Профилактика изоляции установок высокого напряжения

Глава 1. Изоляторы высокого напряжения. Линейные изоляторы,

станционно-аппаратные изоляторы

§1.1. Изоляторы высокого напряжения

Изоляторы представляют собой конструкции, которые используются для крепления токоведущих и других находящихся под напряжением частей электротехнических устройств (проводов воздушных линий электропередачи, шин распределительных устройств и т. д.), а также для перемещения подвижных контактов выключателей и иных коммутационных аппаратов.

В соответствии с выполняемыми функциями изоляторы должны прежде всего обладать достаточной механической прочностью по отношению ко всем видам возможных эксплуатационных нагрузок: статическим, ударным и др. Особенность этого очевидного требования применительно к изоляторам установок высокого напряжения состоит в том, что механическая прочность должна обеспечиваться при воздействии сильных электрических полей. В таких условиях местные, небольшие повреждения, не влияющие на общую механическую прочность, могут иногда вызывать существенное снижение пробивного напряжения и приводить к преждевременному выходу изолятора из строя.

Изоляторы как самостоятельные конструкции имеют свою внутреннюю и внешнюю изоляцию. В этом разделе будут рассмотрены изоляторы с относительно простой внутренней изоляцией, выполняемой из одного изоляционного материала - электротехнического фарфора или из специальных сортов стекла. Электрическая прочность такой изоляции обеспечивается путем выбора соответствующей толщины фарфора или стекла, иногда с использованием некоторых средств для регулирования электрических полей.

При длительном воздействии сильных электрических полей у многих видов внутренней изоляции наблюдается постепенное ухудшение характеристик - электрическое старение, причиной которого являются частичные разряды, например, в небольших газовых включениях. Однако фарфор и стекло обладают такой высокой стойкостью к частичным разрядам, что они практически не подвержены электрическому старению. Это обстоятельство упрощает конструирование внутренней изоляции фарфоровых и стеклянных изоляторов, так как освобождает от необходимости учитывать сложные процессы, определяющие длительную электрическую прочность изоляции.

Следует отметить, что во всех случаях внутренняя изоляция, которая при пробое разрушается необратимо, выполняется несколько более прочной, чем изоляция внешняя. Поэтому разрядные характеристики изоляторов определяются электрической прочностью их внешней изоляции.

В наиболее сложных условиях находится внешняя изоляция изоляторов наружной установки, поверхности которых могут загрязняться и увлажняться дождем или другими мокрыми осадками. Чтобы обеспечить высокие значения разрядных напряжений при относительно небольших габаритных размерах, изоляторы наружной установки выполняют с сильно развитыми поверхностями, т. е. с ребрами или юбками. Число, форма и размеры ребер или юбок - основные конструктивные параметры изоляторов, от которых зависят их эксплуатационные характеристики.

Ребра и юбки увеличивают полную длину утечки по поверхности, от которой наиболее сильно зависит разрядное напряжение при дожде и загрязнениях. Кроме того, при некоторых видах мокрых осадков нижние поверхности ребер и юбок смачиваются в меньшей степени, и это значительно увеличивает полное сопротивление утечки. При правильно выбранных размерах и форме ребра разряд, развивающийся вдоль изолятора, отрывается от его поверхности. В этом случае участки вдоль поверхности изолятора чередуются с чисто воздушными промежутками, и разрядное напряжение оказывается более высоким. Однако с увеличением числа и размеров ребер растет не только полная длина утечки по поверхности, но и эквивалентный диаметр D_э, что отрицательно влияет на разрядное напряжение.

От формы изолятора в сильной степени зависит интенсивность его загрязнения в условиях эксплуатации. Дело в том, что отложение загрязнений происходит при ветре, а их количество на единицу площади прямо пропорционально градиенту скорости потока воздуха у поверхности. При усложнении формы изолятора около него могут возникать завихрения в потоке воздуха и соответственно возрастать интенсивность загрязнения. Кроме того, форма изолятора влияет на эффективность самоочистки поверхностей при дожде и ветре. При выборе формы изоляторов учитывают все эти соображения, а также требования, связанные с удобством массового производства.

Требования к электрической прочности изоляторов для установок разных классов напряжения определяют значения испытательных напряжений, которые устанавливают с учетом уровня ожидаемых перенапряжений и возможных изменений метеоусловий. Испытательные напряжения и методы проведения испытаний регламентированы ГОСТ, которым для отдельных изоляторов и внешней изоляции оборудования предусмотрены испытания при сухих и чистых поверхностях напряжением частотой 50 Гц, полным и срезанным импульсами, а при искусственном дожде - напряжением частотой 50 Гц.

