ВНЕШНЯЯ ИЗОЛЯЦИЯ И ЕЕ ВЫБОР

4. Внешняя изоляция и ее выбор
4.1. Общая характеристика внешней изоляции
Атмосферный воздух как диэлектрик. Основным диэлектрическим «материалом» для создания внешней изоляции электроустановок служит атмосферный воздух. Изолируемые электроды (шины распределительных устройств, провода линий электропередачи, наружные токоведущие части электрических аппаратов) располагаются на определенных расстояниях друг от друга и от земли
(или заземленных частей установок) и укрепляются в заданном положении с помощью изоляторов. Изоляционные расстояния по воздуху зависят от значений
напряжения, воздействию которого подвергается установка, и от электрической
прочности воздуха. Расстояние в свету при жестких шинах между токоведущими
(АФ-4) и заземленными (АФ-3) частями разных фаз приведены в табл. 1 и показаны на рис. 1,а для воздушных линий приведены в табл.2.
Таблица 1 - Изоляционные расстояния (мм) между токоведущими частями разных
фаз при жестких шинах
10 кВ
35 кВ
110 кВ
220 кВ
330 кВ
500 кВ
АФ-3
200
400
900
1800
2500
3750
АФ-4
220
440
1000
2000
2800
4200
Таблица2- Наименьшее допустимое изоляционное расстояние по воздуху от токоведущих до заземленных частей ВЛ
Наименьшее изоляционное расстояние, см, при напряжеРасчетное условие
нии ВЛ, кВ
До 10
20
35
110
150
220
330
500
штыревые
15
25
35
-
-
-
-
-
подвесные
20
35
40
100
130
180
260
320
Внутренние перенапряжения
10
15
30
80
110
160
215
300
Рабочее напряжение
-
7
10
25
35
55
80
115
Обеспечение безопасного подъема -
-
150
150
200
250
350
450
Грозовые
перенапряжения
для
изоляторов:
на опору
Таблица 3 - Наименьшее расстояние между фазами на опоре
Наименьшее изоляционное расстояние, см, при напряжении ВЛ,
Расчетное условие
кВ
До 10 20
35
110
150
220
330
500
750
Грозовые перенапряжения
20
45
50
135
175
250
310
400
Не нормируется
Внутренние перенапряжения
22
33
44
100
140
200
280
420
640*
Наибольшее рабочее напря- 10
15
20
45
60
95
140
200
280
жение
Примечание *- При значениях расчетной кратности внутренних перенапряжений менее 2,1 допустимые изоляционные расстояния пересчитываются пропорционально
Рис. 1. Наименьшее расстояние (мм) в свету между неизолированными токоведущими частями разных фаз в ЗРУ и между ними и заземленными заземленными
частями (по табл. 2)
При нормальных атмосферных условиях электрическая прочность воздушных промежутков невелика и в однородном поле при межэлектродных расстояниях более 1 см имеет значение, не превышающее 30 кВ/см. В большинстве
изоляционных конструкций при приложении высокого напряжения создается
резко неоднородное электрическое поле. Электрическая прочность воздуха в таких полях еще меньше и при расстояниях между электродами порядка 1…2 м
составляет приблизительно 5 кВ/см, а при расстояниях 10…20 м снижается
соответственно до 2,5…1,5 кВ/см. В связи с этим габариты воздушных линий
электропередачи и распределительных устройств в значительной мере определяются электрической прочностью воздуха и при увеличении номинального напряжения очень быстро возрастают, табл.2.
На разрядные напряжения воздушных промежутков оказывают влияние
давление р, температура Т и абсолютная влажность  воздуха, поэтому изоляционные расстояния по воздуху выбираются таким образом, чтобы они имели
достаточную электрическую прочность при неблагоприятных атмосферных
условиях. В частности, электрооборудование обычного исполнения предназначено для работы на высотах до 1000 м над уровнем моря и при температурах
окружающего воздуха до +40°С. В связи с этим при проектировании внешней
изоляции электрооборудования учитывается, что подъем на каждые 100 м над
уровнем моря дает снижение разрядных напряжений примерно на 1% и такое
же снижение дает увеличение температуры на каждые 3 °С сверх нормальной.
