- ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ ИЗОЛЯЦИОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ
Внешняя и внутренняя изоляции. Изоляция электроустановок разделяется на внешнюю и внутреннюю. Внешней называют изоляцию; работающую в атмосферном воздухе. Электрическая прочность внешней изоляции определяется пробоем воздушных промежутков или перекрытием в воздухе по изолирующим поверхностям. Основным признаком внешней изоляции является зависимость ее электрической прочности от атмосферных -условий.
Примером внешней изоляции могут служить воздушные промежутки между токоведущими частями и землей на линиях электропередачи и подстанциях, а также наружная поверхность изоляторов, соприкасающаяся с воздухом. Изоляция, электрическая прочность которой практически не зависит от внешних атмосферных условий, называется внутренней. Примером внутренней изоляции может служить изоляция обмоток масляного трансформатора между собой и от магнитопровода. Имеются и такие изоляционные конструкции, в которых применяется комбинация внешней и внутренней изоляций, например, вводы трансформаторов и выключателей. Внешняя часть вводов работает в атмосферном воздухе, а внутренняя — в трансформаторном масле.
Влияние атмосферных условий на электрическую прочность внешней изоляции.
Электрическая прочность внешней изоляции электроустановок зависит от метеорологических факторов: от давлений и температуры воздуха и от его влажности. Разрядные напряжения воздушных промежутков и изоляторов при напряжениях промышленной частоты и при импульсах зависят от относительной плотности воздуха и могут быть подсчитаны по формуле
где б — относительная плотность воздуха;
U0 — разрядное напряжение при нормальных атмосферных условиях (давление 760 мм рт. ст., температура 20° С);
U — разрядное напряжение при относительной плотности воздуха 8.
Относительной плотностью воздуха называется отношение плотности воздуха при любых атмосферных условиях к плотности при нормальных условиях. Она подсчитывается по формуле
где Р — давление воздуха, мм рт. ст.\ t — температура воздуха, °С.
При нормальных атмосферных условиях б0 = 1.
С увеличением !высоты над уровнем моря уменьшается давление и, следовательно, относительная плотность воздуха. В результате электрическая прочность воздуха снижается. При повышении температуры относительная плотность воздуха уменьшается, что вызывает понижение разрядных напряжений внешней изоляции. Влажность атмосферного воздуха также оказывает влияние на электрическую прочность внешней изоляции. С ростом влажности воздуха разрядные напряжения несколько возрастают. Дело в том, что разряд в воздухе возникает в результате ионизации, производимой свободными электронами. Если же в воздухе имеются частицы водяного пара, т. е. воздух влажный, то свободные электроны «прилипают» к частицам водяного пара и теряют способность ионизировать молекулы воздуха. Тем самым затрудняется образование электронных лавин и повышается разрядное напряжение внешней изоляции. При увеличении влажности до 100% на поверхность изоляторов выпадает роса. Роса, как и дождь, дает существенное снижение разрядных напряжений. Вода имеет достаточно высокую проводимость, вследствие этого напряжение на изоляторе перераспределяется: доля напряжения, приходящаяся на смоченные водой участки поверхности, уменьшается, а доля напряжения на сухих участках увеличивается. В результате перекрытие изолятора под дождем происходит при меньшем напряжении, чем в сухом состоянии. Особенно значительным бывает снижение разрядного напряжения в том случае, когда поверхность изолятора была загрязнена. Загрязнение изолятора в сухом состоянии обычно не приводит к снижению разрядного (напряжения. Но при увлажнении загрязненной поверхности разрядное напряжение изолятора резко снижается. Увлажнение слоя загрязнения происходит особенно интенсивно во время тумана,, росы, моросящего дождя, таяния снега и гололеда. Вот почему часто наблюдаются перекрытия изоляции в ранние утренние часы, когда при восходящем солнце на изоляторах выпадает роса. Сильные дожди, наоборот, смывают слои загрязнения и тем самым очищают изоляторы. Разрядные напряжения зависят от состава загрязняющего осадка, особенно сильно снижаются разрядные напряжения при загрязнении изоляторов уносами химических, металлургических и цементных заводов, брызгами морской воды и пылью солончаковой почвы. Перекрытия загрязненной и увлажненной изоляций могут происходить даже при рабочем напряжении. По увлажненному слою зазгрязнения под действием приложенного напряжения протекают токи утечки. Так как интенсивность загрязнения и увлажнения отдельных участков поверхности изоляторов неодинакова и зависит от конструктивных особенностей изолятора, то и плотность тока утечки, протекающего по разным участкам загрязненного слоя, также различна. Там, где плотность тока велика, поверхность подсушивается и сопротивление загрязняющего слоя возрастает. На этих участках увеличивается падение напряжения, что приводит к возникновению частичных дужек. После перекрытия подсушенных участков изоляции все напряжение прикладывается к участкам с влажным загрязненным слоем, который имеет относительно небольшое сопротивление и подсушивается током утечки. Распределение напряжения по загрязненной поверхности изолятора резко нарушается, возникают новые частичные дуги, число их растет, и процесс завершается полным перекрытием изолятора. При правильной эксплуатации электрооборудования атмосферные условия не оказывают влияния на характеристики внутренней изоляции. При нарушении правил эксплуатации (отсутствие воздухоосушителей) влажный воздух, попадая в трансформатор, увлажняет его изоляцию. При отсутствии защиты (термосифонных фильтров, азотной «подушки») масло, соприкасаясь с воздухом, окисляется, образуется шлам, ухудшается циркуляция.
