учебное пособие. Учебное пособие ТВН. Учебное пособие для студентов, обучающихся по направлению подготовки Электроэнергетика и электротехника
 Скачать 5.05 Mb.
|
|
Глава 2. ВНЕШНЯЯ ИЗОЛЯЦИЯ. ВНУТРЕННЯЯ ИЗОЛЯЦИЯ. ИЗОЛЯЦИОННЫЕ КОНСТРУКЦИИ ОБОРУДОВАНИЯ ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ. 2.1. Классификация электрической изоляции Электрическая изоляция является одним из важнейших элементов, обеспечивающих безаварийность и долговечность работы высоковольтных аппаратов и конструкций. Кроме электрического изолирования проводников, находящихся под различными потенциалами, изоляция должна выдерживать большие механические, тепловые и другие нагрузки (воздействия), которые могут возникать в эксплуатации. Изоляция высоковольтных конструкций подразделяется на внешнюю и внутреннюю. Внешняя изоляция – это воздушные промежутки и поверхность твердой изоляции в атмосферном воздухе, которые подвергаются влиянию атмосферных и других внешних воздействий (загрязнение, увлажнение и т. п.). Они существенно затрудняют условия работы изоляции в открытой атмосфере. Внутренняя изоляция – это твердая, жидкая или газообразная изоляция (или их комбинации) внутренних частей электрооборудования, не подвергающаяся непосредственному влиянию атмосферного и других видов внешних воздействий (загрязнение, увлажнение, воздействие птиц и микроорганизмов). После пробоя и снятия напряжения газовая изоляция (воздух, высокопрочные газы) полностью восстанавливает свою первоначальную электрическую прочность, т. е. этот процесс является обратимым. Жидкая изоляция после пробоя восстанавливает свою прочность частично, т. к. пробой приводит к ухудшению ее характеристик. Пробой твердой и комбинированной изоляции (бумажно-масляная, маслобарьерная) – явление необратимое, изоляция подлежит замене. Электрооборудование, предназначенное для работы в электрических сетях, подразделяется на классы напряжения. Классом напряжения называется номинальное междуфазное (линейное) напряжение электрической сети, для работы в которой предназначено электрооборудование. Каждый класс напряжения характеризуется своим уровнем изоляции, под которым понимается совокупность испытательных напряжений, установленных стандартом (например, ГОСТ 1516.1–02) или техническими условиями для внутренней и внешней изоляции данного оборудования. Электрическая изоляция работает как в однородном (достаточно редко), так и в неоднородном (гораздо чаще) электрических полях. В однородном поле вектор напряженности вдоль силовых линий сохраняет свое значение (Е = const), а в неоднородном – изменяется (Е = var). При этом силовые линии поля в однородном поле параллельны друг другу (электроды Роговского или плоский конденсатор), а в неоднородном – как правило, не параллельны (острие–плоскость). 2.2. Условия работы и требования, предъявляемые к электрической изоляции высоковольтного оборудования В процессе эксплуатации изоляция электрооборудования подвергается воздействию разнообразных факторов. Воздействующие напряжения. Условия работы электрической изоляции высоковольтного оборудования определяются в первую очередь воздействующими напряжениями. Степень влияния напряжения на электрическую прочность и долговечность изоляции зависит от его амплитуды, длительности, формы. При эксплуатации высоковольтных установок можно выделить три группы воздействующих напряжений: рабочее напряжение; внутренние (коммутационные) перенапряжения (ВПН); атмосферные (грозовые) перенапряжения (АПН). Рабочее напряжение. Длительно воздействует на изоляцию высоковольтных конструкций в течение всего срока службы (20…30 лет). Величина этого напряжения устанавливается в соответствии с номинальным напряжением электрической сети по РД.153-34.3-35.125-99 (Руководство по защите электрических сетей 6-1150кВ от грозовых и внутренних перенапряжений) и может отличаться от последнего, в зависимости от режима электропередачи, в большую или меньшую сторону. Для каждого класса напряжения наибольшее рабочее воздействующее напряжение (линейное) определяется как  (2.1)причем значение коэффициента К принимается в соответствии с данными, приведенными в табл. 2.1. Таблица 2.1 Соответствие коэффициента К и классов напряжения
