Линии электропередачи 345 кВ и выше - Исследования загрязнений по программе УВН

1. ИССЛЕДОВАНИЯ ПО ПРОГРАММЕ УВН

Введение. Целью исследования загрязнений по программе Исследовательского центра УВН было изучение изоляторов, загрязненных в реальных условиях. Выбор такой цели определяется тем, что, во-первых, изучение загрязнений являлось частью систематической программы Исследовательского центра УВН, так что работа   могла быть выполнена достаточно широко; во-вторых, трудности, связанные с выбором метода испытаний, были известны к моменту начала работ и выбранный метод лучше всего воспроизводит естественные условия.
В большинстве проведенных исследований подчеркивалось, что накопление загрязнений происходит в сухом виде, а увлажнение наступает позднее. Такие условия считаются типичными для США.
Был применен метод испытания в чистом тумане, при котором напряжение прикладывается к сухим загрязненным изоляторам с последующим воздействием на них тумана. В начальной стадии для этого использовался водяной пар, который создает условия очень медленного увлажнения и считается хорошей имитацией естественного увлажнения [6.17, 6.20]. По такому методу проводились испытания ряда типов изоляторов [6.21—6.23], а также гирлянд изоляторов длиной до 10,8 м. При этом были тщательно исследованы два фактора: нелинейная зависимость поверхностного пробивного напряжения от длины гирлянды изоляторов и вероятность перекрытия параллельных гирлянд.
Испытанные изоляторы. Было испытано 29 типов изоляторов с диаметрами дисков от 254 до 420 мм, имеющих механическую прочность от 75 до 550 кН. В табл. 6.5.1 приведены размеры испытанных изоляторов с указанием диаметров и длин путей утечки, а на рис. 6.5.1 показана их конфигурация.
Подвесные изоляторы подразделяются на два типа: обычные и противотуманные. В качестве характеристики изоляторов используется «коэффициент конфигурации» а (отношение пути утечки к строительной высоте изолятора). Обычно а для стандартных изоляторов лежит в диапазоне 2,0—2,3 и для противотуманных равен 3.
Так как из 29 типов испытанных изоляторов некоторые имели одинаковый коэффициент а, была произведена систематизация в обозначении изоляторов. Первая буква в обозначении (А, Вит. д.) характеризует базовую конфигурацию, а последующая цифра определяет индекс механической прочности:

В случаях, когда изоляторы незначительно отличаются друг от друга, например только по строительной высоте, используется дополнительный цифровой индекс (такой, как А-11). Буква О используется для обозначения некоторых старых типов противотуманных изоляторов. Как видно из рис. 6.5.1, изоляторы 0-11, 0-12 и 0-13 имеют различную конфигурацию.

Рис. 6.5.1. Типы изоляторов, испытанных в Исследовательском центре УВН.

Исследование условий увлажнения. Известно, что поверхностные пробои, вызываемые пылью и влагой, происходят при очень влажной погоде, а именно: при моросящем дожде, тумане или в условиях высокой влажности в ясные дни (особенно между полночью и ранним утром). Так как загрязненная поверхность изоляторов при хорошей погоде может быть сухой или чистой, поверхностные пробои происходят при перемене погоды от сухой к влажной. Изучение характеристик изоляторов в Исследовательском центре УВН проводилось для таких промежуточных условий. Пример процесса увлажнения в естественных условиях показан на рис. 6.5.2.

