Как работает электрическая изоляция - Изоляция линий электропередачи

1. ИЗОЛЯЦИЯ ЭЛЕКТРОУСТАНОВОК

Изоляция линий электропередачи. Для передачи электрической энергии с места производства потребителю служат линии электропередачи,— воздушные и кабельные. Воздушные линии электропередачи (с напряжением более 1 000 в) в нашей стране строятся на номинальные напряжения: 3, 6, 10, 20, 35, 110, 150, 220, 330, 500 и 750 кВ. Кабельные линии электропередачи строятся также на все напряжения до 500 кВ. Изоляцией проводов воздушных линий электропередачи между собой, от земли и заземленных элементов опор служат фарфоровые и стеклянные изоляторы и атмосферный воздух. Для линий с напряжением до 20 кВ включительно, а иногда для линий 35 кВ применяются штыревые фарфоровые изоляторы, некоторые из которых показаны на рис. 16. Изоляторы типа ШС изготовляются из одной фарфоровой части.

Рис. 16. Штыревые изоляторы.
а — изоляторы типов ШО6 и ШС-10; 6 — изоляторы типов ШД-20 и ШД-35.
Изоляторы на напряжение 35 кВ типа ШД склеиваются цементным раствором из двух отдельных частей. Высота ребер и расстояние между ними определяются требованиями к электрическим характеристикам изоляторов. Устройство ребер повышает разрядное напряжение изолятора при дожде. Для линий на напряжение 35 кВ и выше применяются фарфоровые и стеклянные подвесные изоляторы тарельчатого типа. Конструкция фарфорового типа П показана на рис. 17. Эти изоляторы имеют конусную головку, поверхность которой как снаружи, так и внутри покрывается глазурью. Между поверхностями фарфора и цемента, с помощью которого- на изоляторе укрепляются шапка и стержень, имеется битумная промазка, которая допускает некоторое перемещение цементной заделки как внутри головки, так и вне ее. Скольжение цементной заделки по поверхности фарфоровой головки исключает возможность заклинивания стержня и шапки при температурных изменениях, а также и при изменении механической нагрузки на изолятор. Стеклянные изоляторы имеют аналогичную конструкцию. Стеклянный изолятор типа ПС показан на рис. 18.
Помимо изоляторов тарельчатого типа на линиях электропередачи применяются также подвесные изоляторы стержневого типа. Конструкция стержневого изолятора представлена на рис. 19.

Рис. 17. Подвесной фарфоровый изолятор с конусной головкой.

Рис. 18. Подвесной стеклянный изолятор типа ПС-4,5.
1 — стекло закаленное; 2 — стержень; 3 — шапка; 4 — замок; 5, 7 - прокладка толевая; 6 — цементная связка.

Фарфоровый стержень с ребрами имеет на концах металлические колпаки, армированные цементным раствором. Стержневые изоляторы имеют меньший вес4 чем тарельчатые, и дают экономию металла. Например, вес гирлянды на 110 кВ, состоящий из семи тарельчатых изоляторов типа П-4,5, в 2 раза больше веса стержневого изолятора на 110 кВ. Вес металлической арматуры в гирлянде изолятора типа П-4,5 составляет 15 кг, а стержневого изолятора—3,5 кг. Однако стержневые изоляторы имеют невысокую механическую прочность. При перекрытиях они могут полностью разрушаться, и провода при этом падают на землю, тогда как изоляторы тарельчатого типа в таких случаях частично сохраняют механическую прочность и удерживают провода. Отмеченный недостаток ограничивает широкое распространение стержневых изоляторов. В районах с загрязненной атмосферой на воздушных линиях электропередачи применяются изоляторы специальной конструкции.

От формы выступающих ребер и диаметра изолятора зависит длина пути утечки, т. е. кратчайшее расстояние между шапкой и стержнем по поверхности изолятора. Если для нормальной изоляции, применяемой в районах, удаленных от загрязняющих источников, отношение длины пути утечки к наибольшему линейному рабочему напряжению (минимальная удельная длина пути утечки) должно быть не менее 1,2 см/кВ, то для районов с загрязненной атмосферой длина пути утечки должна быть порядка 3—3,5 см/кВ.

Рис. 19. Изолятор стержневой фарфоровый СП-110/1,5.