При выборе изоляции электрооборудования, предназначенного для работы в сетях с изолированной или резонансно-заземленной нейтралью (Uном 35 кВ), за расчетное напряжение обычно принимается наибольшее рабочее линейное напряжение сети (РД.34.51.101. «Инструкции по выбору изоляции электроустановок»). Для оборудования, предназначенного для работы в сетях с эффективно заземленной нейтралью, наибольшее рабочее фазное напряжение сети  (2.2)Спектр значений ВПН в электропередачах лежит в широких пределах. Так, при однофазных замыканиях на землю и внезапных сбросах нагрузки, в соответствии с характеристиками отечественных вентильных разрядников, кратность перенапряжений промышленной частоты для классов 110…500 кВ не должна превышать 1,38Uф. н(заземленная нейтраль) и 1,73Uф. нв сетях с изолированной нейтралью. При отключении ненагруженных трансформаторов кратность ВПН может достигать (3,5…4,0)Uф. нпри длительности до 100 мкс с частотой до 10 кГц. Величины воздействующих напряжений при ВПН (внутренние перенапряжения) ограничиваются вентильными разрядниками. Для внутренних перенапряжений уровень воздействующих напряжений оценивается как  , (2.3)где Uраз – наибольшее пробивное напряжение разрядника при промышленной частоте; 1,07 – коэффициент, учитывающий статистический разброс пробивных напряжений разрядника. Атмосферные перенапряжения (АПН) возникают на изоляции электрооборудования как при прямых ударах молнии в провод или опору ЛЭП, так и при разряде молнии вблизи линии. Для защиты оборудования от набегающих волн на подстанции устанавливаются грозозащитные вентильные разрядники или ограничители перенапряжений. Значение воздействующих напряжений на изоляцию оборудования при АПН  (2.4)где Uраз. ост – остаточное напряжение на разряднике при токе молнии 5 кА для изоляции класса напряжения 110…220 кВ и при токе 10 кА для класса напряжения более 300 кВ; Кг – коэффициент, учитывающий перепад напряжения между разрядником и защищаемым объектом за счет индуктивности ошиновки между ними. При ограничении крутизны набегающей волны и рациональном расположении разрядников на подстанции можно принять для силовых трансформаторов Кг = 1,2 и для остального оборудования Кг = 1,3–1,4. Нелинейные ограничители перенапряжений имеют существенно меньшее остающееся напряжение при токах координации, поэтому применение этих ограничителей позволяет существенно снизить значения воздействующих не только внутренних, но и грозовых перенапряжений. Электрические факторы. При нарушении нормального режима эксплуатации ЛЭП, приводящего к резкому увеличению напряжения, а также при ухудшении свойств изоляции, в связи с изменением окружающих условий, могут возникать такие нежелательные явления, как корона, скользящие разряды, частичные разряды, снижающие надежность и долговечность высоковольтных установок. Механические факторы. Механические усилия в изоляции возникают как при нормальной работе (усилия при плановых коммутациях, ветровые нагрузки и т. д.), так и в аварийных режимах (рост электродинамических сил между токоведущими частями аппаратов при коротких замыканиях). Тепловые воздействия. Тепловые воздействия в изоляции возникают из-за нагрева изоляции за счет тепла, выделяющегося в проводниках при протекании длительного номинального тока, а также диэлектрических потерь в изоляции при приложении электрического поля. При протекании по проводникам токов короткого замыкания в аварийном режиме изоляция испытывает кратковременный перегрев («тепловой удар»). Атмосферные воздействия. При эксплуатации в открытой атмосфере изоляция подвергается воздействию дождя, тумана, росы, снега, гололеда, природных и промышленных загрязнений, колебаний температуры, давления и т. д. Как правило, все эти факторы приводят к снижению электрической прочности изоляции и ее надежности. Фактор времени. С течением времени даже при нормальных условиях эксплуатации электроизоляционные и механические свойства изоляции постепенно ухудшаются, происходит «старение» изоляции. Воздействующие среды. При