В качестве нормальной температуры принимается Т0 = 293 К (t0 = 20°С), в качестве нормального давления, соответствующего уровню моря, – давление
p 0 = 101,3 кПа ≈ 100 кПа (760 мм рт. ст.); в качестве нормальной влажности воздуха – абсолютная влажность (0 = 11 г/м3). Уменьшение абсолютной
влажности воздуха в два раза приводит к снижению разрядных напряжений
внешней изоляции на 6…8%. Следует отметить, что приведенные данные, характеризующие изменение разрядных напряжений под влиянием атмосферных
условий, относятся к межэлектродным расстояниям до 1 м. При расстояниях
между электродами больше 1 м влияние атмосферных условий снижается по
мере увеличения расстояния. Дождь практически не оказывает влияния на разрядные напряжения промежутков с неоднородным полем.
Назначение и типы изоляторов. Диэлектрики, из которых изготавливаются изоляторы, должны обладать высокой механической прочностью, поскольку
изоляторы, 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.
Диэлектрики должны иметь высокую электрическую прочность, позволяющую создавать экономичные и надежные конструкции изоляторов. Нарушение
электрической прочности изолятора может происходить или при пробое твердого
диэлектрика, из которого он изготовлен, или в результате развития разряда в воздухе вдоль внешней поверхности изолятора. Пробой твердого диэлектрика означал бы отказ изолятора, тогда как разряд по поверхности при условии быстрого
отключения напряжения причиняет изолятору незначительные повреждения.
Поэтому пробивное напряжение твердого диэлектрика в изоляторе должно быть
примерно в 1,5 раза выше, чем напряжение перекрытия по поверхности, которым и определяется электрическая прочность изолятора.
Диэлектрики должны быть негигроскопичными и не должны изменять своих свойств под действием 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 виды полимеров.
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.
Механическая прочность фарфора и стекла зависит от вида нагрузки.
Например, прочность фарфоровых образцов диаметром 2…3 см составляет при
сжатии 450 МПа, при изгибе – 70 МПа, а при растяжении – всего 30 МПа. Поэтому наиболее высокой механической прочностью обладают изоляторы, в которых фарфор работает на сжатие.
Стекло по механической прочности не уступает фарфору и тоже лучше
всего работает на сжатие. Стеклянные изоляторы в процессе изготовления подвергаются закалке: нагреваются до температуры примерно 700 °С и затем обдуваются холодным воздухом. Во время закалки наружные слои стекла твердеют
значительно раньше внутренних, поэтому при последующей усадке внутренних
слоев в толще стекла образуются растягивающие усилия. Такая предварительно
напряженная конструкция имеет высокую прочность на сжатие. Стеклянные
подвесные изоляторы тарельчатого типа для линий электропередачи изготовляются на нагрузки до 530 кН.
Изоляторы из закаленного стекла имеют ряд преимуществ перед фарфоровыми: технологический процесс их изготовления полностью автоматизирован;
прозрачность стекла позволяет легко обнаружить при внешнем осмотре мелкие
трещины и другие внутренние дефекты; повреждение стекла приводит к разрушению диэлектрической части изолятора, которое легко можно обнаружить при
осмотре линии электропередачи эксплуатационным персоналом.
Полимерные изоляторы (рис. 2) наружной установки изготовляются из
эпоксидных компаундов на основе циклоолифатических смол, из кремнийорганической резины, из полиэфирных смол с минеральным наполнителем и добавкой
фторопласта. Такие изоляторы имеют высокую электрическую прочность и до-
статочную трекингостойкость. Высокая механическая прочность полимерных
изоляторов достигается посредством армирования их стеклопластиком. Применение полимерных изоляторов на линиях электропередачи позволяет существенно уменьшить массу подвесных изоляторов.
Рис. 2. Стержневой полимерный изолятор ЛК-70/35-3
Технические характеристики стержневого полимерного изолятора приведены в табл.4
Таблица 4 - Технические характеристики стержневого полимерного изолятора.
мм
мм
мм
90
624
16
мм
17
23
импульсное
d1
под дождем
d
в сухом состоянии
H
Номинальное напряжение
ЛК70/35-3
D
Нагрузка на растяжение
Тип
Выдерживаемое
напряжение
Длина пути утечки
(минимальная)
Размеры
мм
даН
кВ
кВ
кВ
кВ
кг
900
7000
35
110
85

1,7
Масса
В закрытых помещениях изоляторы не подвержены влиянию атмосферных
осадков, поэтому для их изготовления в некоторых случаях используется бакелизированная бумага. Для уменьшения гигроскопичности такие изоляторы покрываются снаружи водостойкими лаками. 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, которые влияют на разрядные напряжения воз-
душных промежутков, т.е. давление, температура и абсолютная влажность воздуха. Помимо этого, на разрядные напряжения изоляторов влияет состояние их
поверхности. 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. В связи с этим по существующей методике испытаний
изоляторы подвергаются воздействию напряжения в сухих условиях (сухоразрядное напряжение), под дождем (мокроразрядное напряжение) и при увлажненном загрязнении (влагоразрядное напряжение).