Старение внутренней изоляции.
Для внутренней изоляции электроустановок в большинстве случаев применяются комбинации твердого и жидкого или же твердого и газообразного диэлектриков. Технология изготовления такой комбинированной изоляции достаточно сложная. И после изготовления в ней может оставаться очень небольшое количество влаги и газа. В процессе эксплуатации внутренняя изоляция подвергается воздействию ряда неблагоприятных факторов: нагрева, увлажнения, механических нагрузок, химического разложения, частичных разрядов в газовых включениях. В результате этого с течением времени изменяется структура изоляции, снижается ее электрическая прочность. Изоляция «стареет». Например, под действием нагрева применяемая в трансформаторах волокнистая изоляция делается хрупкой и теряет механическую прочность. Трансформаторное масло окисляется, образуется шлам. Прочность его снижается. Увеличение содержания влаги в хлопчатобумажной изоляции с 0,5 до 1,1% сокращает срок ее службы в 6 раз. Газовые включения в бумажно-масляной и масло-барьерной изоляции приводят к возникновению частичных разрядов.
Относительная диэлектрическая проницаемость газа меньше проницаемости твердого диэлектрика, поэтому емкость газового включения невелика, а напряженность электрического поля в нем очень большая. Вместе с тем электрическая прочность газовой среды ниже прочности твердого диэлектрика, поэтому в газовом включении происходят частичные пробои, которые оказывают на окружающий диэлектрик неблагоприятное воздействие. Под влиянием частичных разрядов в твердой изоляции возникают каналы, заполненные смолистыми веществами с низкими изоляционными свойствами, или обуглероженные каналы высокой проводимости. Высокие напряженности поля на концах этих каналов ведут к образованию новых газовых пузырьков и дальнейшему прорастанию разряда. Твердая изоляция постепенно, участок за участком, «разъедается», образуются разветвленные углеродистые дорожки. Внешний вид их напоминает ствол дерева с ветвями (рис. 10), поэтому такой разряд часто называют ветвистым. Развитие ветвистого разряда может длиться дни, месяцы и годы и привести в конечном счете к полному пробою изоляции.
Рис. 10. Ветвистый разряд на слоях бумаги.
Такой процесс постепенного разрушения изоляции называют ионизационным старением, а пробой — ионизационным пробоем изоляции. Если повреждение внешней изоляции можно в ряде случаев обнаружить путем осмотра, то состояние внутренней изоляции, как правило, осмотром определить не представляется возможным. Поэтому содержание ее эксплуатации сводится, главным образом, к профилактическим испытаниям. Для их проведения энергосистемы располагают как стационарными, так и передвижными высоковольтными лабораториями.
Регулирование электрического поля в изоляционных конструкциях. В сложных изоляционных конструкциях на величину максимальной напряженности поля может оказать большое влияние сочетание емкостей отдельных ее элементов. Поясним это примером. Для замены поврежденных опорных изоляторов на подстанции 110 кВ требовалось подобрать такой изолятор, который в соответствии с ГОСТ имел бы напряжение перекрытия 265 кВ. Для этой цели предполагалось использовать колонку, составленную из двух изоляторов. Нижний изолятор колонки (типа ИШД-35) имел разрядное напряжение 140 кВ, а верхний (типа СО-35) — 130 кВ. Если бы вся колонка имела напряжение перекрытия 140 +
Рис. 11. Схема последовательного включения конденсаторов.
