Лекции

3.3.4 Распределение напряжения по гирлянде изоляторов

При Uном ≥ 35 кВ подвесные изоляторы соединяются в гирлянды. Переменное и импульсное напряжение распределяются по изоляторам гирлянды неравномерно, и чем больше изоляторов в них, тем неравномерное распределение напряжения.

Рис. 3.24 Гирлянда изоляторов

иеё схема замещения

С- собственная емкость изолятора (С=50÷70 пФ)

С1 - ёмкость изолятора по отношению к заземленным элементам

конструкции (С1=4÷5пФ)

С2 - ёмкость изолятора по отношению к проводу (С2=0,5÷1пФ).

Общая ёмкость изоляторов гирлянды

	где :	CГ = Cn ,
		число изоляторов в гирлянде.
	n -

Если бы было Сг>>С1 и С2, то распределение напряжения вдоль гирлянды было бы практически равномерным. Однако, СГ имеет один порядок с С1, а при больших n и с С2, поэтому распределение неравномерное.

Если бы С2=0, а С1≠0, то ∆U1max , было бы на первом от траверсы изоляторе, а далее постепенно снижалось, так как вследствие ответвления

токов в ёмкости С2 наибольшее значение тока через собственные емкости

Симело бы место у траверсы.

Вреальных условиях С1>С2 поэтому ∆U1max на первом от провода изоляторе и уменьшается с удалением от него, но при приближении к траверсе опять несколько возрастает (рис. 3.25).

				Предельно допустимое
			падение напряжения на изоляторе
			зависит от его конструкции и
			составляет 30-60 кВ (ограничение
			по короне на арматуре).
				В гирляндах ЛЭП 220 кВ и
			выше снизить напряжение на
			первом изоляторе удается путем
			выравнивания распределения
			напряжения по изоляторам
			гирлянды с помощью специальных
			экранов в виде колец, восьмерок
			или овалов,
			называемых арматурой гирлянды.
			При этом увеличивается емкость
			С2.	Аналогичный эффект имеет
		номер изолятора (от провода)
			место при применении на линиях
	Рис. 3.25 Распределение напряжения
			сверхвысокого напряжения двух или
	по изоляторам гирлянды:		более расщепленных проводов фаз.
		без защитной арматуры:
		а – нормальное	Емкость С2 при расщепленных
		распределение;	проводах достигает 2-3пФ, при этом
		б – дефект на третьем
		изоляторе;	в значительной мере
		в - с арматурой	компенсируются токи,

ответвляющиеся в С1 и распределение напряжения по изоляторам выравнивается.

При увлажненном загрязнении поверхностей изоляторов, а также под дождём распределение напряжения вдоль гирлянды выравнивается, поскольку в этих случаях оно определяется главным образом сопротивлениями утечки изоляторов.

ЛЕКЦИЯ 10 РАЗДЕЛ 4

Разряды в жидких и твердых диэлектриках

(Основные свойства и электрические характеристики внутренней изоляции электроустановок)

4.1Особенности внутренней изоляции

4.2Изоляция самовосстанавливающаяся и несамовосстанавливающаяся

4.3Требования к диэлектрическим материалам во внутренней изоляции

4.4Пробой жидких и твердых диэлектриков при кратковременных воздействиях напряжения

4.1Особенности внутренней изоляции

Внутренняя изоляция – те элементы или участки электроизоляционной конструкции, в пределах которой изоляционные промежутки между проводниками заполнены газообразными, жидкими или твердыми диэлектрическими материалами или их комбинацией, но не атмосферным воздухом.

- Внешняя изоляция - Внутренняя изоляция

1 – Заземленная стенка корпуса

2 – Фланец ввода

3 – Стержень токоведущий

4 – Изоляционное тело

5 – Шина ВН

6 – Проводник к основной функциональной части

Рис. 4.1 Ввод высокого напряжения

1

Причины применения в установках ВН твердых, жидких или специальных газообразных диэлектрических материалов следующие:

1.Значительно более высокая электрическая прочность (в 5-10 раз больше чем у атмосферного воздуха), что позволяет резко сократить изоляционные расстояния.

2.Функция механического крепления проводников, находящихся под напряжением (только твердые диэлектрики).

