Лекции

для полимерной изоляции, особенно если он имеет стримерную форму. Температура в канале стримера достаточно высока, и соприкосновение его с поверхностью диэлектрика может приводить к термическому разложению диэлектрика и образованию трека.

Трек – обугленный след с повышенной проводимостью, образующийся в результате термического разложения диэлектрика.

Длина трека со временем возрастает, что приводит к перекрытию изолятора с необратимой потерей им электрической прочности.

Все сказанное справедливо и для конструкции на рис. 3.8,в. Большая нормальная составляющая электрического поля способствует сближению канала стримера с поверхностью диэлектрика, что повышает вероятность повреждения диэлектрика. Электрическая прочность этой конструкции еще меньше, чем у 3.8,б. Каналы стримеров, развивающихся вдоль поверхности диэлектрика, имеют значительно большую емкость по отношению к внутреннему (противоположному) электроду, чем в конструкции с преобладанием Еt. Поэтому через стримерные каналы проходит сравнительно большой ток. При определенном значении напряжения ток возрастает настолько, что температура стримерных каналов становится достаточной для термической ионизации. Термически ионизированный канал разряда, развивающегося вдоль диэлектрика, на поверхности которого Еt<En, называют каналом скользящего разряда.

Скользящий разряд – разряд развивающийся вдоль диэлектрика, на поверхности которого нормальная составляющая напряженности поля превышает тангенциальную.

Проводимость канала скользящего разряда значительно больше проводимости канала стримера. Поэтому падение напряжения в канале скользящего разряда меньше, а на неперекрытой части промежутка больше, чем в каналах стримера. Увеличение напряжения на неперекрытой части промежутка приводит к удлинению канала скользящего разряда и полному перекрытию промежутка при меньшем значении напряжения между электродами.

Длина канала скользящего разряда зависит от его проводимости, а следовательно, от значения тока в нем. В свою очередь ток зависит от напряжения между электродами, изменения напряжения и емкости канала стримера относительно противоположного электрода. Длина канала скользящего разряда определяется эмпирической формулой Теплера:

lñê = χ1C 2U 5 4	dU	(3.19)
	dt

где χ – коэффициент, определяемый опытным путем; С – удельная поверхностная емкость (емкость единицы поверхности

диэлектрика, по которой развивается разряд, относительно противоположного электрода);

U – напряжение между электродами.

При подстановке вместо lск расстояние между электродами по поверхности диэлектрика L можно определить значение напряжения Uр,

необходимого для перекрытия изолятора. Если принять C = εεd0 , где d –

толщина диэлектрика, и считать dUdt = const , что в первом приближении

соответствует постоянству частоты приложенного напряжения, то из (3.19) получим:

L = χ1C 2U 5p,25 , откуда

U p = χL0,2 (	d		)0,4	(3.20)
	εε	0

Из (3.20) следует, что рост длины изолятора L дает относительно малое повышение Up. Поэтому для увеличения Up проходных изоляторов уменьшают удельную поверхностную емкость путем увеличения диаметра изолятора у фланца, с которого можно ожидать развитие разряда. Используется также нанесение у фланца полупроводящего покрытия, что способствует выравниванию распределения напряжения по поверхности изолятора и, следовательно, приводит к увеличению разрядных напряжений. При постоянном напряжении С практически не влияет на развитие разряда и значение Up оказывается близким к разрядному напряжению чисто воздушного промежутка.

3.2.4Особенности развития разряда по увлажненной и загрязненной поверхности

К атмосферным воздействиям, приводящим к значительному снижению напряжений перекрытия (разрядных напряжений) изоляторов, относятся дождь и увлажненные загрязнения их поверхности.

В сухом состоянии изоляторы имеют разрядные напряжения (сухоразрядные), которые как при промышленной частоте, так и при импульсах мало зависят от типа изоляторов и определяются длиной воздушного промежутка:

-для гирлянд подвесных или колонок опорных изоляторов

воздушный промежуток равен строительной длине гирлянды lГ=nH, где Н – строительная высота одного изолятора, n – число изоляторов в гирлянде;

-для гирлянд с защитной арматурой – наименьшему расстоянию между арматурой и заземленным элементом конструкции.