Рис. 6.5.2. Влажность Я, температура окружающей среды Т(А), температура поверхности изолятора 7\в), удельное поверхностное электрическое г и переходное полное сопротивлениеZ изоляторов А-11, загрязненных смесью К-1 (40 г/л) при плотности солевого отложения 0,07 мг/см2 в естественных условиях увлажнения в течение испытаний.
1 — солнечная погода; 2 — влага на чистых изоляторах; 3 — роса на чистых изоляторах.
В течение дня поверхность изолятора была сухой, а ее температура превышала температуру окружающей среды. Обычно трудно выявить переход от увлажненного состояния до полной влажности, так как он происходит постепенно. Однако процесс увлажнения загрязненной поверхности изолятора отличается от образования росы на чистой поверхности. Так как поваренная соль является проводящим материалом и хорошо абсорбирует влагу при влажности выше 80%, удельное поверхностное электрическое сопротивление загрязненного солью изолятора при отсутствии напряжения быстро уменьшается даже до момента образования росы. Такие условия определяют «статическое» состояние поверхности. Переходное полное сопротивление загрязненной поверхности изолятора при приложении напряжения характеризует «динамическое» поверхностное сопротивление. Высыхание изолятора под напряжением определяется наличием тока утечки.
С увеличением увлажнения характер полного сопротивления изменяется от емкостного (в начале испытания) до активного. Как видно из рис. 6.5.2, его значение существенно уменьшается при влажности 85—90%. На загрязненном изоляторе появление водяных капелек и искрения наблюдается раньше, чем образование росы на чистом изоляторе, т. е. раньше, чем может наблюдаться разница температуры между окружающей средой и поверхностью изолятора. Это означает, что степень увлажнения зависит от влажности, температуры, типа загрязнения и пути утечки тока.
Условия искусственного увлажнения, принятые в Исследовательском центре УВН, являются имитацией не естественного1 тумана, а всего процесса увлажнения, описанного выше. Учитывая, что в испытательной камере невозможно создать эффект радиации, применили систему генерации теплого пара с целью создания разности температур между окружающей средой и поверхностью изолятора, существующей в естественных условиях увлажнения. Процесс увлажнения изоляторов в паровом тумане показан на рис. 6.5.3. Такая искусственная система увлажнения хорошо имитирует естественный процесс увлажнения. Эта система может работать при температуре от 5 до 25°С.
Несмотря на то что при испытаниях в камере с туманом хорошо имитируется изменение поверхностного полного сопротивления, было необходимо доказать достоверность полученных результатов испытаниями в условиях естественного увлажнения.
Из-за ограниченного числа проведенных испытаний в условиях естественной влажности трудно сравнивать поверхностные пробивные напряжения по результатам этих двух методов испытаний. Однако имеющиеся данные показывают, что минимальные значения поверхностного пробивного напряжения хорошо согласуются. При всех испытаниях в условиях естественной влажности отмечалось, что до появления тумана все загрязненные изоляторы уже были влажными и на них наблюдалось искрение.
В целом искусственные условия увлажнения, принятые в Исследовательском центре УВН, хорошо имитируют возникновение росы или росы с туманом в природных условиях.

Рис. 6.5.3. Влажность Я, температура окружающей среды Т(А), температура поверхности изолятора T(S), удельное поверхностное электрическое г и переходное полное сопротивление Z изоляторов А-11, загрязненных смесью К-1 (40 г/л) при плотности солевого отложения 0,07 мг/см2 в течение испытаний в тумане (Исследовательский центр УВН).
1 — влага на чистых изоляторах; 2— роса на чистых изоляторах; 3 — свечение.
В испытаниях с искусственным туманом искрение обычно начинается через 40—60 мин после начала увлажнения и уменьшается после 100—110 мин. Из рис. 6.5.4 видно, что большинство поверхностных пробоев происходило через 60—110 мин. Кривая построена по 584 пробоям. В некоторых случаях, когда через 120 мин процесс искрообразования оставался большим, время испытаний доводилось до 180 мин. Однако поверхностные пробои, возникающие через 120 мин и более, составляют всего 1% общего числа.
Результаты анализа естественных загрязнений на изоляторах показывают, что наиболее распространенной из непроводящих материалов является пыль, обычно кварцевая [6,24]. Из проводящих загрязнений чаще других встречаются гипс и соль. Однако и другие проводящие вещества, которые нельзя было выделить обычным химическим анализом, могли при этом присутствовать, так как относительно низкое поверхностное пробивное напряжение некоторых образцов не может быть объяснено отложением одного гипса. Поэтому при испытаниях была применена смесь обычной соли NaCl с порошкообразной глиной разных сортов: каолина, Тоноко [6.22] и земли Фулера. Они были обозначены как К-1, К-2 и К-3. Результаты химического анализа этих материалов представлены в табл. 6.5.2.