Сухоразрядные напряжения определяются при сухой и чистой поверхности
изоляторов и приводятся к нормальным атмосферным условиям. При измерениях мокроразрядных и влагоразрядных напряжений искусственный дождь и
увлажненные загрязнения создаются по стандартным методикам. Это обеспечивает возможность сопоставления результатов, полученных в разное время или в
разных лабораториях, и объективность оценки изоляторов различной конструкции.
По своему назначению изоляторы делятся на опорные, подвесные и проходные. Опорные изоляторы, в свою очередь, подразделяются на стержневые и
штыревые, а подвесные – на изоляторы тарельчатого типа и стержневые.
Опорно-стержневые изоляторы применяют в закрытых и открытых распределительных устройствах для крепления на них токоведущих шин или контактных деталей. Изоляторы внутренней установки конструктивно представляют собой фарфоровое тело, армированное крепежными металлическими деталями
(рис. 3). Арматура одновременно является внутренним экраном, с помощью которого снижается напряженность поля у края электрода, где она максимальна.
Ребро на теле изолятора играет роль барьера, заставляя разряд развиваться
под углом к силовым линиям поля, т.е. по пути с меньшей напряженностью.
Внутренний экран и ребро существенно увеличивают разрядное напряжение
изолятора.
а)
б)
Рис. 3 Опорно-стержневой изолятор на напряжение а) полимерный изолятор на
напряжение 10 кВ
б) фарфоровый изолятор на напряжение 6 кВ для внутренней установки
Таблица 5- Опорно- стержневой полимерный изолятор на напряжение 10 кВ
ПОКАЗАТЕЛЬ
ИОСК
4-80-1
УХЛ1
Строительная высота, мм, Нстр.
190
Длина изоляционной части, мм, Низ.
91
Длина пути утечки, см
22
Номинальное напряжение, кВ
10
Минимальная механическая разрушающая сила на изгиб, не менее, 4
кН
Минимальный разрушающий крутящий момент, не менее, кНхм
0,245
Испытательное напряжение грозовых импульсов, не менее, кВ
80
Пятиминутное испытательное напряжение частоты 50 Гц в сухом
состоянии и одноминутное под дождем, не менее, кВ
42/28
ИОСК ИОСК 66-80-1 80-П
УХЛ1 УХЛ1
215
92
117
30
6
50% -ное разрядное напряжение промышленной частоты в загряз- 18
ненном и увлажненном состоянии, кВ
При удельной поверхностной проводимости слоя загрязнения,
мкСм
Масса не более, кг
Рисунок №
5
1
10
2,4
2
2,7
2
Изоляторы внутренней установки выпускаются на напряжения до 35 кВ.
Обозначение изоляторов, например, ОФ-35-375 расшифровывается следующим
образом: опорный, фарфоровый на 35 кВ, с минимальной разрушающей силой на
изгиб 375 даН.
Опорно-стержневые изоляторы наружной установки отличаются большим
количеством ребер, чем изоляторы внутренней установки. Ребра служат для
увеличения длины пути утечки с целью повышения разрядных напряжений изо-
ляторов под дождем и в условиях увлажненных загрязнений. Изоляторы на
напряжения 35…110 кВ состоят из сплошного фарфорового стержня, армированного чугунными фланцами ,а также изготавливаются изоляторы из полимера
(рис. 4). Обозначение, например, ОНС-35…2000 расшифровывается следующим
образом: опорный, наружной установки, стержневой на 35 кВ, с минимальной
разрушающей силой 2000 даН. В настоящее время выпускаются опорно- стержневые полимерные изоляторы на напряжение 35 и 110 кВ (рис.4)(табл.6)
Рис. 4 Опорно- стержневой полимерный изолятор на напряжение 35 и 110
кВ
Таблица 6- Опорно- стержневой полимерный изолятор на напряжение 35 и
110 кВ
ПОКАЗАТЕЛЬ
ИОСК
12,5190-1
УХЛ1
Строительная высота, мм. Нстр.
475
560
1020
1050
1220
Длина изоляционной части, мм. Низ.