Рис. 20. Подвесные изоляторы для зон с загрязненной атмосферой, а — для оттяжных гирлянд (тип: НС-2); б, в — для подвесных гирлянд (типы ПР-3,5; ПСГ-16А).
Конструкции подвесных изоляторов, предназначенных для районов с загрязненной атмосферой, имеющих удлиненные пути утечки, показаны на рис. 20.
Все линейные изоляторы характеризуются механической и электрической прочностью. К числу их электрических характеристик относятся: сухоразрядное напряжение при промышленной частоте; мокроразрядное напряжение при промышленной частоте; импульсное разрядное напряжение при стандартной волне 1,5/40 мксек (вольт-секундные характеристики); пробивное напряжение при промышленной частоте.
Величины разрядных напряжений для отдельных типов линейных изоляторов приведены в табл. 2.
Таблица 2

Примечание. Обозначения: Щ2 — штыревой сетевой; ШЛ — штыревой линейный; П — подвесной; ПМ — подвесной малогабаритны!; ПВ — подвесной высокопрочный; ПС — подвесной стеклянный; ЛЛС — линейный подвесной стеклянный.
Так как подвесные изоляторы применяются только в гирляндах, то для отдельных изоляторов импульсные разрядные напряжения не даются. Сухоразрядное напряжение является важной характеристикой для изоляторов, работающих в закрытых помещениях. Эта характеристика позволяет определить надежность работы изолятора при номинальном рабочем напряжении и перенапряжениях внутреннего происхождения. Мокро-разрядное напряжение характеризует работу изолятора на открытом воздухе как в нормальных условиях, так и при внутренних перенапряжениях. Импульсное разрядное напряжение характеризует надежность работы изоляторов при атмосферных перенапряжениях. Так как импульсные разрядные напряжения при дожде снижаются всего на 2—3%, то при выборе изоляции это не учитывается. Пробой изолятора часто приводит к его механическому разрушению и тяжелым авариям, поэтому все изоляторы имеют такую конструкцию, что их пробивное напряжение значительно превышает напряжение перекрытия.
Таблица 3

Мокроразрядные и импульсные разрядные напряжения штыревых изоляторов для воздушных линий электропередачи напряжением 6—35 кВ нормированы и должны быть не менее приведенных в табл. 3.
Изоляция линий электропередачи с напряжением 35 кВ и выше осуществляется гирляндами из подвесных изоляторов. Количество изоляторов в гирляндах для этих линий определяется исходя из того, что гирлянды не должны перекрываться под дождем при воздействии внутренних перенапряжений. Принятые величины мокроразрядных напряжений и кратность их по отношению к наибольшему рабочему фазовому напряжению указаны в табл. 4.
Строительная длина гирлянды определяется из того расчета, чтобы на каждый сантиметр длины гирлянды приходилось (в зависимости от типа изолятора) не более 2,15—2,7 кВ напряжения рабочей частоты. Затем, зная строительную длину гирлянды и строительную высоту изоляторов, определяем число их в гирлянде.

Например, для того чтобы гирлянда для линии 35 кВ, собранная из изоляторов типа П-4,5 или ПМ-4,5, имела мокроразрядное напряжение не менее 78 кВ, как это требуется по табл. 4, она должна иметь строительную длину не менее 78 : 2,15 = 36,3 см.
Изоляторы типов П-4,5 и ПМ-4,5 имеют строительные высоты соответственно 170 и 140 мм, поэтому гирлянды должны собираться не менее чем из трех изоляторов.
Количество изоляторов различных типов в гирляндах для линий напряжением 35-—500 кВ на металлических и железобетонных опорах нормировано и приведено в табл. 5.
Таблица 5

Импульсные разрядные напряжения некоторых гирлянд изоляторов приведены в табл. 6 (данные НИИПТ).
На линиях электропередачи напряжением 35—220 кВ, смонтированных на деревянных опорах, количество изоляторов в гирлянде принимается на один меньше, чем указано в табл. 5.

Это объясняется тем, что дерево при воздействии импульсных напряжений представляет собой хорошую изоляцию. При напряжении промышленной частоты протекающие по дереву токи утечки прожигают проводящие дорожки, что может привести к усилению токов утечки и возгоранию древесины. При импульсных же воздействиях дорожки образовываться не успевают и дерево ведет себя как изолятор.
Для учета изоляционных свойств деревянных опор при определении импульсных разрядных напряжений принимают, что каждый метр древесины выдерживает 100 кВ. Полученная величина складывается с разрядным напряжением гирлянды. Например, разрядное напряжение изоляции линии 110 кВ на землю по гирлянде и по деревянным траверсе и стойке составляет 2000 кВ, из которых 1200 кВ приходятся на древесину (общая длина 12 м) и 800 кВ на гирлянду изоляторов. Импульсное разрядное напряжение междуфазной изоляции деревянных опор линии электропередачи 35 кВ (гирлянда — траверса 3 м — гирлянда) составляет 1150 кВ, а опор 110 кВ— 1750 кВ. Для линий с деревянными опорами принимаются следующие расстояния между фазами по дереву: 220 кВ — 5 м\ 150 кВ — 4,5 м\ 110 кВ — 4 м\ 35 кВ — 3 м\ 20 кВ — 2 м\ 10 кВ—1 м; 6 кВ — 0,75 м\ 3 кВ и ниже —0,5 м.
Величины воздушных промежутков на опорах выбираются такими, чтобы во всех случаях их разрядные напряжения были не менее разрядных напряжений гирлянд. Наименьшие изоляционные расстояния по воздуху между проводами и заземленными частями опор приведены в табл. 7. Действительные изоляционные расстояния должны быть увеличены по сравнению с минимальными на величину отклонения гирлянд под действием ветра с нормированной скоростью. При расчетах минимальных расстояний по атмосферным перенапряжениям за расчетную скорость ветра принимается 10 м/сек, при расчете по внутренним перенапряжениям — 0,6 Dpac (где Урас — скорость, принимаемая при расчете строительных конструкций), при расчете по рабочему напряжению скорость ветра принимается равной ирас. Наименьшие изоляционные расстояния между проводами фаз на воздушных линиях электропередачи приведены в табл. 8.

