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.

При нормальных атмосферных условиях электрическая прочность воздушных промежутков относительно невелика и в однородном поле при межэлектродных расстояниях бо­лее I см имеет значение, не превышающее 30 кВ/см. В боль­шинстве изоляционных конструкции 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.

На разрядные напряжения воздушных промежутков ока­зывают влияние давление р, температура T и абсолютная влажность у 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 нормалью. В качестве нормальной температуры принима­ется T₀ = 293 К (t=20°С), в качестве нормального дав­ления, соответствующего уровню моря, — давление P₀ =100 кПа (760 мм рт. ст.) в качестве нормальной влажности воздуха — абсолютная влажность у_о = 11 г/м³. Уменьшение абсолютной влажности воздуха в 2 раза приводит к снижению разрядных напряжений внеш­ней изоляции на 6—8%. Следует отметить, что приведен­ные данные, характеризующие изменение разрядных напря­жений под влиянием атмосферных условии, 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 натяжения 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 выход изолятора из строя, тогда как разряд по поверхно­сти при условии быстрого отключения напряжения не при­чиняет изолятору никаких повреждений. Поэтому пробив­ное напряжение твердого 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.

Диэлектрики должны быть негигроскопичны 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 трекингостойкостыо.

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

Электрическая прочность фарфора воднородном 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 ⁰С 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 обнаружить при осмотре линии элек­тропередачи эксплуатационным персоналом.

Полимерные изоляторы 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 достаточную трекипгостойкость. Высокая меха­ническая прочность полимерных изоляторов достигается по­средством армирования их стеклопластиком. Применение полимерных изоляторов на линиях электропередачи позво­ляет существенно уменьшить массу подвесных изоляторов. 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 воз­душных 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 испытанные изоляторы подвергаются воздействию напряжения в сухих условиях (сухоразрядное напряжение), под дождем (мокроразрядное напряжение) и при увлажненном загрязнении (влагоразрядное напрояжение).

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-стержневыеизоляторы 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. 4.1).

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.

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 изоляторов под дождем и в условиях увлажненных загряз­нений. Изоляторы на напряжения 35—110 кВ состоят из сплошного фарфорового стержня, армированного чугунны­ми фланцами (рис. 4.2). Обозначение, например, ОНС-35-2000 расшифровывается следующим образом: опорный, на­ружной установки, стержневой на 35 кВ, с минимальной разрушающей силой 2000 даН.

Опорно-штыревыеизоляторы применяют для наружных установок в тех случаях, когда требуется высокая механическая прочность и опорно-стержневые изоляторы применены быть не могут. 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. 4.3).

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).

Штыревые линейные изоляторына напряжение 6—10 кВ состоят из фарфоровой или стеклянной изолирующей дета­ли, в которую ввертывается металлический крюк или штырь (рис. 4.4). 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 ШФ6, означает:

штыревой фарфоровый на 6 кВ. Буква С в обозначении (ШС) указывает на то, что изолятор стеклянный.

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. 4.5).

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 выхода из строя 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-16Б, означает: П —гарантированная электромеханическая прочность 160 кН, индекс Б 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 изоляторыпредставляют собой стержень из изолирующего материала с выступающими на нем ребрами, армированный с обоих концов металлическими шапками (рис. 4.6).

Эти изоляторы, как правило, выполня­ются из электротехнического фарфора. Однако в последнее время начат выпуск стержневых полимерных изоляторов. Стержневые изоляторы из фарфора не нашли в СССР широкого применения вследствие сравнительно невысокой механической прочности, а также возможности полного разрушения с падением на землю.

Проходные изоляторыприменяются 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. 4.7). Проходные изоляторы, предназначенные для на­ружной установки, имеют более развитую поверхность той части изолятора, которая располагается вне помещения.

Обозначение проходного изолятора содержит значение номинального тока, например ПНШ-35/3000-2000 означает: проходной, наружной установки, шинный на напряжение 35 кВ и номинальный ток 3 кА с механической прочностью 20 кН.