Рис. 6.5.4. Интегральная кривая распределения времени до поверхностного пробоя t при испытаниях в тумане.
Земля Фулера (К-3), которая состоит из тонкого порошка и малых частиц глины, существенно отличается от других сортов глины. Чистый каолинит К-1 и каолинит Тоноко К-2 состоят из одинаковой порошкообразной глины и отличаются друг от друга отношением каолина к а-кварцу. Это приводит к различию физических свойств материалов: К-1 удерживает значительно больше воды на поверхности изолятора, чем К-2. В процессе увлажнения загрязнение типа К-2 обычно намокает быстрее, чем К-1. Как только появляется свечение изолятора, загрязнение начинает сходить вместе с каплями воды. Эффект свечения
Таблица 6.5.2

H В некоторых сортах каолина может присутствовать небольшое количество а-кварца.

на изоляторе, загрязненном смесью К-2, исчезает через 100 мин, в то время как на изоляторах с загрязнением типа К-1 он только уменьшается, но проявляется до конца испытания. Эти различия приводят к некоторой вариации разрядных напряжений.
Вероятность поверхностного пробоя загрязненных изоляторов. Поверхностное пробивное напряжение загрязненных гирлянд изоляторов зависит от числа гирлянд, соединенных параллельно. Вероятность поверхностного пробоя группы гирлянд определяется как
(6.5.1)
где р — вероятность поверхностного пробоя одиночной гирлянды; п — число гирлянд в группе.
Чтобы проверить справедливость этого выражения, были проведены экспериментальные исследования с гирляндами из 8 изоляторов типа А-11, соединенных в группу из 14 гирлянд. Среднеквадратическое отклонение для одиночной гирлянды принимается равным 8 и 10%. Результаты этих испытаний представлены на рис. 6.5.5, там же нанесены две рассчитанные кривые. Из рисунка видна тенденция характеристик поверхностного пробоя нескольких гирлянд. Несмотря на необходимость проведения большого числа испытаний для надежного обоснования полученных результатов, выполненная работа была крайне полезной, так как открыла важное свойство поверхностного пробоя при загрязнениях. Связь между поверхностным пробивным напряжением и числом гирлянд показана на рис. 6. 5. 6, где поверхностное пробивное напряжение представлено в виде отношения (процентного) к 50%-ному поверхностному пробивному напряжению одиночной гирлянды. Среднеквадратическое отклонение принято равным 10%- Выдерживаемое напряжение одиночной гирлянды, взятое с 5%-ной вероятностью поверхностного пробоя, составляет 84% от 50%-ного поверхностного пробивного напряжения одиночной гирлянды и существенно отличается от этого значения при большом числе гирлянд. Например, участок одноцепной линии длиной 16 км при четырех промежуточных опорах на 1,6 км будет иметь 120 вертикальных гирлянд. Для условий загрязнения выдерживаемое напряжение 120 гирлянд составит приблизительно 66% от 50%-ного поверхностного пробивного напряжения одиночной гирлянды.
Однако снижение поверхностного пробивного напряжения с увеличением числа гирлянд достигает «насыщения» в области 100 гирлянд. Например, различие в значениях выдерживаемого напряжения при 700 и 500 гирляндах составляет около 4%.

Это объясняет причину, почему поверхностное пробивное напряжение таких гирлянд обычно выше ожидаемого значения. Даже гирлянды, которые уже пробивались по поверхности, имеют поверхностное пробивное напряжение, равное 110—150% номинального фазного напряжения.
Все изложенное подчеркивает, что поверхностный пробой загрязненных гирлянд на линиях электропередачи происходит обычно при напряжениях меньших, чем при испытаниях в лаборатории.
Рис. 6.5.6. Отношение поверхностных пробивных напряжений группы гирлянд и одиночной гирлянды UT/U\ при среднеквадратическом отклонении 10% в зависимости от числа гирлянд п и вероятности пробоя.