337
422
882
912
1082
210
230
480
550
ИОСК ИОСК ИОСК
20-190-1 6-450-1 6-480-1
УХЛ1
УХЛ1 УХЛ1
Длина пути течки. см
75
200
Номинальное напряжение. кВ
35
110
Минимальная механическая разрушающая сила
на изгиб, не менее. кН
Минимальный разрушающий крутящий момент, не менее. кНхм
Испытательное напряжение грозовых импульсов, не менее, кВ
12,5
20
ИОСК 6550-1
УХЛ1
6
0.6
1,0
190
450
Пятиминутное испытательное напряжение частоты 50 Гц в сухом состоянии и одноминутное 95/80
под дождем, не менее. кВ
230
42
50% -нос разрядное напряжение промышленной частоты в загрязненном и увлажненном состоянии. кВ При удельной поверхностной про- 5
водимости слоя загрязнения, мкСм
верхний фла127
нец
Установочный размер, мм.
0D
нижний фланец 127
Масса не более, кг
РИСУНОК №
31
110
127;178
33
38
127;200
39,5
43
1;2
Опорно-штыревые изоляторы применяют для наружных установок в тех
случаях, когда требуется высокая механическая прочность и опорно-стержневые
изоляторы не могут применяться. Опорно-штыревой изолятор состоит из фарфоровой или стеклянной изолирующей детали, с которой при помощи цемента
скрепляется металлическая арматура-штырь с фланцем и колпачок (шапка).
Изолирующая деталь опорных штыревых изоляторов на напряжения 6…10 кВ
выполняется одноэлементной, а на напряжение 35 кВ – двух- или трехэлементной
(рис. 5). (табл.7)В установках напряжением 110 кВ и выше используются колонки,
состоящие из нескольких установленных друг на друга опорно-штыревых изоляторов на напряжение 35 кВ. В обозначение изоляторов введена буква Ш
(штыревой).
Рис. 4 Опорно-стержневой фарфоровый изолятор на напряжение 35 кВ
Рис. 5. Опорно-штыревой изолятор на напряжение ОНШ-35-20-1
Таблица 7- Технические характеристики стержневого полимерного изолятора.
H
d
Пробивное
напряжение
в сухом состоянии
под дождем
импульсное
ОНШ-3520-1
D
Электромеханическая разрушающая
сила
Тип
Выдерживаемое
напряжение
Длина пути утечки
(минимальная)
Размеры
мм
мм
мм
мм
кН
кВ
кВ
кВ
кВ
кг
400
430
140
850
20
180
110
85
185
40
Масса
Штыревые линейные изоляторы на напряжение 6…10 кВ состоят из фарфоровой или стеклянной изолирующей детали, в которую ввертывается металлический крюк или штырь (рис. 6)(табл.8). Крюк служит для закрепления
изолятора на опоре. Провод укладывается в бороздки на верхней или боковой
поверхности изолятора и крепится посредством проволочной вязки или специальных зажимов. На напряжение 35 кВ изоляторы выполняются из двух склеенных между собой изолирующих деталей, что увеличивает их электрическую и механическую прочность. Обозначение штыревых линейных изоляторов, например,
ШФ10, означает: штыревой фарфоровый на 10 кВ. Буква С в обозначении
(ШС) указывает на то, что изолятор стеклянный.
Рис. 6. Штыревой линейный изолятор ШС-10 ( а ),ШФ-10-1 (б ),ШФ-20Г(в)
Таблица 8- Технические характеристики изолятора ШФ-20 Г
ШФ
175 184 70
20Г
импульсное
мм
под дождем
h
в сухом состоянии
мм
H
Пробивное
напряжение
D
Электромеханическая разрушающая
сила
Тип
Выдерживаемое напряжение
Длина пути утечки
(минимальная)
Размеры
мм мм
мм
кН
кВ
кВ
кВ
кВ
кг
28
400
13
180
85
65
135
3,5
d1
d2
33
Масса
Подвесные изоляторы тарельчатого типа широко применяются на воздушных линиях электропередачи 35 кВ и выше. Они состоят из изолирующей детали
(стеклянной или фарфоровой), на которой при помощи цемента укрепляется металлическая арматура – шапка и стержень (рис. 7). Технические характеристики подвесного изолятора ПФ 70-1 приведены в табл. 9.
Таблица 9 - Технические характеристики подвесного изолятора ПФ 70-1.
