Как работает электрическая изоляция - Изоляция электрических подстанций

На подстанциях, так же как и на воздушных линиях электропередачи, в качестве электрической изоляции широкое распространение получили фарфоровые изоляторы и воздух. Фарфоровые изоляторы подразделяются на подвесные, опорные и проходные.

Рис. 23. Опорные изоляторы для внутренней установки на 6 кВ. а — типа ОА-6; б — габаритный изолятор типа ОМА-6.
На подстанциях применяются те же самые подвесные изоляторы, что и на линиях электропередачи. Они служат для подвески сборных шин и присоединений аппаратов к ним. Опорные изоляторы создают неподвижные изолирующие опоры для токоведущих частей, а проходные изолируют токоведущие части от заземленных при проходе через стены, потолок и крыши зданий (станционные проходные изоляторы) и через крышки аппаратов (аппаратные проходные изоляторы или вводы).
На рис. 23 представлены опорные изоляторы для внутренней установки на 6 кВ. Они изготовляются из целого куска фарфора с металлической арматурой, соединенной с фарфором при помощи цемента. На рис. 24, а показан опорный изолятор для наружной установки на напряжение 6—10 кВ, а на рис. 24, б — опорный штыревой изолятор для районов с загрязняемой атмосферой.
Штыревые и стержневые опорные изоляторы на 35 кВ для наружных установок показаны на рис. 25, а опорные изоляторы на 35 кВ для внутренней установки— на рис. 26. Стержневые изоляторы на 35 и 110 кВ изготовляются из одного фарфорового сплошного или полого тела с ребрами на боковой поверхности. Верхний и нижний концы изолятора имеют металлическую арматуру, соединенную с фарфором при помощи цемента. Штыревые опорные изоляторы изготовляются на напряжение до 35 кВ. Они имеют вверху армированные металлические колпаки, а внизу — металлические штыри. Для прочного соединения фарфора с металлом армируемые поверхности фарфора, так же как и у подвесных изоляторов, покрываются фарфоровой крошкой, а для эластичности заделки применяется битумная смазка.

Рис. 24. Опорные штыревые изоляторы ШН.
а — для наружной установки на напряжение 10 кВ; б— для районов с загрязняемой атмосферой.

Рис. 25. Штыревые и стержневые опорные изоляторы для наружной установки.
а — штыревой типа ШТ-35; б — штыревой типа ИШД-35.
На напряжения выше 35 кВ собираются колонки из стержневых или штыревых изоляторов. Например, для номинального напряжения 500 кВ собираются колонны из девяти изоляторов типа КО-400. Количество подвесных изоляторов в гирлянде и опорных изоляторов в колонке при разных номинальных напряжениях указано в табл. 9. Проходные изоляторы по конструкции представляют собой бочкообразное тело из диэлектрика, внутри которого проходит токоведущий стержень, а снаружи его охватывает фланец, с помощью которого проходной изолятор (ввод) крепится к стене здания или на крышке аппарата.

Рис. 26. Опорные изоляторы для внутренней установки на 35 кВ.
а — типа ОА-35; б — типа ОБ-35.
Изоляция токоведущего стержня от заземленного фланца может осуществляться: фарфором; воздухом в комбинации с фарфором; бакелизированной бумагой; трансформаторным маслом с бумажными барьерами и металлическими конденсаторными обкладками; бумажно-масляной изоляцией.
Изоляторы с чисто фарфоровой изоляцией или в комбинации с воздухом изготовляются для установок до 35 кВ включительно. Изоляторы такого типа показаны на рис. 27.

Для масляных выключателей 35 кВ широкое, применение получили вводы с изоляцией из бакелизированной бумаги с конденсаторными обкладками и с фарфоровой рубашкой. Пространство между бакелизированной бумагой и фарфоровой рубашкой заполняется нетвердеющей массой. В установках с напряжением 110 кВ и выше применяются проходные маслонаполненные изоляторы, где в комбинации с фарфором используются высококачественные жидкие и твердые диэлектрики и регулируются электрические поля.
На рис. 28 представлена конструкция масло-барьерного ввода на 110 кВ. Масляный промежуток между токоведущим стержнем 1 и заземленным фланцем 2 разделен бумажно-бакелитовыми цилиндрами (барьерами). На цилиндрах 3 расположены обкладки из металлической фольги 4, которые служат для выравнивания распределения напряжения между масляными каналами. Разрядные напряженности по поверхности проходных изоляторов в трансформаторном масле приблизительно в 2 раза выше, чем в воздухе. Поэтому у аппаратных проходных изоляторов нижняя часть изолятора, погруженная в масло, имеет приблизительно в 2 раза меньшую длину, чем верхняя, находящаяся в воздухе. Ребра на поверхности нижней фарфоровой рубашки менее развиты, чем на верхней.

Рис. 27. Проходные изоляторы.