Рис. 6.5.5. Вероятность поверхностного пробоя 14 гирлянд изоляторов Р в зависимости от напряжения на одном изоляторе U\.
1 — 14 гирлянд; 2— 1 гирлянда; 3 — минимум поверхностного пробивного напряжения.
Как видно из рис. 6.5.6, разница между 50%-ным поверхностным пробивным напряжением одиночной гирлянды и 120 гирлянд составляет 25%, поэтому представляется возможным принять, что 50%-ное поверхностное пробивное напряжение одиночных гирлянд или изоляторов, снятых с линии, приблизительно равно 135% номинального фазного напряжения.
В условиях «местных загрязнений» (см. § 6.3) нецелесообразно применять специальные меры из-за ограниченности числа загрязненных гирлянд, лучше решать эту проблему силами эксплуатации. Однако в условиях «пространственных загрязнений», когда они охватывают многие километры ВЛ, необходимо применять специальные меры на основе статистических расчетов, используя кривые рис. 6.5.6. Результаты испытаний в тумане должны быть представлены в виде вероятности поверхностного пробоя. Для одиночной гирлянды вероятность поверхностного пробоя определяется по 50%-ному поверхностному пробивному напряжению и среднеквадратическому отклонению.
В Исследовательском центре УВН большинство испытаний проводилось при соединении параллельно от двух до четырех загрязненных гирлянд. При этом существенно уменьшалось необходимое число испытаний, так как среднеквадратическое отклонение уменьшается с увеличением числа параллельных гирлянд. Применяя метод «вверх — вниз», получают 50%-ное поверхностное пробивное напряжение группы гирлянд, соединенных параллельно. Это значение связано с вероятностью поверхностного пробоя одиночной гирлянды, которая зависит от числа гирлянд в группе. Для двух — четырех гирлянд соответствует 12—25% вероятности поверхностного пробоя одиночной гирлянды. Принимая значение среднеквадратического отклонения равным, например, 10%, эти поверхностные пробивные напряжения можно преобразовать в 50%-ные поверхностные пробивные напряжения одиночных гирлянд.
Однако из-за недостаточной точности испытаний применить точную формулу оказалось невозможным. Поэтому обычно используемый термин «минимальное поверхностное пробивное напряжение» подразумевает напряжение, соответствующее 12—25% вероятности поверхностного пробоя. Возможное изменение напряжения, соответствующее вероятности поверхностного пробоя в диапазоне 12—15%, составляет ±3% при среднеквадратическом отклонении 10%. Получающаяся погрешность вполне приемлема, и дальнейшее увеличение статистической точности не повлияет на правильность решения.
Испытательные установки. Некоторые данные применявшихся установок для исследования загрязнений
Ё исследовательском центре УВН приведены в табл. 6.5.3.
Т а б л и ц а2 6.5.3

При испытаниях не наблюдалось значительного падения напряжения при свечении. В табл. 6.5.4 приведены измеренные значения импульсов тока утечки и соответствующего падения напряжения.
Таблица 6.5.4

Мощность используемых установок достаточна для испытания загрязнений.
Характеристика типов изоляторов в коротких гирляндах. С целью более полного изучения работы изоляторов в Исследовательском центре УВН были проведены испытания на поверхностный пробой многих типов изоляторов.
Так -как поверхностное пробивное напряжение нелинейно зависит от длины изоляции, о чем говорят результаты испытаний гирлянд, содержащих более 20 изоляторов типа А-11, эти испытания проводились на коротких гирляндах длиной не более 15 изоляторов типа А-11. Результаты испытаний приводились к строительной высоте изолятора типа А-И (146 мм), что позволило сравнивать испытанные типы изоляторов.
Изолятор А-11 — стандартный тип. Так как этот тип изолятора наиболее распространен в сетях США, имеется большой опыт его эксплуатации. Характеристики изолятора А-11 могут быть приняты в качестве меры условий загрязнения, и это лучше, чем такие
параметры, как эквивалентная плотность отложения соли или сопротивление 'пути утечки. Для уровня сегодняшних знаний не существует другого параметра, кроме поверхностного пробивного напряжения, которое характеризует все полевые условия. Одним из возможных способов оценки нового типа изолятора является сравнение

Рис. 6.5.7. Минимальное поверхностное пробивное напряжение Umin изолятора со строительной высотой 146 мм (типа А-11), загрязненного различными видами смесей, в функции плотности солевого отложения рс.о.
1 — V-образные гирлянды.