3.Через внутреннюю изоляцию всегда осуществляется отвод тепла, выделяющегося при прохождении рабочих токов.

Использование жидких диэлектриков позволяет в ряде случаев значительно улучшить условия охлаждения за счет естественной или принудительной циркуляции изоляционной жидкости.

Внутренняя изоляция имеет ряд особенностей, существенно отличающих ее от внешней изоляции:

1.На электрическую прочность внутренней изоляции практически не оказывают влияния кратковременные изменения атмосферных условий (если только эти изменения не выходят за пределы допустимых).

2.Пробой внутренней изоляции, включающей твердые диэлектрики, представляет собой необратимое разрушение.

3.Внутренняя изоляция любого типа (кроме чисто газовой) имеет специфическую зависимость электрической прочности от времени воздействия напряжения (рис. 4.2).

4.Старение внутренней изоляции, то есть изменение ее свойств (снижение электрической прочности) под влиянием внешних электрических, тепловых и механических воздействий.

Рис. 4.2 Зависимость пробивного напряжения внутренней изоляции

от времени воздействия напряжения.

2

Область А - пробой имеет чисто электрический характер, т.е. не связан с химическими, механическими и тепловыми процессами и зависимость пробивного напряжения от времени аналогична вольт-секундным характеристикам газовых промежутков

(t=0÷100 мкс).

Сущность чисто электрического пробоя состоит в том, что при некотором напряжении в изоляции создаются условия для образования и быстрого увеличения числа свободных электронов. За счет энергии, выделяющейся при взаимодействии потока электронов с молекулами диэлектрика, происходит разрушение последнего с образованием проводящего канала.

Область В - при временах более нескольких десятков микросекунд до 10-2с значение напряжения Uпр остается практически неизменным, так как время τ много больше времени формирования проводящего канала, а другие механизмы пробоя еще не успевают проявиться.

Область С - в интервале		от 0,01 с до 1 мин для внутренней изоляции,
содержащей		большие объёмы жидкого диэлектрика, может
наблюдаться некоторое снижение Uпр. Это происходит
вследствие того, что с			увеличением τ	сильнее проявляется
влияние	примесных		твёрдых	частиц,	неизбежно

присутствующих в технически чистых жидких диэлектриках. Такие частицы имеют более высокую, чем у жидкости диэлектрическую проницаемость. Поэтому около них происходит некоторое увеличение напряженности в жидкости, что влечёт за собой снижение величины Uпр. Чем больше τ , тем дальше успевают сместиться частицы, тем больше вероятность появления их в наиболее напряженной области изоляции и, следовательно, ниже Uпр.

Область Д - область теплового пробоя. В зависимости от размеров и свойств изоляции и температуры окружающей среды он может занимать от десятков секунд до нескольких часов.

Тепловой пробой – разогрев изоляции за счет диэлектрических потерь до температуры, при которой происходит разрушение изоляции.

Область Е - времена от нескольких минут или часов до 10-15 лет и более. Это область, в которой пробой постепенно подготавливается медленно протекающими процессами электрического старения изоляции. Главной причиной такого старения являются частичные разряды.

3

Частичными разрядами (ЧР) называют разрядные процессы в изоляции, которые развиваются под действием приложенного напряжения и распространяются лишь на часть изоляционного промежутка.

Таким образом, зависимость пробивного напряжения внутренней изоляции от времени воздействия напряжения имеет сложный вид. Для инженерной практики интерес представляют те ее участки, которые соответствуют реально возможным в эксплуатации электрическим воздействиям. В связи с этим для внутренней изоляции различают:

Кратковременную электрическую прочность:

-при воздействии стандартного грозового импульса (τ =1÷1000мкс);

-при воздействии внутренних перенапряжений (при воздействии коммутационных импульсов нормированной формы или при одноминутном приложении напряжения 50 Гц, τ =1мс÷10с).

Длительную электрическую прочность – то есть электрическую прочность при непрерывном воздействии рабочего напряжения в течение времени, равного сроку службы конструкции.

Электрическая прочность внутренней изоляции при всех временах τ должна быть выше возможных в эксплуатации электрических воздействий.

Рис.4.3 Согласование электрической прочности внутренней изоляции

с воздействующими напряжениями.