а — типа ПБ-35 для внутренней установки; б — типа установки 6 кВ; ПАБ-35 для наружной установки; в — для внутренней
г — для наружной установки 6 кВ.
На рис. 29 показан внешний вид малогабаритного ввода 110 кВ с бумажно-масляной изоляцией, а на рис. 30 — трансформаторный ввод 500 кВ. Вводы являются важной частью изоляции баковых масляных выключателей и трансформаторов. В качестве изоляции разъединителей на все номинальные напряжения 3—500 кВ используются опорные изоляторы. Изоляцией для воздушных выключателей служат фарфоровые покрышки воздуховодов и дугогасящих камер, электрическая прочность которых соответствует классу их номинального напряжения. Величины испытательных (выдерживаемых) напряжений, при которых не должно происходить перекрытий изоляторов, приведены в табл. 10.

На подстанциях, так же как и на линиях электропередачи, атмосферный воздух широко используется для изоляции токоведущих частей. Наименьшие расстояния по воздуху от токоведущих частей до различных элементов открытых распределительных устройств подстанций при жестких шинах приведены в табл. 11. При гибких шинах наименьшие расстояния увеличиваются с учетом стрелы провеса проводов при температуре +15° С, веса провода и давления ветра на провод при скорости в 60% от принятой при расчете конструкций. Наименьшие расстояния в свету от токоведущих частей до различных элементов закрытых распределительных устройств подстанций приведены в табл. 12. Указанные в табл. 11 и 12 расстояния выбраны по электрической прочности изоляционных воздушных промежутков и по условиям безопасного обслуживания установок эксплуатационным персоналом.

Рис. 28. Маслонаполненный барьерный ввод на 110 кВ.

Основным и самым ценным оборудованием высоковольтных подстанций являются трансформаторы (рис. 31). Высокая стоимость изоляции трансформатора и сложность конструктивного выполнения вынуждают ограничиваться сравнительно низким уровнем ее электрической прочности.

Рис, 30. Маслонаполненный ввод типа МТП-500 кВ.

Рис. 29. Малогабаритный конденсаторный ввод на 110 кВ типа МВ-110/600.
У трансформаторов различают: главную изоляцию (внутреннюю) изоляцию обмотки относительно заземленных корпуса и магнитопровода и обмоток другого номинального напряжения; продольную изоляцию (также внутреннюю) — изоляцию между отдельными слоями самой обмотки, между катушками, между отводами, а также между катушками и экранирующими витками; внешнюю изоляцию — внешняя часть проходных изоляторов (вводов), воздушные промежутки между токоведущими частями различных фаз и между токоведущими частями и заземленными элементами трансформаторов.

Конструктивное выполнение главной изоляции трансформаторов 3—35 кВ схематически показано на рис. 32. Она состоит из минерального масла и изолирующих цилиндров. В масле при переменном токе промышленной частоты пробой происходит по проводящим мостикам, образующимся из примесей (влага, пыль и пр.).

Рис. 31. Конструктивная схема силового трансформатора.
1 — расширитель; 2 — указатель уровня масла; 3 — газовое реле; 4 — ввод низшего напряжения; 5 — термометр; в — патрубок; 7 — кран; 8 — крюк; 9 — заслонка; 10 — кран; 11—12 — пробки; 13 — предохранительная труба.
Для повышения электрической прочности масла применяются изолирующие цилиндры, которые предотвращают появление в масле оплошных проводящих мостиков и тем самым повышают его электрическую прочность.
Конструкция главной изоляции трансформаторов 110 кВ представлена на рис. 33. Для усиления изоляции у обмоток 110 кВ, кроме изолирующих цилиндров, применяются угловые шайбы, которые, удлиняя путь поверхностного разряда, повышают электрическую прочность изоляции на концах обмотки.

 Главная изоляция
Конструкция главной изоляции трансформаторов 220 кВ дана на рис. 34. Трансформаторы с напряжением до 110 кВ включительно имеют выводы из конца обмоток. У трансформаторов с напряжением 220 кВ и выше осуществить концевую изоляцию на полное напряжение очень трудно, поэтому линейные выводы делают из середины обмоток, а концевые части обмотки образуют нейтраль с пониженной изоляцией.

Рис. 32. Главная изоляция трансформаторов 3—35 кВ.

обмоток ступенчатая — по мере приближения к нейтрали уменьшаются изоляционные расстояния между обмотками. Внешней изоляцией трансформаторов является воздух. Изоляционные расстояния в воздухе между токоведущими частями вводов и отводов до заземленных частей, включающие допуски, приведены в табл. 13.

Рис. 33. Главная изоляция трансформаторов 110 кВ с вводом иа конце.

Рис. 34. Главная изоляция; трансформаторов 220 кВ.
Изоляция измерительных трансформаторов и шунтирующих реакторов по конструкции близка к изоляции силовых трансформаторов.
Изоляция высоковольтного оборудования подстанций значительно сложнее по своей конструкции, чем изоляция линий электропередачи. Изготовление подстанционной изоляции труднее и дороже, поэтому уровни изоляции подстанционного оборудования, как правило, принимаются ниже уровня линейной изоляции, а возникающие на подстанциях перенапряжения ограничиваются.

