Линии электропередачи 345 кВ и выше - Механизм поверхностного пробоя загрязненной изоляции

Несмотря на большие усилия, предпринимаемые в течение последних 40 лет, механизм пойерхностного пробоя загрязненных изоляторов до сих пор не полностью выяснен. Большинство теоретических работ проводилось с использованием упрощенной модели, в которой предполагалось, что поверхность загрязненного изолятора уже смочена и имеет высокую проводимость [6.25— 6.27].

Рис. 6.5.22. Коэффициент нелинейности k для V-образных гирлянд в функции длины гирлянды /.
Рис. 6.5.21. Минимальное поверхностное пробивное напряжение Umin для V-образных гирлянд из противотуманных изоляторов К-3 (/) и К-4 (2), загрязненных смесью К-1 (40 г/л), в зависимости от плотности солевого отложения Рс.о»

Рис. 6.5.20, Минимальное поверхностное пробивное напряжение V rain для V-образных гирлянд из стандартных изоляторов, загрязненных смесью К-1 (40 г/л), в зависимости от плотности солевого отложения Рс.о-
----------- для условий тяжелого загрязнения;-- — для легких загрязнений; 1 — опорный изолятор.
В этих начальных условиях существенным фактором является развитие дуги от электрода высокого напряжения, а полный поверхностный пробой является результатом развития частичных разрядов.
При испытаниях загрязненной изоляции в Исследовательском центре УВН установлено, что вдоль гирлянды изоляторов может наблюдаться нелинейное распределение напряжения.

Рис. 6.6.1. Фигуры Лиссажу, показывающие изменение поверхностного полного сопротивления во времени.
а — в начале измерений, 0=90°; б — через 25 мин, 0=70°; в — через 30 мин, 0=60°; г — через 40 мин, 0=45°.
Таким образом, поверхностный пробой длинных гирлянд должен иметь другой механизм. С целью его более полного понимания ниже рассматривается механизм поверхностного пробоя отдельного изолятора и длинной гирлянды.
Механизм поверхностного пробоя отдельного изолятора. При испытаниях в тумане поверхностное полное сопротивление загрязненного изолятора является функцией степени увлажнения и степени подсушивания. Поэтому поверхностное полное сопротивление под напряжением (динамическое) отличается от полного сопротивления без напряжения (статистического).

Рис. 6.6.2. Изменение динамического поверхностного полного сопротивления для стандартного изолятора (плотность солевого отложения 0,07 мг/см2, каолин 40 г/л, приложенное напряжение на изолятор 6,3 кВ) в функции продолжительности испытаний /.
Рис. 6.6.3. Распределение напряжения и (в процентах) по изолятору, измеренное до точки начала свечения от заземленной шапки при различных значениях полного поверхностного сопротивления, в функции длины пути утечки /.

1 — полное сопротивление; 2 — активное сопротивление; 3 — емкость.
В условиях увлажнения характер полного сопротивления меняется от емкостного в начале испытаний до активного. На рис. 6.6.1 показаны типичные примеры изменения характера полного сопротивления. На фотографиях представлены образцы фигур Лиссажу, полученные при подаче на пластины осциллографа одновременно двух сигналов, пропорциональных напряжению и току с испытуемого изолятора. Переход полного сопротивления от емкостного до активного характеризуется уменьшением площади петли [6.14, 6.28, 6.29]. Более 
детально это изменение представлено на рис. 6.6.2. Увеличение емкости происходит в результате увеличения проводящей площади на поверхности изолятора.
Распределение напряжения по изолятору также меняется во времени. На рис. 6.6.3 показано первоначальное распределение напряжения и распределение после того, как поверхностное полное сопротивление достигло наименьшего значения. Эти характеристики были получены с использованием сбалансированной выпрямительной схемы с неоновой лампой. Отмечено хорошее совпадение результатов испытания с ранее опубликованными данными [6.30, 6.31].

Рис. 6.6.4. Свечение на изоляторе типа К-1.
а — начало свечения; б — сильное свечение.

С ростом увлажнения большая часть приложенного напряжения падает на очень узкую сухую полосу вокруг пестика. Эта узкая полоса шириной 1—2 мм образуется из-за наличия тока утечки. Если эта узкая полоса не может выдержать приложенное к изолятору напряжение, начинается свечение. Сухая полоса перекрывается частичными разрядами, и напряжение оказывается распределенным по увлажненной поверхности. Распределение напряжения  можно измерить, применяя высокоомный делитель напряжения с сопротивлением 10— 50 МОм, что значительно превышает поверхностное электрическое сопротивление изолятора. На рис. 6.6.4 показаны фотографии свечения поверхности изолятора, а на рис. 6.6.5 — осциллограммы переходного процесса.
На рис. 6.6.6 показано распределение напряжения по изолятору К-1 в зависимости от длины пути утечки при разных значениях импульсов тока. С увеличением свечения распределение напряжения начинает приближаться к линейному.