Перекрытие изолятора под дождем связано с образованием на его поверхности проводящей пленки воды и подсушиванием отдельных участков поверхности токами утечки, что приводит к возникновению частичных дуг и их удлинению. Так как значение тока утечки зависит от интенсивности

дождя и его проводимости, то на мокроразрядные напряжения влияют характеристики дождя. С целью унификации испытания изоляторов проводятся под стандартным дождем: сила дождя 3 мм/мин, для коммутационных импульсов 2 мм/мин, удельное сопротивление 100±10 Ом·м при температуре 20 ºС, угол падения 45º, структура – капельная.

Значение мокроразрядного напряжения существенно зависит от формы изолятора. Нижние поверхности изоляторов наружной установки практически не смачиваются дождем. Это ограничивает ток утечки и приводит к повышению мокроразрядного напряжения.

Электрическую прочность гирлянд (колонок) однотипных изоляторов под дождем принято характеризовать средней мокроразрядной напряженностью:

Eìð	=	U ìð	=	U ìð	(3.21)
		lÃ		nH

где Uмр – мокроразрядное напряжение гирлянды (колонки) изоляторов; lГ =nH – строительная длина гирлянды.

Значение Емр зависит от типа изоляторов и, например, для тарельчатых подвесных изоляторов изменяется от 2,0 до 2,6 кВ/см при напряжении частотой 50 Гц.

В условиях эксплуатации поверхности изоляторов всегда загрязняются. Однако, как правило, сухие загрязнения, имеющие высокое сопротивление и не влияющие на распределение напряжения по поверхности изолятора, не снижают заметно его разрядного напряжения.

Механизмы перекрытия изолятора под дождем и при загрязненной и увлажненной поверхности схожи. Рассмотрим развитие разряда в случае, когда поверхность изолятора

загрязнена и увлажнена.

Под действием приложенного к изолятору напряжения по увлажненному слою загрязнения проходит ток утечки, нагревающий его. Так как загрязнение распределено по поверхности изолятора неравномерно и плотность тока утечки неодинакова из-за сложной конфигурации поверхности, то нагревание слоя загрязнения происходит также неравномерно (рис. 3.11.1). На участках с большей плотностью тока и меньшей толщиной слоя загрязнения, происходит

интенсивное испарение воды и образуются подсушенные участки с повышенным сопротивлением (рис. 3.11.2). Распределение напряжения по поверхности изолятора меняется. Почти все напряжение оказывается приложенным к подсушенным участкам, в результате чего они перекрываются искровыми каналами, называемыми частичными дугами (рис.

3.11.3). Rискр1<Rсух1 поэтому ток утечки возрастает (Iут1<Iут2). Возрастание тока утечки приводит к дальнейшему подсушиванию слоя загрязнения, а

следовательно, и к увеличению его сопротивления. Интенсивное подсушивание поверхности изолятора у концов дуг приводит к их удлинению (рис. 3.11.4). Подсушивание всей поверхности ведет к снижению тока утечки, а увеличение длины частичных дуг – к его росту. Если результатом этого будет уменьшение тока утечки, то дуги погаснут, если же ток утечки будет расти, то частичные дуги будут удлиняться и перекроют весь изолятор. Перекрытие является случайным событием и характеризуется определенной вероятностью. Вероятность перекрытия изолятора повышается с ростом воздействующего напряжения, так как при этом возрастает ток утечки, что способствует удлинению частичных дуг до полного перекрытия изолятора. Следовательно, разрядные напряжения изоляторов будут тем выше, чем меньше ток утечки.

Величина тока утечки определяется соотношением:

	I ó =	U	(3.22)
		Ró

где Rу – сопротивление утечки по поверхности изолятора.

Если слой загрязнения имеет толщину с удельным объемным сопротивлением ρ, то для цилиндрического гладкого изолятора диаметром D (рис. 3.12) имеем:

Sçàãð =π( D2 + ∆)2 −π 4 =

=π( D2 +2 D ∆+∆2 − D2 ) =π(D∆+∆2 ) 4 2 4D2

при Δ<<D :

	Sçàãð =πD∆
	Следовательно:
	Ró =	ρLó		(3.23)
		π∆D

где Lу – длина пути утечки.

Из (4.5) и (4.6), получаем:

I ó = Uπ∆D	(3.24)
ρLó

Таким образом, разрядное напряжение изолятора будет возрастать с увеличением длины пути утечки и уменьшением диаметра изолятора.