Рис. 6.5.8. Минимальное поверхностное пробивное напряжение Umin обычных изоляторов, загрязненных смесью К-1 (40 г/л), в функции плотности солевого отложения рс.о.
результатов его испытаний с эквивалентными характеристиками изолятора типа Л-11. Поэтому характеристики изолятора А-11 были тщательно изучены с применением загрязняющих смесей, содержащих три различных нерастворяемых материала. Результаты представлены на рис. 6.5.7. Приводится минимальное пробивное напряжение (t/min) одного изолятора со строительной высотой 146 мм. Характеристики V-образных поддерживающих гирлянд приблизительно на 25—30% выше, чем у вертикальных. Как видно из рис. 6.5.7, влияние количества нерастворимого материала существенно, в то же время различие физических свойств нерастворимых материалов (К-1, К-2, К-3) не влияет заметно на характеристики поверхностного пробоя.
Изоляторы обычного типа. Было произведено сравнение характеристик восьми типов изоляторов при загрязнении смесью К-1 с 40 г/л. Результаты представлены на рис. 6.5.8. Изоляторы типа В имеют относительно глубокие юбки с большим расстоянием между ними, в то время как юбки изоляторов типа С отстоят друг от друга на небольшое расстояние. Изолятор типа D существенно отличается от рассмотренных и имеет внешнюю юбку больше, чем некоторые (противотуманные изоляторы.
Несмотря на конструктивные отличия, для указанных изоляторов не выявилось значительного превосходства над изолятором типа А-11. Лучшие характеристики оказались у изолятора типа А-12, который имеет такой же диск, как и А-11, и строительную высоту 130 мм. Поэтому было сделано заключение, что, изменяя конфигурацию изолятора без существенного увеличения коэффициента а, можно добиться лишь незначительного улучшения его характеристик загрязнения.
Противотуманные изоляторы. Были исследованы характеристики 16 типов противотуманных изоляторов. Типы F, G, К и L обычно называют «типами с большим путем утечки» или «глубокоребристыми». Все изоляторы этих типов, за исключением типа G, похожи по форме друг на друга. Изолятор типа G имеет глубокие юбки, что 'позволяет лучше использовать эффект высушивания от токов утечки. Механическая прочность изоляторов типов К и L лежит в диапазоне от 114 до 550 кН. Изоляторы типов М и N имеют традиционную конструкцию с большой и глубокой внешней юбкой. На рис. 6.5.9. показаны результаты исследований при применении загрязняющей смеси К-1 (40 г/л), а на рис. 6.5.10 — смеси К-2 (40 г/л). На обоих рисунках для сравнения приведены характеристики изолятора типа А-11.
Из рис. 6.5.9. видно, что изоляторы с диаметром диска более 280 мм лучше обычных изоляторов, имеющих диаметр диска 254 мм. Однако есть и исключения, например изоляторы типов N-3, N-5 и К-2, наличие которых можно объяснить различием формы. На изоляторах типа К-2 в процессе свечения часто наблюдались частичные разряды между двумя или тремя юбками, что показывает на ненормальное распределение напряжения по изолятору* Характеристики изоляторов типа N-3 были существенно улучшены после увеличения их строительной высоты (табл. 6.5.5). Изолятор типа L-5 (550 000 Н) имеет особенную характеристику при солевых отложениях низкой плотности. Это объясняется образованием частичных разрядов с шапки на внешние юбки, что приводит к укорачиванию путей утечки.

Рис. 6.5.9. Минимальное поверхностное пробивное напряжение Umin противотуманных изоляторов, загрязненных смесью К-1 (40 г/л), в функции плотности солевого отложения Рс.о*

Рис. 6.5.10. Минимальное поверхностное пробивное напряжение Umin противотуманных изоляторов, загрязненных смесью К-2 (40 г/л), в функции плотности солевого отложения рс.о.
Причиной таких разрядов явилось чрезмерное увеличение размеров шапки, что в свою очередь объясняется трудностями, с которыми приходится сталкиваться при разработке очень тяжелых изоляторов.
Из рассмотрения кривых на рис. 6.5.9. видно, что качество противотуманных изоляторов не всегда зависит от длины пути утечки и что конфигурация изолятора в этом случае является более важным фактором.
Пробивное напряжение изоляторов типов 0-11 и L-1 при использовании смеси К-2 (40 г/л) достигает 125% по сравнению с пробивным напряжением при смеси К-1 (40 г/л), если плотность солевого отложения