При испытаниях напряжением промышленной частоты прикладываемое напряжение плавно повышается до установленного стандартом значения, а затем без выдержки во времени плавно снижается. Импульсные испытания изоляторов проводятся по так называемому пятиударному методу: изоляторы должны выдержать при каждой полярности пять раз полный импульс 1,2/50 мкс и пять раз импульс, срезанный при времени, составляющим не менее 2 мкс. Параметры искусственного дождя должны быть следующими: сила дождя - 3±0,3 мм/мин, удельное сопротивление воды - 100 ±5 Ом×м (измеренное при температуре 20° С), угол падения капель - около 45° к горизонтали.

Линейные изоляторы

Изоляторы, применяемые для крепления проводов воздушных линий электропередачи, делятся по своей конструкции на штыре­вые, подобные опорным штыревым, и подвесные. Последние подразделяются на изоляторы тарельчатого типа и стержневые.

Линейные изоляторы испытывают механические нагрузки, которые создаются тяжением проводов и зависят от сечения проводов и длин пролетов между опорами, от температуры проводов, силы ветра и других факторов. Для штыревых линейных изоляторов эти нагрузки являются главным образом изгибающими. Подвесные изоляторы благодаря шарнирному креплению подвергаются только растягивающим усилиям.

Штыревые изоляторы. Провод крепится на верхней или боковой бороздке изолятора с помощью проволочной вязки или специальных зажимов. Сам изолятор навертывается на металлический штырь или крюк, закрепленный на опоре. Чтобы крюк не поворачивался в опоре при натяжении провода, ему придается такая форма, что ось провода и ось ввертываемой в опору части крюка лежат в одной плоскости. При этом тяжение провода не создает вращающего момента относительно оси крюка.

Гнездо с резьбой для ввертывания штыря или крюка углублено в тело изолятора настолько, что верхняя часть штыря или крюка оказывается на уровне шейки изолятора. Этим достигается уменьшение изгибающего момента, действующего на тело изолятора. Механическая прочность штыревых изоляторов характеризуется минимальной разрушающей нагрузкой на изгиб.

При дожде внешняя часть поверхности изолятора оказывается полностью смоченной водой. Сухой остается лишь его нижняя поверхность, поэтому почти все напряжение оказывается приложенным между концом внешнего ребра и штырем. Вследствие этого, несмотря на значительное увеличение диаметра изолятора (он примерно на 35% больше высоты), мокроразрядное напряжение получается почти вдвое меньше, чем сухоразрядное.

Изоляторы типа ШФ20 на напряжение 20 кВ и ШФ35 на напряжение 35 кВ в целях получения необходимых электрической и механической прочностей выполняются из двух фарфоровых частей, склеиваемых цементным раствором.

Подвесные изоляторы тарельчатого типа. На линиях 35 кВ и более высокого напряжения применяются преимущественно подвесные изоляторы тарельчатого типа. Путем последовательного соединения таких изоляторов можно получить гирлянды на любое номинальное напряжение. Применение на линиях разного класса напряжения гирлянд из изоляторов одного и того же типа значительно упрощает организацию их массового производства и эксплуатацию.

Как уже отмечалось, из-за шарнирного соединения изоляторы в гирлянде работают только на растяжение. Однако сами изоляторы сконструированы так, что внешнее растягивающее усилие вызывает в изоляционном теле в основном напряжения сжатия и среза. Тем самым используется весьма высокая прочность фарфора и стекла на сжатие.

Основу изолятора составляет фарфоровое или стеклянное тело - тарелка, средняя часть которой, вытянутая кверху, называется головкой. На головке крепится шапка из ковкого чугуна, а в гнездо, расположенное внутри головки, заделывается стальной стержень. Армировка изолятора, т.е. механическое соединение изоляционного тела с металлической арматурой, выполняется при помощи цемента.

Соединение изоляторов в гирлянду осуществляется путем введения утолщенной головки стержня в специальное ушко на шапке другого изолятора и закрепления его замком. Длина стержня делается минимальной, но достаточной для удобной сборки гирлянды.

Механическую нагрузку несут в основном головка изолятора и прежде всего ее боковые опорные части. Поэтому конструкции тарельчатых изоляторов различаются в первую очередь формой головки.

Изолятор с конической головкой. При приложении к такому изолятору растягивающей нагрузки, направленной вдоль оси изолятора, цементное тело конической формы, расположенное в гнезде головки, работает как клин, стремящийся расширить головку изолятора. Внешняя поверхность головки, имеющая форму конуса, также образует клин, который сжимается при вдавливании в цементную прослойку между шапкой и головкой. В результате фарфор в боковых стенках головки испытывает в основном напряжение сжатия.

