Станционно-аппаратные изоляторы

В распределительных устройствах подстанций используются опорные, проходные, а при напряжениях свыше 35 кВ - подвесные изоляторы. Опорные и подвесные изоляторы служат для крепления токоведущих шин; проходные изоляторы устанавливают в местах, где находящиеся под напряжением части проходят через стены, перекрытия или ограждения. В электрических аппаратах, кроме опорных и проходных изоляторов, применяются также изоляционные тяги, валы, рычаги, покрышки и т. д.

Опорные и проходные изоляторы испытывают в основном изгибающие механические нагрузки, обусловленные электродинамическими силами от токов КЗ, давлением ветра, воздействиями при работе контактов и т.д. Поэтому основной механической характеристикой этих изоляторов является гарантированная механическая прочность на изгиб, т.е. минимальное разрушающее усилие, определяемое при плавном увеличении нагрузки до видимого разрушения.

Опорные стержневые изоляторы. Наиболее простую форму имеют изоляторы стержневого типа для закрытых распределительных устройств. Изолятор представляет собой полое фарфоровое тело почти цилиндрической формы. Верхняя часть изолятора выполнена сплошной для предотвращения разрядов во внутренней полости. Фарфор с помощью цемента армирован внизу чугунным фланцем, а наверху чугунной шапкой.

Улучшение разрядных характеристик опорного изолятора может быть достигнуто с помощью внутреннего экрана, уменьшающего напряженность электрического поля у шапки. При положительной полярности разрядное напряжение монотонно растет по мере увеличения длины экрана, так как при этом уменьшается напряженность поля у шапки. При отрицательной полярности разрядное напряжение, напротив, снижается. Продвижение разряда от отрицательного электрода в резконеоднородном поле сильно затруднено, поэтому разряд развивается от положительного электрода, т. е. от заземленного фланца, даже если напряженность около него значительно меньше, чем у шапки. По мере удлинения внутреннего экрана напряженность у фланца возрастает, и в связи с этим разрядное напряжение уменьшается. Целесообразная длина внутреннего экрана соответствует равенству разрядных напряжений при обеих полярностях. Роль внутреннего экрана в опорных изоляторах выполняют металлические элементы внутренней заделки арматуры. Изолятор такой конструкции имеет меньшие размеры и массу.

Для повышения разрядного напряжения на теле изолятора делается ребро, которое заставляет разряд развиваться под углом к силовым линиям поля, т.е. по пути с меньшей напряженностью. Влияние ребра существенно сказывается только при большом времени разряда. Наибольшее повышение разрядного напряжения наблюдается в том случае, когда ребро находится у электрода, с которого развивается разряд. При положительной полярности таким электродом является шапка, при отрицательной - фланец. Так как у опорных изоляторов разрядное напряжение при положительной полярности шапки значительно меньше, чем при отрицательной полярности, ребро необходимо располагать вблизи шапки.

Стержневые опорные изоляторы внутренней установки выпускаются на номинальные напряжения до 35 кВ и имеют механическую прочность (минимальную разрушающую нагрузку) на изгиб от 3750 до 42500 Н. Изоляторы с более высокой механической прочностью имеют больший диаметр. В обозначении этих изоляторов указываются их тип и материал, номинальное напряжение и механическая прочность в килограмм-силах. Например, ОФ-35-750 — опорный фарфоровый на 35 кВ, механическая прочность 7,5 кН.

Стержневые опорные изоляторы для наружной установки отличаются сильно развитой поверхностью. На напряжения 35 - 110 кВ такие изоляторы изготовляются в виде сплошного фарфорового стержня с равномерно расположенными ребрами. Обозначение ОНС-110-1000 расшифровывается следующим образом: опорный, наружной установки, стержневой на 110 кВ с механической прочностью 10 кН.

Опорные штыревые изоляторы. С увеличением номинального напряжения и высоты изолятора растут изгибающие моменты, и прочность изоляторов стержневого типа оказывается недостаточной. Не обеспечивают они необходимую прочность и в установках с относительно низкими напряжениями, но с большими токами КЗ.

Лучшими механическими характеристиками обладают изоляторы штыревого типа. Их отличительной особенностью является использование тонкостенного фарфора, электрическая и механическая прочность которого растет с уменьшением толщины и применением стального штыря, воспринимающего на себя основную часть изгибающего усилия.

В качестве примера можно рассмотреть опорный штыревой изолятор типа ОНШ-10-500 наружной установки на напряжение 10 кВ с минимальной разрушающей нагрузкой на изгиб 5 кН. Механическая прочность изолятора такого типа определяется прочностью его штыря, а не изоляционного тела, так как изгибающий момент, действующий на фарфоровую часть, из-за малого плеча оказывается намного меньше изгибающего момента, приложенного к штырю. Для прочного соединения фарфора с шапкой и штырем армируемые поверхности фарфора покрывают фарфоровой крошкой. Достаточно большая длина утечки и высокое мокроразрядное напряжение изолятора обеспечиваются за счет ребер. Изоляторы такого типа на напряжение 35 кВ имеют две фарфоровые части, соединенные между собой цементом. У изоляторов для районов с повышенной загрязненностью атмосферы ребра выполняются с более развитой поверхностью для увеличения пути утечки.

В установках на напряжение 110 кВ и выше используются колонки, состоящие из нескольких, установленных друг на друга опорноштыревых изоляторов на напряжение 35 кВ. При большой высоте колонки на фарфоровую часть нижнего изолятора действует почти такой же изгибающий момент, как и на штырь. Поэтому слабым местом здесь является фарфоровое тело нижнего изолятора.