Рис. 6.6.5. Напряжение и ток при свечении на изоляторе типа К-1, загрязненном смесью: каолин 40 г/л и NaCl 20 г/л (точки измерения напряжений Р\—Р5 расположены на пути утечки соответственно на 88, 72, 53, 29 и 20%).
а — легкое свечение; б — сильное свечение.
Эта линеаризация при свечении может определяться двумя противоположными факторами: наличием влаги, которая уменьшает изоляционную прочность загрязненного слоя на внешней поверхности, и эффектом подсушки, вызванным частичными разрядами. Поверхностный пробой определяется электрической прочностью загрязненного слоя, на который в момент,

Рис. 6.6.6. Динамическое распределение напряжения и по изолятору К-1 в зависимости от длины пути утечки /.
1 — ток.
предшествующий пробою, практически воздействует все напряжение. Как видно из рис. 6.6.7, в некоторых случаях напряжение на первой к пестику юбке бывает ниже, чем на второй. Это необычное явление, как видно из рис. 6.6.8, связано с прямыми разрядами с пестика на вторую юбку и закорачиванием первой.
Кроме того, из рис. 6.6.9 можно видеть, что свечение может возникнуть не только вокруг пестика, но и в любом другом месте на внешних юбках, что вообще часто и наблюдалось. Этот факт говорит о том, что динамическое распределение напряжения не является просто пропорциональным удельному поверхностному электрическому сопротивлению в радиальном направлении, измеренному на низком напряжении.
Некоторая часть пути утечки не оказывает достаточного воздействия [6.27, 6.30]. Это подтверждается результатами испытаний, по которым электрическая прочность непропорциональна длине пути утечки. Однако при этом наблюдается хорошая корреляция между поверхностным пробивным напряжением и «эффективным путем утечки», на который падает все напряжение в конечном распределении.

Таблица 6.6.1

* Для плотности солевого отложения от 0,005 до 0,15 мг/см3, при применении каолина в смеси 40 г/л.

Некоторые примеры этого представлены в табл. 6.6.1. Этот эффективный путь утечки, который объединяет геометрические расстояния и влияние формы изолятора, может быть использован как основной параметр при разработке изолятора. Механизм поверхностного пробоя единичного изолятора можно изучить, основываясь на динамическом распределении напряжения по изолятору.

Рис. 6.6.7. Динамическое распределение напряжения и относительно земли по изолятору К-2 в зависимости от длины пути утечки /.
I — 'ток: 2 — напряжение до свечения.
Рис. 6.6.8. Интенсивность свечения на изоляторе типа К-2 при закорачивании первой юбки.


Механизм поверхностного пробоя длинных гирлянд изоляторов. Механизм поверхностного пробоя длинных гирлянд состоит из различных фаз. Первоначально загрязненная поверхность изоляторов — совершенно сухая, и распределение напряжения по гирлянде можно считать таким же, как у гирлянд с сухими и чистыми изоляторами. Эквивалентная схема замещения может быть составлена из одних емкостей. Распределение обычно — неравномерное, в основном из-за наличия емкости между изоляторами и землей. С развитием увлажнения поверхностное полное сопротивление приобретает, помимо емкостной, активную составляющую. На значение активного сопротивления оказывает влияние эффект подсушки током утечки, который зависит от напряжения, приложенного к единичному изолятору, и потому активные сопротивления различных изоляторов не равны друг другу. Поверхностное активное сопротивление у изоляторов, находящихся под большим напряжением, выше, чем у изоляторов, находящихся под меньшим напряжением.

Рис. 6.6.9. Пример локальных разрядов, не связанных с основными стримерами с пестика (изолятор К-2).
Влияние приложенного напряжения на динамическое полное сопротивление может быть изучено по упрощенной схеме (рис. 6.6.10), в которой не учитываются емкости между изоляторами, находящимися не рядом.
Повышенное падение напряжения обычно характерно для нижней части гирлянды. Оно способствует высушиванию загрязненного слоя в этой области до образования совершенно сухой зоны в гирлянде. Температура поверхности этих изоляторов значительно выше, чем у остальных. Влажная зона обычно образуется в средней части гирлянды, где напряжение на изоляторах — наименьшее. Таким образом, неравномерное распределение напряжения может сохраняться в течение всего эксперимента. В этот период действующий ток утечки составляет 100—600 мкА.