Рис. 6.5.11. Минимальное поверхностное пробивное напряжение Umin изоляторов типов А-11, С-4, М-4 и 0-11, загрязненных смесью К-1 (80 г/л), в функции плотности солевого отложения Ос.о-
составляет 0,025 мг/см2, и 115% при 0,05 мг/см2. С другой стороны, поверхностное пробивное напряжение изоляторов типа G-2 при использовании смеси К-2 снижается до 95% по сравнению со смесью К-1. Это различие, очевидно, объясняется свойством смеси К-2 быстро намокать и падать с поверхности изолятора.

Рис. 6.5.12. Минимальное поверхностное пробивное напряжение Umin опорных изоляторов Р (в сравнении с изоляторами А-11, Т-2, S-1 и R-1) в функции плотности солевого отложения рс.0.

На рис. 6.5.11 представлены характеристики изоляторов некоторых типов в условиях тяжелых пылевых загрязнений, имитированных смесью К-1 (80 г/л). В та ких условиях пробивное напряжение изолятора А-11 снижается и составляет 80% напряжения изоляторов, загрязненных смесью 40 г/л. Напряжение для других типов изоляторов снижается только до 90%.
Изменение характеристик изоляторов, вызванное наличием нерастворимых материалов, может наблюдаться в полевых условиях. Этим же можно объяснить разброс характеристик изолятора в различных условиях эксплуатации.
Длинностержневые и опорные изоляторы. Было проведено сравнение поверхностных пробивных напряжений четырех типов длинностержневых изоляторов и одного опорного изолятора при загрязнении смесью К-1 (40 г/л). Результаты испытаний представлены на рис. 6.5.12. Соотношения -пробивных напряжений испытанных изоляторов и стандартного изолятора А-11 приведены ниже.
Изолятор Т-2 S-l R-l Р-1
Unр, «/о.. 100 96 75 75
Характеристики изоляторов в V-образных гирляндах. Было найдено, что характеристики изоляторов типа А-11 в V-образных гирляндах значительно лучше, чем в обычных подвесных. Однако некоторые противотуманные изоляторы, имеющие большие диски, в V-образных гирляндах не показывают такого существенного улучшения поверхностного пробивного напряжения. Результаты испытаний V-образных гирлянд представлены в табл. 6.5.6, из которой видно, что изоляторы, имеющие более простую конфигурацию, имеют лучшие свойства в V-образных гирляндах. Использование в таких гирляндах изоляторов типа А-11 более эффективно, чем применение многих типов противотуманных изоляторов в подвесных гирляндах.

Таблица 6.5.

Изоляторы с полупроводящей глазурью. Был испытан только один тип изоляторов с полупроводящей глазурью — Х-2. Рабочее напряжение изолятора 10—13 кВ. При таком напряжении ток утечки, который нагревает изолятор и поддерживает поверхность сухой, составляет приблизительно 1 мА. Испытания в тумане и при дожде выявили его превосходные качества. Даже при солевых загрязнениях плотностью до 0,5 мг/см2 свечение не возникало. Эти изоляторы следует использовать в условиях сильных загрязнений.

Сравнение с испытаниями в соленом тумане. Некоторые типы изоляторов были ранее испытаны в ряде лабораторий в различных условиях, в том числе и в соленом тумане. В докладе СИГРЭ [6.11] дана оценка четырех типов изоляторов. В табл. 6.5.7 приводится ряд качества изоляторов по данным этого доклада и результатам испытания в Исследовательском центре УВН. Так как результаты испытаний в соленом тумане были представлены в виде выдерживаемой засоленности, а результаты испытаний в условиях естественного загрязнения — в функции времени до поверхностного пробоя (месяцы), трудно производить прямое сравнение результатов работы СИГРЭ и Исследовательского центра УВН. Однако оценка разных типов изоляторов для обоих случаев совпадает.
Нелинейность зависимости электрической прочности от длины гирлянды изоляторов. Уже в ранних работах Исследовательского центра УВН отмечалась нелинейная зависимость электрической прочности от длины изоляции.
Таблица 6.5.7

