Общая характеристика внешней изоляции

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 уо = 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 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 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-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. 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-штыревые изоляторы 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 изоляторы на 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 изоляторы представляют 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 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. 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.