Глава VIII
ИЗОЛЯЦИЯ АППАРАТОВ ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ
§ VIII.1. УСЛОВИЯ РАБОТЫ ИЗОЛЯЦИИ И ТРЕБОВАНИЯ К НЕЙ
Аппараты высокого напряжения могут работать в самых различных условиях, и к этим условиям должна быть приспособлена их изоляция. Аппараты могут применяться в закрытых помещениях и на открытом воздухе, на большой высоте над уровнем моря, в районах с загрязненной атмосферой, при высоких и низких температурах и т. п. В соответствии с этими условиями выдвигаются различные требования к изоляции аппаратов.
Весьма важно, чтобы изоляция была способна длительно работать при наибольшем номинальном напряжении и была способна выдерживать без повреждений возможные по условиям эксплуатации перенапряжения. Как известно, перенапряжения могут быть грозовые и коммутационные. Каждый из этих видов перенапряжений предъявляет свои требования к изоляции аппаратов.
Далее, изоляция может соприкасаться с токоведущими частями аппарата и нагреваться от них. Изоляторы, работающие на открытом воздухе, могут нагреваться солнцем, и их температура может превосходить ту, которая определяется нагреванием от токоведущих частей. При работе в районах с низкой температурой может застывать масло в масляных выключателях, конденсироваться элегаз в выключателях, уменьшать свою механическую прочность арматура изоляторов. Резкие перемены температуры особенно вредно действуют на изоляторы и могут даже вызвать их разрушения.
Таким образом, к изоляции предъявляется требование, чтобы она была способна выдерживать те температурные воздействия, которым она может подвергаться в эксплуатации.
На изоляцию аппаратов, в частности на изоляторы, могут воздействовать различные механические силы, например электродинамические, натяжения подводящих проводов, давления ветра на открытых установках. В некоторых изоляционных деталях (тяги выключателей, изолирующие валы, изолирующие рычаги) могут действовать растягивающие, сжимающие и изгибающие силы. Очевидно, изоляция должна быть в состоянии выдерживать без повреждений воздействующие на механические силы.
Большим разнообразием отличаются атмосферные воздействия на изоляцию aппаратов. Казалось бы, не приходится говорить о каких- либо опасных или хотя бы вредных атмосферных воздействиях на аппараты, работающие в закрытых помещениях. Однако и в этом случае необходимо учитывать изменения температуры и давления опекающего воздуха. Если аппараты работают в неотапливаемых помещениях, то при внезапном потеплении атмосферного воздуха, бывшего ранее холодным (при температурах, близких к нулю), на поверхности изоляторов может выпасть роса, которая снижает разрядное напряжение изоляторов.
При работе аппаратов на открытом воздухе приходится считаться с воздействием изменений температуры и давления воздуха, а также воздействием дождя и снега, особенно в районах с загрязненной атмосферой. Изоляция аппаратов должна выдерживать все эти атмосферные воздействия.
Нельзя требовать, чтобы изоляция была в состоянии выдерживать все вышеуказанные условия независимо от их интенсивности. Поэтому действующие в СССР ГОСТы устанавливают определенные электрические, механические, тепловые и атмосферные требования, которым должна удовлетворять изоляция аппаратов. Электрические требования к изоляции устанавливает ГОСТ 1516—68. В нем указаны испытательные и выдерживаемые напряжения промышленной частоты и импульсные испытательные напряжения.
Испытательным напряжении промышленной частоты называется напряжение, которое аппарат (или изолятор) должен выдерживать в течение 1 мин; выдерживаемым напряжением — напряжение, которое должна выдерживать внешняя изоляция аппарата при плавном подъеме напряжения до установленной ГОСТом величины, после чего его плавно снижают.
Импульсным испытательным напряжением называется амплитуда импульсного напряжения заданной формы (1,5/40 мксек), которую должна выдерживать изоляция аппаратов при воздействии трех импульсов. Такое же испытание должно производиться при срезанной волне.
Аппараты и изоляторы считаются выдержавшими испытание, если во время него не наблюдалось пробоя или повреждения внутренней изоляции, частичных разрядов в масле и разрядов по внешней изоляции.