эксплуатации высоковольтных установок на изоляцию могут воздействовать агрессивные газы и жидкости, приводящие к преждевременному ухудшению ее свойств. В ряде случаев необходимо учитывать специфические условия работы изоляции. Так, при работе оборудования в тропиках на изоляцию воздействуют: повышенная влажность, температура, солнечная радиация, деятельность некоторых микроорганизмов и животных. Надежная и безаварийная работа высоковольтного оборудования может быть обеспечена, если изоляция будет иметь высокую импульсную и кратковременную электрическую прочность при грозовых и внутренних перенапряжениях, соответственно, а также при условии отсутствия таких факторов, как корона, частичные и скользящие разряды. Создание надежной изоляции непосредственно связано с вопросами координации, т. е. с согласованием характеристик защитной аппаратуры со свойствами изоляции. Комплексное решение этих вопросов, при выполнении вышеизложенных требований, позволяет выбрать так называемый уровень изоляции – такое качество изоляции, при котором она в состоянии выдерживать коммутационные перенапряжения заданной кратности относительно наибольшего фазного рабочего напряжения и импульсные воздействия, ограниченные соответствующими разрядниками. Обычно под этим понимают испытательные напряжения изоляции, закрепленные РД. 153-34.3-35.125-99. Испытательное напряжение является некоторым эквивалентом воздействующих напряжений и выбирается с учетом характеристик вентильных разрядников. Для внешней и внутренней изоляции электрооборудования эквивалентом воздействующих напряжений при АПН являются импульсные испытательные волны (Uисп. имп) при полном (1,2/50 мкс) и срезанном (2…3 мкс) стандартном импульсе. Проверка стойкости внутренней изоляции электрооборудования к воздействию ВПН производится путем приложения к объекту одноминутного испытательного напряжения (U1мин). РД. 153-34.3-35.125-99 устанавливает также испытательное напряжение промышленной частоты, выдерживаемое внешней изоляцией электрооборудования в сухом состоянии (Uсхв – суховыдерживаемое напряжение) и под дождем (Uмв – мокровыдерживаемое напряжение). Изоляция электрооборудования на класс напряжения 330 кВ и выше испытывается также коммутационными волнами различной формы, в зависимости от типа оборудования, с целью проверки стойкости изоляции к воздействию коммутационных перенапряжений. Требованиями по механической прочности изоляции на напряжение до 35 кВ, в соответствии с правилами устройства электроустановок (ПУЭ), предусматривается допустимая нагрузка на изолятор  , (2.5)где Рразр – разрушающая нагрузка, кГс. На классы напряжения более 110 кВ допустимые нагрузки не установлены, они определяются техническими условиями на изделие, выпускаемое предприятием. 2.3. Наружная изоляция электроустановок Наружная высоковольтная изоляция работает в непосредственном контакте с атмосферным воздухом. В условиях эксплуатации такая изоляция (изоляторы) подвергается воздействию электрического поля, механических усилий и вибрации, метеорологических (атмосферных) факторов. По назначению изоляторы делятся на линейные и станционно-аппаратные, которые, в свою очередь, делятся на опорные и проходные. Станционно-аппаратные изоляторы могут изготавливаться не только для наружных, но и для внутренних установок, предназначенных для работы в закрытых помещениях. Для наружной установки изоляторы изготавливают с нормальной и усиленной внешней изоляцией, т. е. с увеличенной длиной пути утечки тока по поверхности изолятора (за счет применения ребер). Изоляторы внутренней установки имеют обычно гладкую или слаборебристую поверхность. Изолятор состоит из диэлектрика (фарфор, стекло, стеатит, ситалл) и металлической арматуры для крепления изолятора в условиях эксплуатации. В последнее время в качестве наружной изоляции применяются полимерные изоляторы на основе эпоксидных компаундов, кремнийорганических и полиэфирных смол с минеральными наполнителями. Такие изоляторы имеют высокую электрическую прочность, малый вес и достаточную трекингостойкость (один из показателей диэлектрика сопротивляться электрическому разрушению). С целью повышения механической прочности изоляторов производится их армирование стекловолокном (стеклопластиковые изоляторы). Наибольшее распространение в электроэнергетике получили изоляторы из фарфора и стекла. 