Влагоразрядное напряжение изолятора зависит от характеристик слоя загрязнения – количества, состава, интенсивности и вида увлажнения. Наиболее правильно разрядные напряжения могут быть определены из опыта эксплуатации. В настоящее время принято определять влагоразрядные напряжения при нанесении на поверхности изоляторов твердого вещества (цемента) с последующим увлажнением водой или сконденсированным паром, а также в атмосфере соленого тумана.

На рис. 3.13 приведены результаты испытания изоляторов ПФ6-А, загрязненных цементом, при напряжении частотой 50 Гц и различных интенсивностях увлажнения. Минимум влагоразрядных напряжений соответствует интенсивности увлажнения J=10-12 мм/ч. Снижение Uвр при возрастании J связано с увеличением проводимости слоя загрязнения, приводящим к возрастанию тока утечки, интенсивной подсушке поверхности изолятора и образованию частичных дуг. Одновременно с подсушкой поверхности изолятора идет процесс увлажнения. При интенсивности увлажнения, превышающей 10-12 мм/ч, количество влаги, поступающей в единицу времени на поверхность изолятора, начинает превышать количество влаги, испаряющейся в единицу времени. Помимо этого происходит вымывание из слоя загрязнения растворимых веществ и вследствие этого рост удельного сопротивления загрязняющего слоя. Это затрудняет образование подсушенных участков на поверхности изолятора и приводит к росту разрядных напряжений.

ЛЕКЦИЯ 9

РАЗДЕЛ 3 (продолжение)

3.3 Основные свойства и электрические характеристики внешней изоляции электроустановок

3.3.1Атмосферный воздух как диэлектрик

3.3.2Назначение и типы изоляторов

3.3.3Изоляция воздушных линий электропередачи на опорах

3.3.4Распределение напряжения по гирлянде изоляторов

3.3.1Атмосферный воздух как диэлектрик

Основным диэлектрическим «материалом» для создания внешней изоляции электроустановок служит атмосферный воздух. Изолируемые электроды (шины РУ, провода ЛЭП) располагаются на определенных расстояниях друг от друга и от земли (или заземленных частей электроустановок) и укрепляются в заданном положении с помощью изоляторов. Изоляционные расстояния по воздуху зависят от величины воздействующих напряжений и от электрической прочности воздуха.

Электрическая прочность воздуха		Таблица 3.1
Межэлектродное	Электрическая прочность воздуха кВ/см
расстояние	однородное поле	резконеоднородное поле
более 1 см	30	-
≈ (1÷2) м	-	5
≈ (10÷20) м	-	2,5-1,5

На разрядные напряжения воздушных промежутков оказывают влияние

давление Р, температура Т и абсолютная влажность воздуха γ, поэтому изоляционные расстояния по воздуху выбираются таким образом, чтобы они имели достаточную электрическую прочность при неблагоприятных атмосферных условиях.

В качестве нормальных условий принимаются:

Т0=293 К (t0=200C);

Р0=101,3 кПа≈100 кПа (760 мм рт. ст.); γ 0 = 11 г/м3.

Электрооборудование обычного исполнения предназначено для работы на высотах до 1000 м над уровнем моря и при температуре до 400C. В связи с этим при проектировании внешней изоляции необходимо учитывать:

-подъём на каждые 100 м над уровнем моря дает снижение UР на 1%;

-увеличение температуры на каждые 30С сверх нормальной даёт снижение UР на 1%;

-уменьшение γ в два раза приводит к снижению UР на (6-8) %.

Влияние атмосферных условий на разрядные напряжения сказывается на межэлектродных расстояниях до 1 м. По мере увеличения расстояния влияние уменьшается.

3.3.2 Назначение и типы изоляторов

Диэлектрики, из которых изготавливаются изоляторы, должны отвечать следующим требованиям:

-механическая прочность;

-электрическая прочность;

-негигроскопичность;

-трекингостойкость.

Механическая прочность – необходима, поскольку изоляторы, являясь элементом конструкции, несут значительную нагрузку. Изоляторы ЛЭП несут нагрузку от тяжения проводов (тонны, а иногда десятки тонн). Опорные изоляторы РУ испытывают громадные нагрузки от электродинамических сил, возникающих между шинами при коротких замыканиях.

Электрическая прочность – диэлектрики должны иметь высокую электрическую прочность, позволяющую создавать экономичные и надёжные конструкции изоляторов. Пробивное напряжение твёрдого диэлектрика в изоляторе должно быть (и всегда делается) примерно в 1,5 раза более высоким, чем напряжение перекрытия по поверхности, которым и определяется электрическая прочность изолятора.

