Линии электропередачи 345 кВ и выше - Расчет изоляции при загрязнениях

При расчете изоляции электропередачи в условиях загрязнения важно знать степень загрязнения местности, в которой идет строительство.
Эквивалентная плотность солевого отл ожени я. Степень естественного загрязнения, например морской солью, оценивается по отложению соли, снятому с поверхности изоляторов. Поверхность изоляторов обмывается водой с низкой проводимостью, а количество соли определяется измерением проводимости (или удельного сопротивления) смытой воды. Результат обычно представляется в виде плотности отложения соли NaCl (мг/см2), так как в таких загрязнениях именно она является основным проводящим материалом. Такие измерения рекомендуется проводить отдельно на верхней и нижней частях изоляторов. Обычно условия загрязнения нижней части поверхности используются   как независимая переменная, а верхней — как параметр (рис. 6.7.1).

Рис. 6.7.1. Минимальное поверхностное пробивное напряжение Umin на изоляторе типа А-11 со строительной высотой 146 мм, неравномерно загрязненном смесью К-1 (40 г/л), в функции плотности солевого отложения ре.о на нижней поверхности.
Р — нижняя поверхность чисто вымыта, Q — верхняя часть поверхности загрязнена, рс в 4 раза больше, чем внизу; 1 — обычные условия; 2 — верх 0,005 мг/см2; 3 — верх 0,04 мг/см2.
Верхняя часть поверхности меньше влияет на характеристику загрязнения, чем нижняя, в которой сосредоточена большая часть пути утечки. Как следует из рис. 6.7.1, на котором представлена характеристика стандартного изолятора типа А-11 при некоторых неравномерных условиях загрязнения, изоляторы, верхняя поверхность которых вычищена (плотность солевого отложения только 0,005 мг/см2), показывают увеличение поверхностного пробивного напряжения до 115%, а когда вычищена нижняя поверхность — до 180%.
Эти проценты берутся по отношению к равномерно загрязненным изоляторам.
Как следует из § 6.3, промышленные загрязнения содержат большое количество различных веществ. Химический анализ в первую очередь должен производиться с целью изучения состава отложения на поверхности изоляторов. При исследованиях промышленных отложений используют тот же метод, что и при исследовании морских, несмотря на некоторые трудности, а именно — метод смывания отложений водой. Степень загрязнения обычно выражается количеством поваренной соли NaCl, которое создает ту же проводимость что и смытая вода. Эта величина является «эквивалентной плотностью отложения соли NaCl». Однако она не является единственным параметром, характеризующим все типы промышленных загрязнений.

Очень редко загрязнение изоляторов разными веществами характеризуется одинаковой, эквивалентной плотностью отложения соли. Это объясняется различием гигроскопичности загрязнений. Например, растворимость гипса — 2%, а поваренной соли — 40%. Поверхность изолятора, загрязненная гипсом, имеет меньшую проводимость, чем загрязненная поваренной солью, так как количество воды, находящейся на поверхности, недостаточно, чтобы растворить весь гипс. Однако гипс полностью растворяется в том количестве воды, которое используется при смывании осадка в измерениях эквивалентной плотности солевого отложения.
Поэтому для каждого промышленного загрязнения необходимо определять «действительную эквивалентную плотность солевого отложения». Эта задача может быть решена только путем проведения тщательных химических анализов и испытаний на поверхностный пробой образцов изоляторов, снятых с ВЛ.
Как для морских, так и для промышленных загрязнений разброс эквивалентной плотности солевого отложения обычно бывает большим. Среднеквадратическое отклонение ее по некоторым данным для измерения в одной точке составляет приблизительно 30%. Это означает, что для точной статистической оценки условий загрязнений необходимо провести измерения на большом числе изоляторов.
Карта загрязнений. Желательно составить карту загрязнений аналогично картам молний. Это требует проведения интенсивных исследований больших территорий в течение нескольких лет, так как интенсивность загрязнений зависит от таких погодных условий, как скорость и направление ветра, выпадение осадков и др. Конечно, при изучении погодных условий есть много неясного.
Особо необходимо подчеркнуть, что большое число поверхностных пробоев при загрязнениях в прошлом вызывалось необычными погодными условиями, сильными солевыми бурями или длительными засухами, при которых загрязнения аккумулируются [6.33, 6.34].
Уровень промышленных загрязнений зависит от активности промышленности в районе энергосистемы. Внедрение службы охраны чистоты воздуха могло бы резко снизить уровень искусственных загрязнений.
Известно, что прогнозирование условий загрязнения— сложная и трудоемкая задача. В одной стране карта загрязнений пересматривалась трижды в течение 10 лет.