Чтобы увеличить допустимые нагрузки на изгиб для всей колонки, фарфоровое тело изолятора выполняют не из двух, а из трех более тонких, а значит, более прочных частей.

Одиночные колонки из трех - пяти изоляторов применяются в установках с напряжением до 220 кВ. При более высоких напряжениях используются в основном опорные конструкции в виде треноги, состоящей из нескольких колонок. Изоляторы в таких конструкциях работают не только на изгиб, но и на растяжение и сжатие.

Проходные изоляторы. Типичные конструкции проходных изоляторов на напряжения 6 и 35 кВ для внутренней и наружной установки состоят из изоляционного фарфо­рового тела, токоведущего стержня и фланца, с помощью которого изолятор укрепляется на стене, перекрытии или ограждении.

Проходные изоляторы, как и изоляторы других типов, конструируют так, чтобы пробивное напряжение их внутренней изоляции превышало разрядное напряжение по поверхности. Для изоляторов на номинальные напряжения до 35 кВ требуемую величину пробивного напряжения можно получить при относительно малой толщине фарфора. Однако при этом получается большая удельная поверхностная емкость и облегчается развитие разряда по поверхности. Учитывая слабую зависимость разрядного напряжения от расстояния между электродами по поверхности, в этих условиях пришлось бы неоправданно увеличить длину изолятора, чтобы обеспечить требуемое напряжение перекрытия.

Сокращение длины изолятора без снижения его разрядного напряжения достигается путем уменьшения удельной поверхностной емкости за счет увеличения толщины изоляции или диаметра фланца. Поскольку развитие разряда начинается от фланца, то достаточно увеличить диаметр только в этой части изолятора.

Между токоведущим стержнем и изоляционным телом в фарфоровых изоляторах остается воздушная полость. При напряжении, близком к разрядному, в полости происходит ионизация воздуха, что приводит к увеличению поверхностной емкости и некоторому снижению напряжения перекрытия. Хотя это обстоятельство и вызывает необходимость дополнительного увеличения толщины фарфора, однако мало влияет на размеры проходных изоляторов на напряжения до 20 кВ.

В проходных изоляторах на напряжение 35 кВ токоведущий стержень покрывают слоем бакелизированной бумаги толщиной 3—6 мм. Это увеличивает напряжение возникновения короны примерно в два раза и способствует повышению разрядного напряжения. Существенное увеличение разрядного напряжения изоляторов на 35 кВ дают ребра, особенно расположенные вблизи фланца, которые затрудняют развитие разряда, уменьшая удельную поверхностную емкость и направляя разряд по пути с меньшей напряженностью электрического поля.

Проходные изоляторы для наружной установки отличаются более развитой поверхностью той части изолятора, которая распо­лагается вне помещения.

Глава 2. Изоляция силовых электроустановок напряжением выше 1000 В

Общие положения

В оборудовании энергосистем изоляция выполняет не только роль диэлектрического барьера между проводниками, работающими при разных потенциалах. Например, в силовых конденсаторах изоляция является той средой, в которой накапливается энергия. В кабелях и других линиях в окружающей проводники изоляции распространяется энергия электромагнитного поля, поэтому от параметров изоляции зависят волновые свойства линий. В коммутационных аппаратах с помощью изоляционных конструкций осуществляется передача механического движения от привода к подвижным контактам, а отдельные диэлектрики играют роль дугогасящей среды. Во всех случаях изоляционные конструкции служат для механического крепления проводников, через них отводится тепло от токоведущих частей, а иногда и от магнитопроводов.

Конструкция изоляции оборудования высокого напряжения определяется многими факторами: выполняемыми ею функциями, устройством и технологией изготовления отдельных деталей и узлов оборудования, режимами и условиями работы, определяющими требования к электрической и механической прочности, нагревостойкости, срокам службы и т.д., а также стоимостью и технологическими свойствами изоляционных материалов.

Требования к кратковременной электрической прочности изоляционных конструкций в виде величин испытательных напряжений устанавливают путем анализа возможных перенапряжений. Необходимая длительная электрическая прочность определяется наибольшим рабочим напряжением и требуемым сроком службы оборудования. Чтобы обеспечить длительную электрическую прочность изоляции, на основании специальных исследований и опыта эксплуатации устанавливают допустимые значения мощности ЧР и других параметров, косвенно характеризующих способность изоляции длительно выдерживать воздействие рабочего напряжения.

При определении требований к механической прочности изоляционных конструкций отдельно учитывают статические нагрузки (массу поддерживаемых деталей, давление газов или жидкостей, заполняющих внутренний объем, и т.д.), ударные нагрузки от электродинамических усилий при прохождении токов КЗ, от движения контактов или от повышения давления при гашении дуги, а также длительную вибрацию.

К числу тепловых воздействий, влияющих на выбор конструкции и материалов изоляции, относятся длительные нагревы в номинальных режимах работы, кратковременные эпизодические повышения температуры, обусловленные большими тепловыделениями при прохождении токов внешних КЗ, а также циклические нагревы и остывания, если оборудование может работать с периодически меняющейся нагрузкой. Большое значение при этом имеет состав окружающей среды, т.е. наличие в воздухе влаги и химически активных примесей.

В ряде случаев приходится учитывать специфические воздействия на изоляцию например, для оборудования, работающего в тропических условиях, - повышенную солнечную радиацию и деятельность некоторых микроорганизмов.