H
d
Пробивное напряжение
в сухом состоянии
под дождем
импульсное
ПФ 70-1
D
Электромеханическая разрушающая
сила
Тип
Выдерживаемое
напряжение
Длина пути утечки
(минимальная)
Размеры
мм
мм
мм
мм
кН
кВ
кВ
кВ
кВ
кг
270
146
16
470
70
130
-
45
110
5,2
Масса
Рис. 7. Подвесной изолятор тарельчатого типа ПФ 70-1
Требуемый уровень выдерживаемых напряжений достигается соединением
необходимого количества изоляторов в гирлянду. Это осуществляется путем
введения головки стержня в гнездо на шапке другого изолятора и закрепления
его замком. Гирлянды, благодаря шарнирному соединению изоляторов, работают
только на растяжение. Однако изоляторы сконструированы так, что внешнее
растягивающее усилие создает в изоляционном теле в основном напряжения сжатия. Тем самым используется высокая прочность фарфора и стекла на сжатие.
У фарфорового изолятора наружная и внутренняя поверхности головки
(средней части изолирующей детали) покрывают фарфоровой крошкой, которая
при обжиге спекается с фарфором. Это обеспечивает прочное сцепление цементной связки с головкой. Для компенсации температурных расширений цементной
связки применяют эластичные промазки, которыми покрывают все элементы
изолятора, соприкасающиеся с цементом. В стеклянных изоляторах внутренняя и
наружная поверхности головки имеют опорные выступы, что обеспечивает лучшее распределение усилий в изоляторе.
Верхняя часть тарелки подвесного тарельчатого изолятора имеет гладкую
поверхность, наклоненную под углом 5…10° к горизонтали, что обеспечивает
стекание воды во время дождя. Нижняя поверхность тарелки для увеличения
длины пути утечки выполняется ребристой.
Наиболее частой причиной отказа тарельчатых изоляторов является пробой фарфора (стекла) между шапкой и стержнем, однако механическая прочность изолятора при этом не нарушается и падения провода на землю не происходит. Это является существенным достоинством тарельчатых изоляторов.
Обозначение изоляторов тарельчатого типа, например ПС-70Е, означает:
П – подвесной, С – стеклянный, гарантированная электромеханическая прочность 70 кН, индекс Е означает вид конструктивного исполнения изолятора.
Электромеханическая прочность изолятора – это величина разрушающей механической силы при приложении к изолятору напряжения, равного 75…80%
разрядного напряжения в сухом состоянии.
Подвесные стержневые изоляторы представляют собой стержень из изолирующего материала с выступающими на нем ребрами, армированный с обоих
концов металлическими шапками. Эти изоляторы, как правило, выполняются из
электротехнического фарфора. Однако в последнее время начат выпуск стержневых полимерных изоляторов (рис.2) . Стержневые изоляторы из фарфора не
нашли широкого применения вследствие сравнительно невысокой механической
прочности, а также возможности полного разрушения с падением провода на
землю.
Проходные изоляторы применяются для изоляции токоведущих частей при
прохождении их через стены, потолки и другие элементы конструкций распределительных устройств и аппаратов. Проходной изолятор в самом простом случае состоит из полого фарфорового элемента, внутри которого проходит токоведущий стержень (шина), и фланца, служащего для механического крепления изолятора к конструкции, через которую осуществляется ввод напряжения (рис. 8). Проходные изоляторы, предназначенные для наружной установки, имеют более развитую поверхность той части изолятора, которая располагается вне помещения.
а)
б)
Рис. 8. Проходные изоляторы на напряжение 35 кВ (а), 110 кВ (б)
Проходной изолятор имеет следующие обозначении, например, ПНШ35/3000-2000; П – проходной, Н – наружной установки, Ш – шинный на
напряжение 35 кВ и номинальный ток 3 кА с механической прочностью 20 кН.
Проходные аппаратные изоляторы (вводы) на напряжения 110 кВ и выше
имеют значительно более сложную конструкцию и рассматривается ниже .
4.2. Работа изоляторов при увлажненных загрязнениях поверхности
Степени загрязненности атмосферы. Методика определения степени загрязненности атмосферы, учитывающая все возможные источники загрязнения
– промышленные предприятия, тепловые электростанции, засоленные почвы и
соленые водоемы – подробно изложена в «Руководящих указаниях по выбору и
эксплуатации изоляции в районах с загрязненной атмосферой» и в «Правилах
устройства электроустановок» 7-е издание (глава 1.9 ” Изоляция электроустановок”).
К первой, наименьшей степени загрязненности атмосферы относятся сельскохозяйственные районы, луга, леса, болота, тундра. Второй степени загрязнен-
ности соответствуют районы с сильной ветровой эрозией почвы, сельскохозяйственные районы, в которых применяются химические удобрения и гербициды,а
также территория городов.