Негигроскопичность – постоянство свойств диэлектрика под действием различных метеорологических факторов.

Трекингостойкость – устойчивость к воздействию частичных электрических дуг, под действием которых поверхность может обугливаться с образованием проводящих следов (треков), снижающих электрическую прочность изоляторов.

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

					Таблица 3.2
	Материал	Электрическая прочность,	Механическая прочность, МПа
		кВ/мм однородное поле	Сжатие	Изгиб	Растяжение
	Фарфор	30÷40	450	70	30
	Стекло	45

Изоляторы из закаленного стекла имеют ряд преимуществ перед фарфоровыми:

-процесс изготовления полностью автоматизирован;

-прозрачность стекла позволяет легко обнаруживать дефекты и повреждения;

-при повреждении изоляции или пробое стекло рассыпается и визуально можно определить дефектный изолятор.

Стеклянные изоляторы в процессе изготовления подвергаются закалке: нагреваются до температуры примерно 7000С и затем обдуваются холодным воздухом. Во время закалки наружные слои стекла твердеют значительно раньше внутренних, поэтому при последующей усадке внутренних слоёв в толще стекла образуются растягивающие усилия. Такая предварительно напряженная конструкция имеет высокую прочность на сжатие.

Полимерные изоляторы наружной установки изготавливаются из эпоксидных компаундов на основе циклоалифатических смол, из кремнийорганической резины, из полиэфирных смол с минеральным наполнителем и добавкой фторопласта. К их достоинствам следует отнести высокую электрическую прочность и трекингостойкость.

Изоляторы для закрытых помещений в некоторых случаях изготавливаются из бакелизированной бумаги. Однако наибольшее распространение для внутренней установки получили изоляторы из фарфора и стекла, отличающиеся от изоляторов наружной установки более простой формой.

Поскольку перекрытие изоляторов происходит в результате развития разряда в воздухе вдоль поверхности, на разрядные напряжения изоляторов оказывают влияние те же факторы, что и на разрядные напряжения воздушных промежутков, то есть давление, температура, влажность воздуха и состояние поверхности. В связи с этим по существующей методике испытаний изоляторы подвергаются воздействию напряжения в сухих условиях (UСР), под дождём (мокроразрядное напряжение UМР) и при увлажненном загрязнении (влагоразрядное напряжение UВР).

По своему назначению изоляторы делятся на:

-опорные

--стержневые

--штыревые

-подвесные

--тарельчатые

--стержневые

-проходные

Опорно-стержневые

Применяются в ОРУ и ЗРУ для крепления шин или контактных деталей. Конструктивно это фарфоровое тело, армированное крепежными металлическими деталями (рис.3.14).

Арматура одновременно является внутренним экраном, ребро на теле изолятора является своего рода барьером, заставляя разряд развиваться под углом к силовым линиям поля, т.е. по пути с меньшей напряженностью.

Изоляторы внутренней установки выпускаются на напряжения до 35 кВ. Обозначение:

Рис. 3.14 Опорностержневой изолятор на напряжение 6 кВ

для внутренней установки

ОФ - 35 - 375

опорный

фарфоровый

Uном, кВ

минимальная разрушающая сила на изгиб 375 даН

Опорно-стержневые изоляторы наружной установки (рис. 3.15) отличаются большим количеством ребер, чем изоляторы внутренней установки. Ребра служат для повышения длины пути утечки с целью увеличения UМР и

UВР. Изоляторы на напряжения 35-110 кВ состоят из сплошного фарфорового стержня, армированного чугунными фланцами.

Рис. 3.15 Опорно-
стержневой
изолятор на
напряжение 35 кВ	Обозначение:

О Н С- 35 - 2000

опорный

наружной установки стержневой

Uнон, кВ

минимальная разружающая сила на изгиб

200 даН

Опорно-штыревые

Применяют для наружных установок в тех случаях, когда требуется высокая механическая прочность и опорно-стержневые изоляторы применены быть не могут. Состоит из фарфоровой или стеклянной изолирующей детали, с которой при помощи цемента скрепляется металлическая арматура. Изолирующая деталь опорно-штыревых изоляторов на напряжения 6-

10 кВ – одноэлементная, на напряжение 35 кВ – двух- Рис. 3.16 Опорно- или трехэлементной (рис. 3.15).

штыревой изолятор

на напряжение 35

кВОбозначение. :

О НШ - 35ХХХ опорный

наружной установки штыревой