Таблица 8

Пробивные напряжения промышленной частоты для этих воздушных промежутков могут быть определены по кривым на рис. 21; кривой для промежутка стержень— стержень можно пользоваться при определении разрядных напряжений между симметричными электродами (провод — провод, кольцо — кольцо, провод — стержень), а кривой для промежутка стержень — плоскость— для определения разрядных напряжений между несимметричными электродами (кольцо—плоскость, провод — плоскость).
Кабельные линии электропередачи дороже воздушных линий, поэтому они строятся только в городах, на территориях промышленных предприятий и при пересечении морских проливов или рек — там, где нет возможности установить опоры воздушных линий электропередачи.

Как правило, кабельные линии гораздо короче воздушных. Наибольшее распространение в кабелях получила бумажно-масляная изоляция. Пропитка бумаги производится минеральным маслом с различными добавками, из которых основное значение имеет конифоль. Добавки увеличивают вязкость масла, что предотвращает вытекание пропитки и образование воздушных включений в изоляции кабеля. Кабели с вязкой пропиткой строятся для переменных напряжений до 35 кВ.

Рис. 21. Разрядные напряжения воздушных промежутков при частоте 50 Гц в зависимости от длины промежутка.
1 — стержень — стержень; 2 — стержень плоскость.
Изоляция кабелей с поясной изоляцией» (рис. 22, а) состоит из двух слоев. Каждая жила (фаза) имеет свой слой изоляции и, кроме того, все три фазы заключены в общую оболочку поясной изоляции. Промежутки между фазной и поясной изоляцией заполнены низкосортным изоляционным наполнителем — корделем (жгуты, скрученные из бумажных лент). Поверх поясной изоляции накладываются свинцовая оболочка и броня из стальных лент. Изоляция кабеля состоит из бумажных лент шириной 10—30 мм. При намотке между витками ленты оставляется зазор 1,5—3,5 мм, что обеспечивает необходимую гибкость кабеля. После намотки бумаги изоляция сушится, вакуумируется и пропитывается маслом. Как показал опыт эксплуатации, под воздействием высоких температур в такой изоляции выделяются газовые пузырьки, которые дают начала ионизационному ветвистому пробою (см. рис. 10). Поэтому кабели с поясной изоляцией выпускаются на напряжение до 10 кВ. Конструкция кабеля с отдельно освинцованными жилами (рис. 22, б) технически более совершенна. Каждая фаза выполнена в виде отдельного коаксиального кабеля, с одним слоем бумажной изоляции с вязкой пропиткой, заключенной в свинцовую оболочку. Все три фазы предохраняются от механических повреждений общей броней из стальных оцинкованных проволок. Пространство между фазами и броней заполнено джутом.

Рис. 22. Трехжильный кабель.
а — с поясной изоляцией; 1 — токопроводящая жила, 2 — фазная изоляция, 3 — поясная изоляция, 4 — наполнитель, 5 — свинцовая оболочка, 6 — подушка под броней, состоящая из битумного состава, пропитанной бумаги и пряжи, 7 — броня из двух стальных оцинкованных лент, 8 — наружный защитный покров; б — с отдельно освинцованными жилами (типа ОСБ): 1 — токоведущая жила, 2—4 — экраны из полупроводящей бумаги, 3 — бумажная изоляция фазы, 5 — свинцовая оболочка с покрытием битумом и двумя прорезиненными тканевыми лентами, б — джутовое заполнение, 7 — броня из стальных оцинкованных проволок, 8 — наружный защитный покров.
Свинцовая оболочка каждой фазы создает более равномерное электрическое поле и лучший теплоотвод от жил. Конструкция кабеля с отдельно освинцованными жилами позволяет почти в 2 раза повысить допустимые напряженности электрического поля по сравнению с напряженностями на кабелях с поясной изоляцией. Поэтому кабели с отдельно освинцованными жилами изготовляются на напряжение до 35 кВ. Кабели на напряжения 110 кВ и выше имеют другую конструкцию. Пропиточной массой в них служат менее вязкие материалы: кабельное масло, газ (обычно азот). Маслонаполненные кабели низкого (до 1 кгс/см2), среднего (3—5 кгс/см?) и высокого (10—14 кгс/см2) давления изготовляются на напряжения до 500 кВ, а газонаполненные кабели низкого (1,5—2 кгс/см2) и среднего (3—6 кгс/см2) давления — на напряжение 35 Кв.