Степень загрязненности атмосферы вблизи промышленных предприятий
устанавливается в зависимости от вида и объема производства. Источник промышленного загрязнения оказывает влияние на запыленность атмосферы в пределах определенной зоны вокруг предприятий. Размеры этой зоны – так называемый минимальный защитный интервал – для различных производств составляет 300…9000 м. За пределами защитного интервала загрязненность относится
ко II или к I степени. В пределах же защитного интервала в зависимости от
расстояния до источника загрязнения устанавливаются III–IV степени загрязненности.
В районах засоленных почв степень загрязненности атмосферы устанавливается с учетом солесодержания почвы и подверженности ее ветровой эрозии в
зависимости от площади засоленного массива и расстояния до этого массива.
Имеются карты с указанием районов, в которых необходимо учитывать засоленность почв. Это юг Западной Сибири, Прикаспийские области.
Загрязненность атмосферы в прибрежной зоне морей и соленых озер определяется в зависимости от солености воды и расстояния от береговой линии.
При наложении зон загрязнения (защитных интервалов) от двух источников степень загрязнения устанавливается по источнику, создающему большее
загрязнение. Если оба источника дают III степень загрязнения, то в зоне наложения устанавливается IV степень. При наложении зон загрязнения трех и более источников степень загрязненности атмосферы определяется по двум источникам,
создающим наибольшую степень загрязненности, а в некоторых случаях должны
проводиться специальные исследования.
Выбор изоляторов в зависимости от степени загрязненности атмосферы. Как показывает опыт эксплуатации, определяющим для выбора изоляторов
является обеспечение надежной работы в условиях тумана, росы или моросящего дождя в сочетании с загрязнением поверхности изоляторов. Значение влаго-
разрядного напряжения изоляторов зависит от характеристик загрязняющего
слоя: толщины и удельного сопротивления. При одинаковых загрязнениях оно
пропорционально длине пути утечки изолятора Ly, представляющей собой
наименьшее расстояние по поверхности изолирующей части между двумя электродами. Для составных изоляторов (гирлянд и колонок) – это сумма длин
пути утечки отдельных изоляторов.
Разряд на отдельных участках изолятора может отрываться от поверхности и развиваться в воздухе. Кроме того, поверхности изоляторов загрязняются и увлажняются неравномерно. В результате этого влагоразрядные напряжения оказываются в условиях эксплуатации пропорциональными не Ly, а эффективной длине пути утечки
Lэф 
Lу
,
K
(1)
где К ≥ 1 – поправочный коэффициент, называемый также коэффициентом эффективности изолятора.
Значения К определяются экспериментально. При отсутствии опытных данных коэффициент эффективности для подвесных тарельчатых изоляторов может
быть оценен по эмпирической формуле:
K  1  0,5(
Lу
D
 1),
(2)
где D – диаметр тарелки изолятора.
Значения коэффициента К для подвесных изоляторов тарельчатого типа
лежат в пределах 1,0…1,3.
Для внешней изоляции электрооборудования и опорных изоляторов открытых распределительных устройств значения К приведены ниже:
L у /H
К
1,5…2,0
2,0…2,3
2,3…2,7
2,7…3,2
3,2…3,5 ;
1,0
1,1
1,2
1,3
1,4 ,
где Н – строительная длина изоляционной части конструкции.
В качестве характеристики надежности изоляторов при рабочем напряжении принята удельная эффективная длина пути утечки. Необходимо чтобы выполнялось неравенство
 эф 
Lэф
U наиб , раб , ф
.
(3)
Удельная эффективная длина пути утечки нормируется в зависимости от
степени загрязненности атмосферы и номинального напряжения установки. Нормированные значения λэф приведены в табл. 10. Значения λэф увеличиваются с ростом степени загрязненности. Для сетей 35 кВ, работающих с изолированной
нейтралью, λэф имеют большие значения, чем для сетей 110 кВ и выше, поскольку такие сети могут продолжительное время работать при замыкании одной фазы
на землю. При высотах 1000…2000 м над уровнем моря значения нормированной удельной длины пути утечки для гирлянд изоляторов должны быть увеличены на 5%, при высотах 2000…3000 м – на 10 % и при высотах 3000…4000 м –
на
15 % по сравнению со значениями, указанными в табл. 10. Для внешней изоляции электрооборудования и опорной изоляции открытых распределительных
устройств, расположенных на высотах до 2000 м, λэф принимается в соответствии с
табл. 10, а при высотах 2000…4000 м λэф берется для следующей степени загрязнения атмосферы.