Гирлянды изоляторов — большими дисками, которые обычно имеют большую шапку и высокую механическую прочность, обладают меньшей нелинейностью, чем гирлянды из стандартных изоляторов типа А-11. С другой -стороны, длинностержневые изоляторы с очень малой -емкостью между шапками обладают большей нелинеййостъю. Это следует объяснить неравномерным распределением напряжения по таким гирляндам.
Подобное явление предсказывалось ранее. Предположения основывались на результатах исследования на ЭВМ динамической модели длинных гирлянд изоляторов, в которых учитывались эффект подсушивания, изменение поверхностного электрического сопротивления и емкости между изоляторами и относительно земли. В то время у исследователей было твердое убеждение, что пробивное напряжение изоляции пропорционально ее длине (основанное в основном на результатах испытаний в соленом тумане и при увлажненном загрязнении) и что экранные -кольца или расщепленная фаза не влияют на пробой при загрязнении.
Результаты испытаний Исследовательского центра УВН подтвердили, что нелинейность электрической прочности загрязненных изоляторов объясняется неравномерным распределением напряжения. Причиной этого является влияние заземленных частей конструкции. Это положение было проверено экспериментально. Применение экранирующих колец на конце гирлянды существенно улучшает распределение напряжения и повышает поверхностное пробивное напряжение. С другой стороны, влияние земли способствует неравномерному распределению напряжения и снижению поверхностного пробивного напряжения. При неравномерном распределении напряжения изоляторы, находящиеся под меньшим напряжением, быстрее намокают и их полное сопротивление снижается, в то время как изоляторы, находящиеся под большим напряжением, остаются сухими и имеют высокое полное сопротивление. Неравномерность распределения напряжения сохраняется и приводит к нелинейной зависимости электрической прочности. Результаты этих испытаний приведены в табл. 6.5.8. На рис. 6.5.13 показано влияние экранирующего кольца и наличия земли на распределение напряжения. На рис. 6.5.14 показано свечение гирлянды при диагональном экране.

* При наличии экранирующего кольца.
** С дополнительной землей.
Примечание. Uпр тип — минимальное поверхностное пробивное действующее напряжение, кВ; UПр Ш(-П1 — то же на единицу длины данной гирлянды в процентах Uпр min на единицу длины короткой гирлянды.
Следует ожидать существенного разброса экспериментальных данных, полученных в разных лабораториях, ввиду присущих каждой из них условий испытаний. С этим столкнулись при сравнении результатов испытаний загрязненных гирлянд изоляторов А-11 в камерах СВН и УВН. На рис. 6.5.15 представлены зависимости поверхностных пробивных напряжений от длины гирлянды. В камере СВН у гирлянд, состоящих из 25 и более изоляторов типа А-11, наблюдалось «насыщение» поверхностного пробивного напряжения. В камере УВН в гирляндах даже с 50 изоляторами наблюдается небольшая линейность. Поэтому трудно судить о работе гирлянд изоляторов на реальных опорах, используя обычные лабораторные испытания, в которых не имитировалось влияние самой опоры. По таким же причинам нельзя надежно оценить электрическую прочность гирлянды на опоре при коммутационных перенапряжениях без полномасштабных испытаний изоляции для ВЛ СВН и УВН.
Полномасштабные испытания. Такие испытания были проведены для V-образных поддерживающих гирлянд длиной до 9,7 м в камере УВН. На открытом стенде были испытаны в условиях естественной

Рис. 6.5.13. Падение напряжения U на изолятор G-2 в гирлянде (в процентах от приложенного напряжения к гирлянде) в зависимости от числа изоляторов в гирлянде и номера изолятора п (результаты испытаний на установке СВН).
Рис. 6.5.14. Свечение на гирлянде изоляторов типа G-2 с экраном, усиливающим неравномерность распределения напряжения.
а — испытания в условиях естественной влажности; б — испытания в камере тумана.


1 — заземленный конец; 2 — с защитным кольцом; 3 — с заземленной поверхностью.

влажности V-образные поддерживающие гирлянды длиной до 10,8 м. На рис. 6.5.16 показано расположение двух V-образных гирлянд в камере УВН. Гирлянды были окружены конструкцией, имитирующей тело опоры (рис. 6.5.17).