+ 130 = 270 кВ, то это удовлетворяло бы требованиям ГОСТ. Однако при испытании она перекрылась при напряжении 146 кВ. Такое снижение электрической прочности колонки изоляторов произошло вследствие большой разницы в емкостях составляющих ее изоляторов. Изолятор типа ИШД-35 имеет емкость порядка 50 пф, тогда как изолятор типа СО-35 имеет емкость около 6 пф. Известно, что напряжение, приложенное к последовательно включенным конденсаторам (рис. 11), распределяется обратно пропорционально их емкостям, т. е. на меньшую емкость ложится
большая часть напряжения:
где С, и U1 — емкость одного из конденсаторов и напряжение на нем;
С2 и U2 — емкость и напряжение другого конденсатора.
Так как емкость изолятора СО-35 в 8,3 раза меньше, чем емкость изолятора ИШД-35, то на изолятор СО-35- легло напряжение в 8,3 раза более высокое, чем на изолятор ИШД-35, т. е. 130 кВ, а на изолятор ИШД-35 — всего 16 кВ. Поскольку разрядное напряжение изолятора СО-35 равно 130 кВ, то он перекрылся. После этого все напряжение оказалось приложенным к изолятору ИШД-35 « он также перекрылся. Таким образом, изоляторы, неудачно подобранные по величинам их емкостей, имеют очень невысокое напряжение перекрытия.
Регулирование распределения напряжения производится также для более рационального использования диэлектрика в изоляционной конструкции. Например, во вводах выключателей и трансформаторов на номинальное напряжение 110—500 кВ распределение напряжения регулируется соответствующим подбором емкостей.
На рис. 12 представлена конструктивная схема внутренней части конденсаторного ввода. Из рисунка видно, что его конденсаторные слои 1—5 идут уступами от заземленного фланца к токоведущему стержню. Каждый слой имеет две станиолевые металлические обкладки с бумажной изоляцией между ними.
Рис. 12. Конструктивная схема внутренней части конденсаторного ввода.
а — расположение конденсаторов на токоведущем стержне А; б — распределение напряжения по конденсаторным слоям ввода: 1 — слои без уступов, 2 — слои с уступами.
Если бы все слои имели равную длину (не имели бы уступов), то конденсаторы, расположенные ближе к заземленному фланцу, имели бы большую емкость, чем конденсаторы, расположенные ближе к токоведущему стержню. При этом напряжение распределялось бы неравномерно: на слоях с меньшей емкостью, расположенных ближе к стержню, оказалось бы большее напряжение, чем на слоях с большей емкостью, расположенных ближе к земле (кривая 1 на рис. 12). Для равномерного распределения напряжения по слоям нужно сделать все емкости равными, что и достигается уменьшением геометрических размеров обкладок конденсаторов, расположенных ближе к заземленному фланцу, посредством сокращения их длины. В этом случае напряжение распределится равномерно по всем слоям (кривая 2). Возможность регулирования распределения напряжения посредством изменения величины емкостей можно показать также на примере линейной гирлянды изоляторов.
На рис. 13 представлена схема замещения гирлянды изоляторов. Собственные емкости изоляторов С равны между собой, емкости каждого изолятора на землю С1 по величине меньше собственной емкости С. Емкости изоляторов по отношению к проводу С2 очень малы и не оказывают влияния.
Рис. 13. Распределение напряжения по изоляторам линейной гирлянды.
а — емкостная схема замещения гирлянды изоляторов; б — распределение напряжения на гирлянде.
Из схемы видно, как постепенно от провода к земле уменьшается величина тока, протекающего через емкость С. Следовательно, уменьшается также падение напряжения на каждой емкости С с приближением к земле. На рис. 14 показано распределение напряжения вдоль гирлянды изоляторов без колец: на первый изолятор от провода приходится напряжение, в несколько раз большее, чем на изолятор, расположенный у траверсы. Если же увеличить емкость первых изоляторов на провод посредством подвески арматуры в виде кольца на первом изоляторе, то напряжение перераспределяется и изоляторы будут нагружены более равномерно. Регулирование распределения напряжения емкостями в установках высокого напряжения имеет широкое распространение. На рис. 15 показано распределение электрического поля около краев свинцовой оболочки кабеля по изоляции, нанесенной на токоведущий стержень (справа). Если на изоляцию наносится слой из полупроводящего вещества, поле становится более равномерным (слева). Полупроводящие покрытия применяются также для регулирования электрического поля в электрических машинах у места выхода проводников из паза статора.
Рис. 14. Кривые распределения напряжения по гирлянде из 13 изоляторов с кольцами и без колец.
Рис. 15. Электрическое поле около краев свинцовой оболочки кабеля.
I — провод; 2 — изоляция; 3 — свинцовая оболочка; слева — поверхность изоляции покрыта полупроводящими материалами.