Рис. 6.6.10. Эквивалентная схема для распределения напряжения вдоль загрязненной гирлянды изоляторов.
1 — земля 2 — линия.
С увеличением влажности указанная тенденция нарастает, и в конце концов изоляторы в нижней части гирлянды пробиваются по поверхности. Это происходит, когда частичные разряды в нижней части гирлянды закорачивают несколько изоляторов. Затем пробой развивается вверх. Закорачивание изоляторов в нижней части гирлянды приводит к повышенному падению напряжения на изоляторах в оставшейся части гирлянды, а также к усилению свечения вдоль всей гирлянды. Эта стадия характеризуется бросками тока утечки, которые достигают максимум 500— 700 мА. Эти токи высушивают поверхность изоляторов во влажной зоне, линеаризируют распределение напряжения не закороченной разрядами части гирлянды. Однако даже разряды, вызывающие сильное свечение, не высушивают поверхность изоляторов, находящихся во влажной зоне гирлянды, до состояния, в котором находятся изоляторы в сухой зоне, поэтому распределение напряжения по всей гирлянде остается нелинейным. После того как свечение исчезает, поверхность изоляторов, находящихся под меньшим напряжением, начинает абсорбировать влагу, понижая тем самым значение поверхностного полного сопротивления. С другой стороны, изоляторы в нижней части гирлянд едва увлажнены, так как сохраняется повышенная температура их поверхности (из-за высокой теплоемкости изоляторов). Поэтому распределение напряжения вдоль гирлянды оказывается достаточно неравномерным, чтобы произошел другой разряд. Этот процесс повторяется до тех пор, пока не разовьется поверхностный пробой или, наоборот, пока свечение постепенно не исчезнет в связи со смыванием загрязнения. Так как рассмотренную нелинейность принято связывать с явлением нагрева отдельных изоляторов, невозможно предсказать, когда скорость увлажнения поверхности достаточна, чтобы перестала сказываться подсушка током утечки. Именно поэтому явление нелинейности было обнаружено только в тех испытаниях, в которых условия увлажнения имитировали естественный процесс.

Рис. 6.6.11. Полное поверхностное сопротивление Z изоляторов типа А, загрязненных каолином (40 г/л) с различным содержанием соли в функции длительности испытаний t (плотность солевого отложения 0,04 мг/см2 — линия действует, плотность 0,15 кг/см2 — линия отключается). I — поверхностный пробой; 2 — свечение.
Нелинейность не может проявиться, когда начальное распределение напряжения равномерное, так как в этом случае не возникают частичные разряды на изоляторах, находящихся под более высоким потенциалом. Это подтверждается результатами испытаний, в которых распределение напряжения делалось более равномерным, например при применении защитных колец.
Заключение. Механизм поверхностного пробоя у одиночного изолятора и длинных гирлянд примерно одинаковый. В обоих случаях поверхностный пробой происходит в результате воздействия нелинейного распределения напряжения, вызванного явлением нагрева поверхности изоляторов током утечки. Исходя из этого можно предусмотреть некоторые меры для улучшения характеристик загрязненных изоляторов. Например, нелинейность в длинных гирляндах изоляторов может быть снижена применением изоляторов, имеющих большую емкость между шапкой и пестиком. При этом следует ожидать существенную линеаризацию напряжения по гирлянде и соответственно существенное улучшение характеристик загрязненных изоляторов, у которых падение напряжения вблизи пестика значительно снижено.
Можно проводить анализ механизма поверхностного пробоя на длинных гирляндах изоляторов по схеме замещения R — С, показанной на рис. 6.6.10. Динамическое полное сопротивление определяется по рис. 6.6.11. Расчет распределения напряжения в течение процесса увлажнения должен повторяться несколько раз, пока падение напряжения на некоторых изоляторах в нижней части гирлянды не достигнет критических условий поверхностного пробоя. Частичные разряды по нижней части гирлянды приводят к увеличению напряжения в других частях гирлянды. Трудность этого анлиза заключается в проведении расчетов распределения напряжения на этой стадии. Подъем напряжения при наличии частичных разрядов не является постоянным явлением, а проявляется в виде кратковременных перенапряжений. Эти перенапряжения вызовут другие частичные разряды на изоляторах, на которых напряжение превышает разрядное. Для такого рода перенапряжений электрическая прочность выше, чем для 60 Гц. Если имеются данные по таким кратковременным перенапряжениям, расчеты можно продолжать до тех пор, пока конечное распределение станет таким, что частичные разряды исчезнут, либо, наоборот, произойдет поверхностный пробой по всей гирлянде.