Рис. 6.5.15. Минимальное поверхностное пробивное напряжение Umin гирлянды изоляторов обычного типа при загрязнении смесью К-1 (40 г/л) и плотности солевого отложения 0,07 мг/см2 в зависимости от числа изоляторов в гирлянде п.
1 —линейная экстраполяция; 2— СВН; 3 — УВН.
Так как лабораторные испытания в тумане должны проводиться при напряжении большем, чем выдерживаемое напряжение линии электропередачи при тех же условиях загрязнения (из-за повышенной вероятности поверхностного пробоя гирлянды при большом их числе), испытания гирлянд УВН осуществить нелегко.
Одиночная гирлянда УВН должна выдерживать 635 кВ при линейном напряжении системы 1100 кВ, при этом ее 50%-ное поверхностное пробивное напряжение будет 950 кВ (по результатам испытаний в камере). Поэтому испытания гирлянд УВН были проведены следующим образом:

1. гирлянда испытывалась до наибольшего ожидаемого напряжения при загрязнении большем, чем ожидается в эксплуатации;
2. испытывалась более короткая гирлянда при всех условиях загрязнения с целью получения зависимости поверхностного пробивного напряжения от условий загрязнения;
3. производилась экстраполяция кривой, полученной по данным п. 1, на более низкие уровни загрязнения с использованием данных испытаний по п. 2.

Такая процедура испытаний практически единственно возможная для получения приемлемой точности результатов (±10%).

Испытательная установка УВН с двумя V-образными гирляндами.

Рис. 6.5.17. Имитация окна опоры для V-образной гирлянды из 50 изоляторов А-11.
1 — деревянная опора; 2—8 проводов длиной 7,5 м.

Рис. 6.5.18. Свечение на изоляторах в испытательной установке УВН.
Как уже указывалось выше, свечение начинается в нижней части гирлянды и развивается вверх. Иногда наблюдаются частичные поверхностные пробои трех или четырех изоляторов в нижней части гирлянды. Это является признаком нелинейного распределения напряжения. Типичный пример такого процесса показан на рис. 6.5.18.

Рис. 6.5.19. Минимальное поверхностное пробивное напряжение U гп in V-образной гирлянды в функции ее длины /.
На рис. 6.5.19 дана зависимость поверхностного пробивного напряжения от числа изоляторов в V-образной гирлянде. Из рисунка видно, что она отличается большей нелинейностью при изоляторах типа А-И по сравнению с изоляторами типов К-3 и К-4, имеющих большой диаметр дисков. Существенным фактором является пересечение кривых для изоляторов К-3 и К-4 при длине гирлянды 5 м и условиях загрязнения 0,15 мг/см2. В коротких гирляндах изоляторы К-3 предпочтительнее изоляторов К-4. Это объясняется различием их строительной высоты. Для длинных гирлянд существенное влияние имеет нелинейность, характерная для изоляторов К-3. Этот факт подчеркивает необходимость тщательного пересмотра расчетного критерия изолятора, так чтобы уменьшить его строительную высоту.
Характеристики гирлянд изоляторов А-11 разной длины показаны на рис. 6.5.20, а на рис. 6.5.21 представлены аналогичные зависимости для изоляторов К-3 и К-4. Нелинейность характеристик гирлянд изоляторов А-11 увеличивается в условиях слабых загрязнений и проявляется в большей степени в V-образных поддерживающих гирляндах.
Все полученные данные представлены в табл. 6.5.9. На рис. 6.5.22 показана зависимость коэффициента нелинейности для разных типов изоляторов. Все испытанные изоляторы по признаку нелинейности можно подразделить на три группы:

* В числителе C/npmi„, в знаменателе %т;я ** Данные, полученные по результатам испытаний со смесью 80/200.
*** При естественной влажности для гирлянды длиной 11 м.
**** j0 же для qj м
Примечание. Условия загрязнения: каолин 40 г/л, 0,15 мг/см2.
Наименьшая линейность соответствует изоляторам группы I и большая — группе III. Это наглядно характеризует преимущество применения изоляторов с большими дисками в установках УВН.