Основным средством для ограничения перенапряжений являются вентильные разрядники, которые защищают изоляцию от грозовых перенапряжений, а при сверхвысоких напряжениях (330, 500, 750 кВ) и .от внутренних перенапряжений. Поэтому уровни изоляции оборудования подстанций согласовываются с защитными характеристиками вентильных разрядников. Для того чтобы электрооборудование подстанций могло противостоять волнам атмосферных перенапряжений, набегающим с линий, его изоляция должна удовлетворять требованиям, указанным в табл. 14. Эти требования вытекают из характеристик современных вентильных разрядников. При определении требований к импульсной прочности изоляции за основу берется остающееся напряжение на разряднике, т. е. падение напряжения на рабочем сопротивлении разрядника при прохождении через него импульсного тока. При прохождении через разрядник импульсного тока, равного 5 ка, остающееся напряжение будет t/p, 5. Импульсное испытательное напряжение внутренней изоляции силовых трансформаторов, испытываемых без возбуждения, при полной волне определяется по формуле
Амплитуда полной волны по воздействию на изоляцию оказывает более суровое влияние по сравнению с остающимся напряжением. Это обстоятельство учитывается умножением величины остающегося напряжения

*Для трансформаторов напряжения.

**Для силовых трансформаторов и шунтирующих реакторов.

(Up,5) на коэффициент 1,1. Кроме того, для увеличения надежности изоляции ее испытательное напряжение еще повышается на 15 кВ. В эксплуатации изоляция подвергается многократно воздействию импульсных напряжений, при этом прочность изоляции постепенно понижается (кумулятивный эффект). Для того чтобы учесть это, ее испытательное напряжение повышают еще на 10%, что в формуле учтено вторым коэффициентом, равным 1,1.
Наконец, следует иметь в виду, что волны, приходящие на подстанцию, накладываются на рабочее напряжение, под которым находится оборудование, при этом условия работы оборудования утяжеляются. Для того чтобы учесть это обстоятельство, испытание оборудования импульсным напряжением должно производиться с возбуждением его до номинального рабочего напряжения.

35. Полная волна 1,5/40 мксек, срезанная при предразрядном времени 2 мксек.
Uс—напряжение среза.
При этом момент приложения импульса должен совпадать с амплитудой переменного напряжения обратной полярности. Для упрощения испытаний допускается испытывать трансформаторы без возбуждения, но при этом испытательное напряжение повышается на 50% номинального Un. В формуле это также учтено слагаемым Un/2, где UH берется в киловольтах действующих. Как видно из табл. 14, изоляция подвергается испытанию импульсным напряжением при полной волне и при срезанных волнах обеих полярностей: положительной и отрицательной. Срезанная волна напряжения представляет собой полную волну 1,5/40 мксек, срезанную при предразрядном времени 2 мксек (рис. 35). Применение для испытания оборудования срезанной волны объясняется тем, что воздействие ее на изоляцию иногда оказывается более суровым, чем полной волны.

Благодаря срезу образуется крутой спад напряжения, который создает большие перепады напряжений на соседних элементах изоляционных конструкций и может вызвать их пробой. Особенно значительную опасность срезанная волна представляет для продольной изоляции трансформаторов как своим крутым спадом, так и электромагнитными колебаниями, которые она вызывает в обмотках трансформаторов. Появление на подстанции срезанных волн вполне возможно. Движущаяся с линии волна может быть срезана разрядниками или внешней изоляцией оборудования, после чего она, продолжая движение, может повреждать другую изоляцию. Импульсное испытательное напряжение для внутренней изоляции силовых трансформаторов при срезанной волне определяется по формуле
U ср.в = 1,25-1,15(1,1 Uр,5 + 15).
При срезанных волнах, понижение электрической прочности изоляции при многократном воздействии импульсного напряжения более вероятно, поэтому коэффициент кумулятивности взят больше: 1,15 вместо 1,1 для полной волны. Увеличение прочности при сокращении времени воздействия напряжения учитывается коэффициентом 1,25.
Импульсные испытательные напряжения внешней изоляции трансформаторов и других высоковольтных аппаратов, указанные в табл. 14, определены по аналогичной методике с учетом характеристик вентильных разрядников и возможности снижения электрической прочности изоляции под действием неблагоприятных атмосферных условий. Кроме импульсных испытательных напряжений, электрическая прочность главной изоляции трансформаторов обычно характеризуется величиной одноминутного испытательного напряжения при промышленной частоте. Этим же напряжением контролируется электрическая прочность измерительных трансформаторов и изоляторов как в сухом состоянии, так и под дождем. Величины испытательных напряжений промышленной частоты приведены в табл. 15. Они также согласовываются с характеристиками вентильных разрядников, при этом за основу принимается величина пробивного напряжения искровых промежутков вентильных разрядников при промышленной частоте.

* Между фазами.

Для работы при номинальных напряжениях от 3 до 15 кВ допускается изготовление электрооборудования с облегченной изоляцией, испытательные напряжения которого снижаются на 18—45% по сравнению с испытательными напряжениями оборудования с нормальной изоляцией.