Коэффициент температурного расширения у цемента выше, чем у фарфора. Поэтому во избежание опасных механических напряжений при изменениях температуры в головке не возникали опасные механические напряжения предусмотрена возможность некоторого перемещения фарфора относительно цемента. С этой целью наружные и внутренние поверхности головки выполняются гладкими, глазурованными, благодаря чему цемент с ними не схватывается. Кроме того, для уменьшения силы трения между соприкасающимися поверхностями угол конусности головки делается достаточно большим (не менее 10—13°).

Недостатком изоляторов с конической головкой являются относительно большие размеры шапки, что неблагоприятно сказывается на разрядных характеристиках гирлянд. Помимо этого так называемая обратная конусность головки не позволяет изготовлять изоляторы высокопроизводительным методом штамповки.

Несколько меньше размеры шапки у изоляторов с цилиндрической головкой. Точнее, головка у этих изоляторов имеет небольшую прямую конусность, облегчающую процесс штамповки изоляционного тела. Для прочного закрепления шапки боковые поверхности головки покрывают фарфоровой крошкой, которая при обжиге прочно спекается с фарфором. Компенсация температурных деформаций и устранение механических напряжений, обусловленных различием коэффициентов температурного расширения фарфора и цемента, достигаются путем покрытия поверхности головки битумным составом.

Размеры и форма фарфоровой тарелки у изоляторов с конической и цилиндрической головками одинаковы. Верхняя гладкая поверхность тарелки наклонена под углом 5—10° к горизонтали для обеспечения отекания дождевой воды. Край тарелки изогнут вниз и образует так называемую капельницу, не допускающую возникновение непрерывного потока воды с верхней поверхности изолятора на нижнюю. Нижняя поверхность тарелки сделана ребристой для увеличения длины утечки по поверхности и повышения мокроразрядного напряжения. Изоляторы, предназначенные для работы в загрязненных районах, имеют существенно более сложную форму.

Конструкция стеклянных изоляторов аналогична рассмотренным. В связи с тем, что коэффициенты температурного расширения стекла, цемента и арматуры приблизительно одинаковы, в стеклянных изоляторах отсутствует битумная промазка.

Важное достоинство изоляторов тарельчатого типа состоит в том, что при повреждении изоляционного тела, например в случае пробоя под шапкой, механическая прочность изолятора и, следовательно, всей гирлянды не нарушается. Благодаря этому пробой изолятора в гирлянде не приводит к падению провода на землю.

Проверка механической прочности тарельчатых изоляторов проводится при плавном увеличении механической нагрузки и одновременном воздействии напряжения, составляющего 75—80% сухоразрядного. При этом механические повреждения изоляционного тела под шапкой обнаруживаются по электрическому пробою. Величина механической нагрузки, повреждающей изолятор при таком испытании, называется электромеханической прочностью изолятора. Эта характеристика указывается в обозначении изолятора. Например, ПФ6 — подвесной фарфоровый с электромеханической прочностью 60 кН; ПС 16 — подвесной стеклянный на 160 кН; ПСГ-22 — подвесной стеклянный для районов с загрязненной атмосферой на 220 кН. Подвесные изоляторы тарельчатого типа выпускаются с электромеханической прочностью от 60 от 400 кН.

Подвесные стержневые изоляторы представляют собой фарфо­ровый стержень с ребрами, армированный на концах двумя метал­лическими шапками при помощи цементного раствора. Для прочного соединения шапок с фарфором концы стержня, а также внутренние опорные поверхности шапок имеют коническую форму.

Диаметр фарфорового стержня выбирается в зависимости от требуемой механической прочности с учетом того, что фарфор при таких толщинах имеет прочность на растяжение 1300—1400 Н/см².

Применение стержневых изоляторов дает значительную экономию металла за счет уменьшения числа шапок, уменьшение массы и, главное, длины изоляционной конструкции, на которой крепится провод. Недостатками изоляторов этого типа являются возможность их полного разрушения и падения провода на землю или на заземленные конструкции. Ограничивает их применение также сравнительно невысокая механическая прочность.

Из-за большой длины пути утечки, а также относительно простой формы, обеспечивающей хорошую очистку поверхности дождем и ветром, стержневые изоляторы весьма перспективны для районов с загрязненной атмосферой. Изолятор с винтообразными ребрами хорошо очищается струёй дождевой воды, стекающей по желобу, который образует ребро.