Важнейшее предъявляемое к изоляции аппаратов требование — чтобы ни при каких воздействиях, вплоть до испытательных, она не пробивалась. Изоляция не должна пробиваться и при сухоразрядном напряжении промышленной частоты, а также при импульсном разрядном напряжении, превышающем испытательные напряжения. Для успешной работы изоляции необходимо, чтобы пробивное напряжение было выше сухоразрядного и импульсного разрядного напряжений, т. е., чтобы существовал некоторый запас на пробой. Разряд по поверхности внешней изоляции представляет собой явление, которое быстро ликвидируется отключением аварийного участка установки, после чего АПВ восстанавливает подачу энергии. Пробой изоляции — серьезная авария, требующая ремонта или замены аппарата.
Запас на пробой имеет величину порядка 1,24-1,6. По ГОСТу пробивное напряжение изоляторов при испытании с плавным подъемом напряжения должно быть больше выдерживаемого внешней изоляции в сухом состоянии не менее, чем в 1,2 раза для изоляции с основной жидкой или бумажно-масляной изоляцией; в 1,3 раза для изоляторов с полужидкой или пластичной основной изоляцией (компаундированные изоляторы); в 1,6 раза для изоляторов с основной твердой изоляцией.
Заметим, что особенно важно обеспечивать высокий коэффициент запаса на пробой в аппаратах, содержащих масло. При пробое масла сопровождающая пробой дуга вызывает испарение и разложение масла, связанное с повышением давления внутри аппарата, что может привести к взрыву аппарата и пожару.
В тепловом отношении к изоляторам предъявляется требование, чтобы они работали при наивысшей температуре окружающего воздуха 35—40°, а в тропических районах — до 60°. Они должны работать при наинизшей температуре до минус 45°, а в северных районах — до минус 60—70°. В последнем случае возникает опасность повреждения арматуры изоляторов вследствие хладноломкости стали и чугуна, так как при низких температурах они становятся хрупкими, хотя их предел прочности может даже возрастать. Однако их ударная вязкость при этих условиях значительно падает, и при ударных нагрузках стальные и чугунные детали могут разрушаться. Это необходимо учитывать при проектировании аппаратов.
Большую опасность для фарфоровых изоляторов представляют резкие смены температуры. Вследствие разницы температурных коэффициентов расширения арматуры, цемента и фарфора в изоляторах возникают значительные механические напряжения, которые могут вызвать разрушение фарфора. Поэтому к изоляторам предъявляется требование теплостойкости, т. е. способности выдерживать резкие смены температуры без повреждений.
Проверка теплостойкости фарфоровых изоляторов производится следующим образом. Аппаратные армированные фарфоровые изоляторы нагреваются в горячей воде до температуры 80—90° в течение t = 15 + 0,7 G (G — вес изолятора в килограммах), но не более 60 мин, а затем погружаются в холодную воду с температурой на 70° ниже. Такое испытание изолятор должен выдержать дважды. Для крупных изоляторов (диаметром 400—750 мм и толщиной стенки до 50 мм) перепад температуры уменьшается до 60°, а для еще более крупных — не нормируется.
Поскольку в настоящее время начинают широко применяться стеклянные изоляторы, следует указать на особенности испытания на термостойкость таких изоляторов. По ГОСТу эти изоляторы должны выдерживать без повреждений испытание пятикратным циклом резких изменений температуры при перепаде в 70°.
Кроме электрических и тепловых требований к изоляторам предъявляется требование достаточной механической прочности. Изоляторы аппаратов не должны разрушаться или повреждаться при всех допустимых механических нагрузках. ГОСТ устанавливает разрушающие механические нагрузки для изоляторов на номинальные напряжения до 220 кВ. При более высоких номинальных напряжениях разрушающие нагрузки изоляторов устанавливаются специальными техническими условиями. Зная разрушающую механическую нагрузку, можно определить их рабочую или эксплуатационную нагрузку Обычно принимается, что рабочая нагрузка изоляторов не должна быть более 1/3 их разрушающей нагрузки.