Таблица 10 - Нормированные значения удельной эффективной длины пути утечки
по отношению к наибольшему рабочему фазному напряжению (высота до 1000 м).
λэф, см/кВ (не менее)
Степень загрязненности
атмосферы
I
II
III
IV
для открытых распределительных устройств при номинальном
напряжении, кВ
330…750
35
110…750
1,3
1,7
1,5
1,5
1,7
1,5
1,8
2,25
1,8
2,25
2,6
2,25*
для воздушных линий при номинальном напряжении, кВ
35
1,7
1,9
2,25
2,6
* Кроме напряжения 750 кВ.
** Кроме напряжений 500 и 750 кВ.
110…220
1,3
1,6
1,9
2,25
Для надежной эксплуатации при рабочем напряжении геометрическая
длина пути утечки изоляторов должна определяться как:
L у  K эфU наиб. раб , ф .
(4)
Применительно к гирляндам изоляторов условие (4) означает, что число
изоляторов в гирлянде должно быть:
n
K эфU наиб. раб , ф
L y1
(5)
,
где Ly – геометрическая длина пути утечки одного изолятора; Uнаиб.раб – наибольшее
рабочее фазное напряжение.
Нормированная удельная эффективная длина пути утечки в загрязненных районах обеспечивается увеличением в гирлянде числа изоляторов обычного исполнения или, что бывает целесообразнее, применением специальных грязестойких изоляторов, обладающих достаточно развитой поверхностью (рис. 9). Если длина пути утечки у обычных изоляторов составляет 28…42 см, то у грязестойких – 40…57 см. Хорошие результаты дает также применение гладких длинностержневых изоляторов из полимерных материалов, однако они недостаточно
надежны под дождем. Технические характеристики изолятора ПФГ 80-1 приведены в табл. 11.
Таблица 11 - Технические характеристики подвесного изолятора ПФГ 80-1 изолятора.
H
d
Пробивное напряжение
в сухом состоянии
под дождем
импульсное
ПФГ 80-1
D
Электромеханическая разрушающая
сила
Тип
Выдерживаемое
напряжение
Длина пути утечки
(минимальная)
Размеры
мм
мм
мм
мм
кН
кВ
кВ
кВ
кВ
кг
255
146
16
370
80
130
60
47
120
6
Масса
Рис. 9. Подвесные изоляторы для районов с загрязненной атмосферой:
а – для натяжных гирлянд; б – для поддерживающих гирлянд
Для опорных изоляционных конструкций также применяются грязестойкие
изоляторы, а для вводов – удлиненные покрышки.
4.3. Выбор изоляции линии для ВЛ 330 кВ с железобетонными опорами
Гирлянды укомплектованы изоляторами ПФ-80 (табл.12). Район загрязнения
– четвертый. Высота трассы над уровнем моря до 1000 м.
Таблица 12 - Технические характеристики подвесного изолятора ПФ 80.
H
d
Пробивное напряжение
в сухом состоянии
под дождем
импульсное
ПФ 80
D
Электромеханическая разрушающая
сила
Тип
Выдерживаемое
напряжение
Длина пути утечки
(минимальная)
Размеры
мм
мм
мм
мм
кН
кВ
кВ
кВ
кВ
кг
330
146
16
320
80
130
85
40
110
-
Масса
1. По формуле U к  kU ф определяем расчетное значение коммутационных
перенапряжений:
U к  2,7 
363  2
 800 кВмакс,
3
где Uф – амплитудное значение фазового рабочего напряжения;
k – расчетная кратность коммутационных перенапряжений, выбираем из
табл. 13.
Таблица 13 - Кратность коммутационных перенапряжений.
Uн, кВ
35
110…220
330
500
750
k
3,5
3,0
2,7
2,5
2,1
По формуле U мр 
Uк
находим среднее значение мокроразрядного напряk k p k k
жения гирлянды (для ВЛ 330 кВ, k = 1,1):
U мр 
800
 825 кВмакс,
0,85  0,94 1,1 1,1
где kp – поправочный коэффициент на возможное отличие давления от стандартp 

ного, который определяется по формуле k p  0,51 
;
 760 
k – поправка на возможную загрязненность поверхности изолятора и отличие электропроводности и интенсивности дождя от стандартных, который определяется по справочным данным (k обычно принимается равным 1,1);
U

k – коэффициент импульса, определяется по формуле k  1  0,5 ср  1 ,
U

 мр 
указанная формула справедлива при Ucp > Uмр. В среднем можно принять значения k для различных номинальных напряжениях ВЛ, приведенных в табл. 14.