Рис. 6.7.2. Поверхностное пробивное напряжение для 120 гирлянд из стандартных изоляторов при загрязнениях типа К-1 (40 г/л) в функции плотности солевого отложения Рс.о-
V — V-образные гирлянды; Т — поддерживающие вертикальные гирлянды.
Обычный метод. Исходя из экономических соображений в США трудно организовать интенсивное изучение условий загрязнений по описанному выше методу. Поэтому в настоящее время можно прогнозировать условия загрязнения только на основе изучения опыта эксплуатации линий, проходящих по исследуемой территории или вблизи нее.

Характеристики загрязнения лучше рассматривать для большого числа параллельных гирлянд изоляторов. Как уже указывалось выше, поверхностный пробой можно прогнозировать, например, на основе испытания 120 гирлянд. Такое число гирлянд обычно приходится на 16 км ВЛ. Критическое поверхностное пробивное напряжение (U5о%) для 120 гирлянд, состоящих из 15—50 стандартных изоляторов, можно приближенно определить по кривым на рис. 6.7.2. Эти кривые определены Экстраполяцией и интерполяцией опытных данных, полученных в Исследовательском центре УВН при 10%-ном среднеквадратическом отклонении. Используя их, получаем для ВЛ 362 кВ с подвесными гирляндами из 18 изоляторов типа А-11 уровень загрязнения, вызывающий поверхностный пробой, около 0,04 мг/см2. поверхностный пробой ВЛ 550 кВ, имеющей в подвесной гирлянде 25 изоляторов типа А-11, возможен при плотности отложений 0,025 мг/см2, а при 25 изоляторах в V-образных гирляндах — 0,04 мг/см2.
Необходимо отметить, что поверхностное пробивное напряжение изолятора типа А-11 при плотности солевого отложения 0,025 мг/см2 по лабораторным испытаниям коротких гирлянд составляет более 20 кВ. Это значение составляет 170% от 12,6 кВ — среднего напряжения на изолятор на ВЛ 550 кВ при 25 изоляторах в гирляндах. Такое различие определяется как вероятностью поверхностного пробоя большого числа параллельных гирлянд, так и нелинейной зависимостью электрической прочности от длины. Следует отметить, что на ВЛ могут происходить поверхностные пробои при небольших загрязнениях. Для ВЛ 550 кВ с гирляндой изоляторов V=35 с местными очагами загрязнения опасный уровень считается равным 0,07—0,1 мг/см2. Эти условия идентичны загрязнениям, которые вызвали поверхностный пробой на ВЛ 362 кВ при гирляндах изоляторов Т-25.
Зная, что линии электропередачи в США обычно работают в легких условиях загрязнения, можно выделить разные уровни загрязнений по действительной эквивалентной плотности солевого отложения:

Необходимо отметить, что эти значения действительной эквивалентной плотности солевого отложения соответствуют пылевым загрязнениям, эквивалентным смеси каолина 40 г/л. Для более тяжелых условий необходимо использовать кривые, полученные по результатам испытаний при более высокой плотности запыления. Большинство линий электропередачи в США расположено в районах, соответствующих уровню 2, поэтому Нет необходимости в рассмотрении более тяжелых условий в общем обзоре.
Отложение различно для разных типов изоляторов и конфигураций гирлянд. При морских загрязнениях Наибольшие отложения возникают на стандартных изоляторах, в то время как у большинства других типов изоляторов плотность отложения составляет приблизительно 60—70% (по сравнению со стандартным типом [6.32]), однако из-за малой изученности этого явления в США этот фактор в дальнейшем не учитывается.

Выбор изоляторов. Так как с увеличением длины гирлянды проявляется нелинейность электрической прочности, следует стремиться ограничиться минимальной длиной. По этой причине для линий УВН следует выбирать изоляторы, характеристики которых мало ухудшаются при загрязнениях.