2.3.1. Изоляция воздушных линий электропередачи. Провода линий электропередачи крепятся на металлических, железобетонных, деревянных и смешанного типа опорах при помощи линейных изоляторов. По конструктивному исполнению линейные изоляторы делятся на штыревые и подвесные. Штыревые изоляторы. Применяются на ЛЭП до 35 кВ и монтируются на опорах с помощью штырей или крюков. Конструкция штыревого изолятора на напряжение 6…10 кВ представлена на рис. 3.1. Изолятор крепится в вертикальном положении на штыре или крюке специального полиэтиленового колпачка. Провод крепится в верхней или боковой канавке с помощью проволочной вязки. Штыревые изоляторы выполняются с резко выступающими ребрами, обращенными книзу, что повышает мокроразрядное и сухоразрядное напряжение изолятора.  Рис. 2.1. Линейный штыревой изолятор типа ШФ10-В Подвесные изоляторы. При Uном 35 кВ на ЛЭП применяют подвесные изоляторы, которые можно разделить на тарельчатые (шарнирные), стержневые (с кольцевыми или винтовыми ребрами) и стержневые гладкие (или палочные) изоляторы. Подвесной шарнирный изолятор с конусной головкой (рис. 2.2) состоит из фарфора или закаленного стекла 1, армированных металлическими элементами – шапкой 2 из ковкого чугуна и стержня 3 из стали, которые во избежание коррозии оцинковываются.
Металлическая арматура соединяется с изоляционной «тарелкой» посредством заполнения цементно-песчаной смесью 4. Во избежание повреждения тела изолятора при ударах между арматурой и изоляционным телом помещаются демпферные прокладки 5 из картона, пробки или кирзы. Изоляторы из фарфора в процессе их изготовления покрываются глазурью (белая, коричневая), что улучшает их механические свойства на 15…20 %, повышает влагостойкость, способствует самоочистке под действием ветра и дождя, повышает электрические характеристики, улучшает внешний вид. Все более широкое распространение находят изоляторы с цилиндрической головкой (рис. 2.3), которые имеют более высокую механическую прочность, более высокие технико-экономические показатели, меньшую строительную высоту. Процесс изготовления таких изоляторов легче поддается механизации. При разряде по загрязненной и увлажненной поверхности изолятора важным параметром является длина пути утечки изолятора – кратчайшее расстояние вдоль поверхности изолятора между металлическими частями, находящимися под различными потенциалами. На рис. 2.4 представлены некоторые типы изоляторов, предназначенных для работы в условиях интенсивного загрязнения атмосферы. Подвесной стержневой изолятор (рис. 2.5, а) представляет собой сплошной стержень из изоляционного материала (фарфор, ситаллы, стекло), армированный с обоих концов металлическими шапками с помощью цементной связки с применением демпферных прокладок. Т  Особенностью таких изоляторов является то, что они непробиваемы в отличие от тарельчатых изоляторов. Недостатком стержневых изоляторов является возможность их полного разрушения и падения провода на землю. В нашей стране такие изоляторы применяются, в основном, для оттяжек воздушных выключателей, а также в качестве фиксаторных изоляторов для электрифицированного железнодорожного транспорта. В последние годы разработаны стеклопластиковые длинностержневые изоляторы (гладкие и с ребрами на U = 35…220 кВ), которые имеют незначительный вес и обладают хорошей стойкостью к удару, в частности к расстрелу из ружей (рис.2.5, б). Для защиты стеклопластикового стержня от образования науглероженных дорожек на поверхность изолятора наносится трекингостойкое покрытие из фторопласта или кремнийорганической резины. Крепление фланцев производится путем опрессовки. Изоляторы могут использоваться как в качестве поддерживающих, так и натяжных изолирующих подвесок при рабочем напряжении 35…220 кВ.  Р а б ис. 2.5. Стержневой фарфоровый изолятор типа СФ-110/2,25 (а) и стеклопластиковый стержневой изолятор (б) |