Кривая а – изоляция выдерживает грозовые (1) и внутренние (2) перенапряжения и имеет срок службы τ не менее требуемого τтр .

Кривая б – то же, но срок службы меньше τтр . 3 – рабочее напряжение.

4

4.2 Изоляция самовосстанавливающаяся и несамовосстанавливающаяся

Самовосстанавливающаяся изоляция – изоляция, обладающая способностью после пробоя и быстрого отключения от источника напряжения за короткое время полностью восстановить электрическую прочность (воздушные промежутки в составе внешней изоляции установок ВН, а также некоторые виды внутренней изоляции: жидкая, газовая и вакуумная).

Несамовосстанавливающаяся изоляция – изоляция, пробой которой означает необратимое повреждение конструкции (большинство видов внутренней изоляции).

Для внутренней изоляции это означает следующее:

1.Внутренняя изоляции должна обладать более высоким уровнем электрической прочности, чем внешняя (пробой полностью

исключается в течение всего срока эксплуатации.). В то время как для внешней изоляции допускается ограниченное число перекрытий (на ВЛ≈1 откл/год∙100 км).

2.Фактическая электрическая прочность внутренней изоляции конкретных экземпляров не может быть определена перед вводом в

эксплуатацию, так как после измерения Uпр оборудование заведомо будет непригодно к работе.

Поэтому контроль качества внутренней изоляции проводится не по результатам измерений фактических Uпр, а путем проверки способности изоляции выдерживать испытательные напряжения. Длительная электрическая прочность проверяется косвенным путём (tgδ, ЧР и некоторые другие характеристики).

4.3 Требования к диэлектрическим материалам во внутренней изоляции. Комбинирование диэлектрических материалов во внутренней изоляции.

К диэлектрическим материалам, используемым для внутренней изоляции оборудования ВН, предъявляется ряд жестких требований.

1.Электрическая прочность кратковременная и длительная, то есть необходимы: высокие пробивные напряжения в области чисто электрического пробоя и малые диэлектрические потери (от них зависит напряжение теплового пробоя), иметь достаточную стойкость к воздействию частичных разрядов или обеспечивать отсутствие в изоляции газовых включений.

2.Тепловые свойства диэлектрических материалов (теплопроводность, стойкость к тепловому старению). Они ограничивают допустимые температуры активных частей оборудования и влияют на

5

перепады температуры в изоляции. Следовательно, они предопределяют допустимые рабочие режимы оборудования в целом.

3.Механическая прочность - необходимо не только обеспечить механическую целостность изоляции и всей конструкции, но и исключить появление в изоляции трещин, расслоений и других небольших дефектов, снижающих электрическую прочность.

4.Технологичность – материалы должны быть пригодными для высокопроизводительных процессов изготовления изоляции и всего оборудования или аппарата в целом.

5.Экологические требования – материалы для внутренней изоляции не должны содержать или образовывать в процессе эксплуатации токсичные продукты, после отработки всего срока эксплуатации должны легко утилизироваться.

6.Экономические показатели – диэлектрические материалы должны быть недефицитными и иметь относительно невысокую стоимость.

7.Специфические требования – обусловленные спецификой того или иного вида оборудования (материалы для силовых конденсаторов должны иметь повышенную диэлектрическую проницаемость; материалы для камер выключателей – высокую стойкость к термоударам и воздействию электрической дуги).

Весь комплекс требований наилучшим образом удовлетворяется при использовании в составе внутренней изоляции комбинации из нескольких материалов, дополняющих друг друга и выполняющих несколько различные функции.

Во всех случаях в состав внутренней изоляции должны входить твёрдые диэлектрические материалы, так как только они могут обеспечить необходимую механическую прочность изоляционной конструкции. Однако твёрдые диэлектрические материалы обладают низкой теплопроводностью; в конструкциях со сложной конфигурацией электродов, они требуют больших трудозатрат на механическую обработку. Главный недостаток – трудно или даже невозможно обеспечить надёжное сочленение деталей из таких материалов друг с другом или с электродами без воздушных зазоров, в которых под действием рабочего напряжения могут развиваться частичные разряды, вызывающие старение изоляции.

Высокопрочные газы под давлением или жидкие диэлектрики легко заполняют изоляционные промежутки любой конфигурации, чем существенно повышают электрическую прочность, особенно длительную. Жидкие диэлектрики могут быть использованы в качестве теплоносителя в системе интенсивного охлаждения конструкции.