Рис. 6.7.3. Выдерживаемое напряжение Uв (5%-ный поверхностный пробой) для гирлянд из обычных и противотуманных изоляторов,           загрязненных
пылью с уровнем загрязнения К-1 (40 г/л), в функции плотности солевого отложения рс.0.
1 — противотуманные изоляторы.
В соответствии с выводами § 6.5 отношение электрической прочности противотуманных и стандартных изоляторов составляет 1,0—1,2, а при сильных загрязнениях стандартных изоляторов оно достигает 1,35. Однако когда стандартные изоляторы используются в V-образных гирляндах, их характеристики приближаются к характеристикам лучших противотуманных изоляторов (это справедливо только для коротких гирлянд).
Так как противотуманные изоляторы обладают меньшей нелинейностью, имеются преимущества их использования в длинных гирляндах. Применение противотуманных изоляторов рекомендуется также для линий УВН при слабых загрязнениях.
Выбор изоляции. 50%-ное поверхностное пробивное напряжение 120 гирлянд (см. рис. 6.7.2) может быть приведено к любой другой вероятности поверхностного пробоя, если принять среднеквадратическое отклонение равным 10%.
Кривые, показанные на рис. 6.7.3, рассчитаны как выдерживаемое напряжение, т. е. напряжение, соответствующее 5%-ной вероятности поверхностного пробоя для 120 гирлянд. Такое число гирлянд достаточно при рассмотрении местных загрязнений. Помимо кривых для стандартных изоляторов, на рис. 6.7.3 приведены кривые для противотуманных изоляторов К-3 и К-4. Длина гирлянды из противотуманных изоляторов обычно выражается количеством стандартных изоляторов, строительная высота которых составляет 146 мм Поэтому длину гирлянды можно рассчитать умножением числа изоляторов на 146 мм. Число противотуманных изоляторов в гирлянде можно получить, разделив длину гирлянды на строительную высоту изолятора (198 мм для К-3, 220 мм для К-4).
Используя кривые на рис. 6.7.3, можно определить уровень загрязнения для выбранных значений линейного напряжения и длины гирлянды. Требуемое число изоляторов для ВЛ разных напряжений определяется по табл. 6.7.1, где приведены рекомендуемые параметры для рабочих напряжений от 345 до 1050 кВ.
Таблица 6.7.1

* Изоляторы стандартного типа.
** Противотуманные, предназначаются для использования на УВН (тяжелые изоляторы большого диаметра) и на СВН (более легкие).
*** Изоляторы с полупроводящей глазурью.
Примечание. Число в типе гирлянды означает число стандартных изоляторов строительной высотой 146 мм.
В табл. 6.7.2 представлены длины этих гирлянд и размер промежутков между проводом и опорой.
Расстояние между проводом и опорой рассчитывалось с учетом металлической подвески длиной 90 см для гирлянд и диаметра расщепленной фазы 125 см.

Использование данных табл. 6.7.1 особенно полезно, когда есть сведения о поверхностных пробоях на линиях СВН (со стандартными изоляторами), проходящих по соседству с трассой будущей линии. Например, рекомендуется на ВЛ 1050 кВ использовать V-образные подвесные гирлянды длиной более 7,8 м (V=50) из противотуманных изоляторов, если на близлежащих линиях 550 кВ (25 стандартных изоляторов в гирляндах, Т=25) наблюдались поверхностные пробои при загрязнениях. Некоторые кривые на рис. 6.7.3. для условий очень легких загрязнений могут быть экстраполированы до линейных напряжений более чем 1100 кВ. Данные табл. 6.7.1 не включают напряжение 1500 кВ; для этого уровня необходимо проводить дальнейшие исследования.
При изучении табл. 6.7.1 можно видеть, что применение изоляторов с полупроводящей глазурью для передач 1050 кВ оказывается эффективным только при средних и сильных загрязнениях; чтобы не превысить фиксированное напряжение на отдельный изолятор, необходимо иметь минимальную длину гирлянды 8,6 м.
Следует ожидать, что в ближайшем будущем появятся более совершенные противотуманные изоляторы. Поэтому станет возможным снизить длину гирлянд даже при традиционных методах их выбора. Последние исследования изоляторов с полупроводящей глазурью показали, что можно существенно сократить длины гирлянд, используя комбинацию специальных глазурей и форм изоляторов. Это должно быть решением проблемы выбора изоляции УВН для условий сильных загрязнений, хотя характеристики изоляторов с полупроводящей глазурью должны быть тщательно проверены в полевых условиях.
Наконец, интересно сравнить воздушные промежутки для систем 1050 кВ, определяемые условиями коммутационных перенапряжений и загрязнением. Например, по условиям коммутационных перенапряжений расстояние между проводом и опорой должно быть не менее 7—8 м. Этого расстояния достаточно для длинных гирлянд, чтобы выдержать «очень легкие» и «легкие» загрязнения. Для «средних» и «тяжелых» загрязнений расстояния требуются большие, чем по условиям коммутационных перенапряжений.