоне влияния запрещается строительство загонов для скота и птицы, складирование материалов и горючего, а также установка различного рода металлических баков. Металлические ограждения, опоры для винограда, хмеля и т.п. в полосе до 100 м по обе стороны от оси линии электропередачи подлежат заземлению. Установка палаток, фургонов, полевых станов допускается не ближе 60 м от крайних проводов линии.

Внутренняя изоляция

Характерная для внутренней изоляции зависимость пробивного напря­жения и_пр от времени приложения напряжения показана на рис. 15.6. Сложный вид этой зависимости объясняется тем, что при разных време­нах процессы в изоляции, приводящие к пробою, имеют различную физи­ческую природу.

В диапазоне I от единиц микросекунд до нескольких миллисекунд в изоляции возможен чисто электрический пробой.

При времени воздействия свыше 1 мс — диапазон II — проявляется влияние твердых частиц примесей, неизбежно присутствующих в техни­чески чистых диэлектриках. Чем дальше успевают сместиться частицы за время воздействия напряжения, тем больше вероятность появления их в той области изоляции, где напряжённость поля достаточно велика для начала развития разряда с частицы. Следовательно, пробивное напряже­ние и будет снижаться по мере увеличения времени воздействия напряжения.

Следующий участок кривой III область теплового пробоя. В зависи­мости от размеров и свойств изоляции и температуры окружающей среды он может занимать диапазон от десятков секунд до нескольких часов.

Последний участок IV зависимости соответствует временам воздей­ствия напряжения от нескольких минут или часов до 10—15 лет и более. Это область, в которой пробой постепенно подготавливается медленно протекающими процессами электрического старения изоляции. Эти про­цессы возникают под действием электрических полей и вызывают необ­ратимое ухудшение диэлектрических свойств изоляции. Интенсивность процессов старения может быть очень малой, поэтому время, необходи­мое для постепенного разрушения изоляции до пробоя, может исчис­ляться годами. Главной причиной такого старения являются частичные разряды. В частности, они могут возникать в газовых включениях (порах,

Рис. 15.6. Зависимость пробивного напряжении U_пр внутренней изооляции от времени воз­действия напряжения

трещинах, кавернах), оставшихся в изоляции при изготовлении или поя­вившихся в процессе эксплуатации.

Электрическая прочность внутренней изоляции при всех временах должна быть выше возможных в эксплуатации электрических воздей­ствий. Пример правильного согласования уровней электрической проч­ности изоляции с уровнями воздействия напряжений показан на рис. 15.7.

При выборе внутренней изоляции надо учитывать не только электри­ческие, но и другие воздействия.

К числу важнейших относятся, прежде всего, тепловые воздействия, которые обусловлены выделением тепла в активных частях оборудования (в проводниках и магнитопроводах), а также диэлектрическими потерями в самой изоляции. Эти воздействия могут значительно ускорять химиче­ские процессы в изоляции, которые ведут к постепенному ухудшению ее свойств.

Механические нагрузки разного рода для внутренней изоляции опасны тем, что могут явиться причиной появления в твердых материалах микро­трещин, в которых затем под действием сильного электрического поля возникнут частичные разряды, что ускорит процесс старения изоляции.

Появление влаги в изоляции приводит к резкому снижению сопротив­ления утечки, так как во влаге содержатся растворенные и диссоцииро­ванные примеси, т.е. свободные ионы. Уменьшение сопротивления утечки опасно тем, что это приводит к росту диэлектрических потерь. Вслед­ствие этого снижается напряжение теплового пробоя и, кроме того, про­исходит дополнительный нагрев изоляции, что влечет за собой ускорение темпов теплового старения.

Даже относительно небольшое увлажнение минерального масла (несколько десятков граммов влаги на тонну масла) приводит к значитель­ному уменьшению электрической прочности маслонаполненной изоляции при длительном воздействии напряжения (в течение нескольких секунд и более).