Таблица 14 - Средние значения коэффициента импульса для Uн = 110…750 кВ.
Uн, кВ
110…154
220…330
500
750 и выше
k
1,15
1,1
1,05
1
где k – коэффициент статистического разброса коммутационных импульсов
(принимается равным k = 1 – 2 = 0,85).
Среднее значение мокроразрядного напряжения гирлянды ВЛ 330 кВ составляет
U мр 
800
 825 кВмакс .
0,85  0,94 1,1 1,1
2. Используя справочные данные, по формуле n 
U мр
Емр  h
определяем необходи-
мое число изоляторов ПФ-80 в гирлянде,
где Eмр – мокроразрядный градиент; h – строительная высота изолятора:
n
825
 19,15  19 шт.
2,95  14,6
3. Для учета возможности образования в гирлянде дефектных (нулевых) изоляторов к вычисленному значению прибавляем один запасной элемент и определяем
полное число изоляторов ПФ-80 в гирлянде:
N = n + 1 = 20 шт.
4. Вычисленное число изоляторов N проверяем на достаточность обеспечиваемой
им удельной длины пути утечки, по формуле
Nl ут
Uф
 ут,
где lут – длина пути утечки изолятора:
Nl ут
Uф

20  34,5
 2,33 см/кВдейств.
363  2
3
Расчетное значение удельной длины пути утечки превышает норматив
(табл.10), установленный для четвертого района загрязнения (2,25 см/кВдейств).
5. Определяется величина минимального изоляционного промежутка проводопора s1, необходимая по условию воздействия рабочего напряжения (рис. 10)
Рис. 10 Определение расстояния от точки крепления гирлянды до стойки опоры:
1 – положение гирлянды при максимальной скорости ветра υмакс ;
2 – то же при 0,4 υмакс. ; 3 – то же при υ = 10 м/с.
Для этого вычисляется расчетное значение среднего разрядного напряжения
промежутка по формуле U p ~ 
Uф
k  k
,
где /k – поправка на отличие плотности и влажности воздуха от стандартных.
Величина /k принимается по данным рис. 11 для вероятности около 5% (в частности, для высоты до 1000 м над уровнем моря /k = 0,84; для 500 м /k = 0,89).
k; kp
1,0
kp
0,9
0,8
k
0,7
0,6
h, м
0,5
500
1500
2500
35000
Рис. 11. Зависимость коэффициентов /k и kp от высоты местности h над уровнем моря
По найденному значению U p ~ и кривой на рис. 12 вычисляется необходимый изоляционный промежуток (расчетное значение s1 = 78 см).
U p~
363  2
3

 415 кВмакс .
0,85  0,84
Рис.12. Кривые средних разрядных напряжений U p воздушных промежутков на линиях
6. Определяется величина изоляционного промежутка s1k необходимая по условию
воздействия коммутационных перенапряжений. Расчетное значениеU p .к равно:
U p.к 
U p .к 
Uк
;
k k
800
 1120 кВмакс .
0,85  0,84
По найденному значению U p .к и кривой на рис. 12 определяется необходимый изоляционный промежуток (s1k. = 220 см).
7. Осуществляется координация импульсной прочности промежутка провод-опора
и гирлянды. В основу координации берется требование их импульсной равнопрочности. Импульсное 50%-ное разрядное напряжение выбранной гирлянды
определяется по рис. 13. По найденному значению разрядного напряжения и кривым на рис. 14 определяют необходимый промежуток s1и.
Рис. 13. 50%-ные импульсные разрядные напряжения:
1, 2 – для гирлянд без защитной арматуры (при положительной и отрицательной
полярности) для изоляторов типа П (кривая 1) и малогабаритных изоляторов типа
ПМ, ПС, ПФЕ (кривая 2); 3, 4 – для гирлянд с защитной арматурой с изоляторами
всех типов при положительной полярности (кривая 3) и отрицательной полярности (кривая 4)
Рис. 14. 50%-ные значения минимально-импульсных разрядных напряжений
стержневых промежутков при волне 1,25/50 мкс:
1. «стержень-плоскость» при положительной полярности стержня;
2. «стержень-стержень» при положительной полярности незаземленного стрежня;
3. «стержень-стержень» при отрицательной полярности незаземленного стрежня;
4. «стержень-плоскость» при отрицательной полярности стержня.
8. Найденные изоляционные расстояния сравниваются с нормируемым ПУЭ и в
качестве окончательного значения принимается наибольшая величина.