6

4.4 Пробой жидких и твёрдых диэлектриков при кратковременных воздействиях напряжения

4.4.1 Пробой жидких диэлектриков

По происхождению жидкие диэлектрики бывают природные (нефтяное и касторовое масла) и синтетические (хлорированные углеводороды и кремнийорганические жидкости).

Наиболее распространены нефтяные изоляционные масла. Для их получения осуществляют перегонку нефти под вакуумом и производят очистку. В зависимости от качества получают трансформаторное, кабельное или конденсаторное изоляционные масла. Конденсаторное масло – самое чистое, а трансформаторное имеет наибольшее количество примесей.

Электрическая прочность тщательно очищенного масла значительно превосходит прочность газов и приближается к прочности твёрдых диэлектриков. (Пробивная напряженность минеральных изоляционных масел приближается к 106В/см – для подвергнутых особо тщательной очистке). Электрическая прочность технически чистых масел значительно ниже и зависит, прежде всего, от концентрации и вида примесей, играющих важную роль в процессах пробоя. За счет содержащегося в масле газа и в результате испарения масла при нагреве его разрядом, образуются газовые пузырьки, способствующие развитию разряда. При дальнейшем повышении напряжения возникновение искр учащается и, наконец, наступает устойчивый пробой при достаточно большой мощности источника в виде дуги.

В неоднородных полях вначале возникает стримерная корона. При повышении напряжения стримеры удлиняются и начинают перекрывать промежуток между электродами. Затем возникает устойчивый пробой. В технически чистом масле, как и в газах, разрядные напряжения уменьшаются с увеличением степени неоднородности электрического поля между электродами.

При временах разряда до 1000 мкс, то есть при воздействии импульсов напряжения, пробой масла является чисто электрическим. При больших временах на электрическую прочность и характер развития пробоя существенное влияние оказывают увлажнение и загрязнение масла. Влага может находиться в масле в трёх состояниях:

-в растворенном виде;

-в виде эмульсии (под микроскопом в масле видны водяные шарики диаметром 2-10 мкм);

-в виде отстоя на дне резервуара.

Влага в виде молекулярного раствора на электрическую прочность масла практически не влияет.

7

Повышение концентрации влаги сверх растворяющей способности масла приводит к образованию эмульсии, т.е. мельчайших капелек воды диаметром 0,01÷0,1 мкм. Появление эмульгированной влаги вызывает резкое снижение пробивного напряжения (рис. 4.4). Влияние эмульгированной влаги объясняется тем, что капельки воды под действием электрического поля втягиваются в области более высокой напряженности. При этом они ещё и деформируются, вытягиваясь вдоль силовых линий.

Рис. 4.4 Зависимость пробивной

напряженности

трансформаторного масла от снижаетсяконцентрации. влаги (измерения

в разряднике при расстоянии между электродами 2,5 мм, действующая напряженность при

50 Гц).

При некотором напряжении, зависящем от концентрации влаги, происходит слияние отдельных капель и образование тончайших водяных каналов. В результате электрическое поле сильно искажается, поскольку диэлектрическая проницаемость воды как полярной жидкости много больше, чем масла. Напряженность в масле между группами деформированных и слипшихся капель возрастает, и электрическая прочность масла

Согласно РД 34.45-51.300-97 «Объём и нормы испытаний электрооборудования» влагосодержание должно быть не выше:

-у трансформаторов Uном=110-330 кВ – 0,0025%			(25 г/т);
-у трансформаторов Uном=500-750 кВ – 0,0020%			(20 г/т);
- силовые и измерительные трансформаторы
без спец. защит масла, негерметичные
маслонаполненные вводы	- 0,0030%		(30 г/т).
В эксплуатации на СШГЭС допускается влагосодержание не более 10
г/т.
Влагосодержание определяется	либо	химическим		способом

(гидриткальциевый способ), либо хроматографией.

Общее количество воды, которое может находится в масле в молекулярно-растворенном и эмульсионном виде ограничено. При содержании его более 0,02% избыточная влага выпадает в виде отстоя на дно. Хотя сам отстой и не влияет на электрическую прочность, его

8