При работе изоляторов в районах с загрязненной атмосферой их поверхность покрывается осадками, которые под влиянием увлажнения дождем или росой становятся более или менее проводящими. Как видно из рис. VIII.48, это приводит к падению мокроразрядного напряжения. Из различных видов осадков следует особенно выделить осадки, содержащие растворимые в воде соли, кислоты или щелочи (уносы химических заводов, пыль солончаков, брызги морской воды на побережьях и т. п.). При увлажнении поверхностная проводимость изоляторов сильно падает, а вместе с тем падает и разрядное напряжение изоляторов. При этом большую роль играет плотность осадка, т. е. вес осадка на единице поверхности. С увеличением плотности осадка, который нарастает с течением времени, возрастает поверхностная проводимость со всеми вытекающими из этого последствиями. Следует отметить, что сильные дожди вымывают соли из осадка, что уменьшает опасность разряда. Наоборот, при слабых (моросящих) дождях, туманах и росе проводимость осадка увеличивается, а он не смывается.
Рис. VIII.51. Определение длины пути утечки
Рис. VIII.52. Зависимость мокроразрядного напряжения загрязненных изоляторов от длины пути утечки:
I — загрязнение топочными уносами; 2 — загрязнение цементной пылью. Плотность осадка 10 мг/см
Очень важным фактором, характеризующим поведение загрязненных изоляторов при увлажнении их поверхности, является длина пути, утечки по поверхности изоляторов. Длиной lу пути утечки называется полная длина вдоль всей поверхности фарфора от одного электрода до другого (рис. VIII.5I). Установлено, что разрядное напряжение покрытого осадком и увлажненного изолятора пропорционально пути утечки, как показано на рис. VIII.52. Прямая 1 на этом рисунке получена при загрязнении изоляторов топочными уносами тепловой электростанции, а прямая 2 — при загрязнении цементной пылью. Плотность осадка в обоих случаях равна 10 мг/см2. Характеристика Uu= f(lу) важна тем, что она не зависит от формы изолятора, которая только определяет длину пути утечки.
Прямо пропорциональная зависимость Ua= f(ly) дает возможность определить другую, весьма полезную, характеристику изолятора — удельный путь утечки, получаемый делением длины пути утечки на наибольшее рабочее (линейное) напряжение. Понятие об удельном пути утечки принято теперь для оценки работы изоляторов в различных условиях загрязнения. Можно рекомендовать следующую длину удельного пути утечки: чистая атмосфера — 1,6—2,0 см\кВ, слабое загрязнение — 2,2—2,5 см/кВ, сильное загрязнение — 2,6—3,2 см\кВ, очень сильное загрязнение > 3,8 см\кВ.
По ГОСТ 9920—61 оборудование станций и подстанций разделяется на две категории: А — нормальное исполнение и Б — усиленное исполнение. Удельный путь утечки для этих двух категорий устанавливается следующий:
- для категории А при заземленной нейтрали — >1,5 см\кВ,
при изолированной нейтрали — >1,7 см\кВ;
- для категории Б при заземленной нейтрали — > 2,25 см\кВ, при изолированной нейтрали — > 2,6 см\кВ.
Например, при номинальном напряжении 500 кВ длина пути утечки для оборудования категории А должна быть не менее 800 см. Для оборудования категории Б длина пути утечки в этом случае должна быть установлена в соответствующих технических условиях. Сравнение цифр, даваемых ГОСТ 9920—61 с указанными рекомендуемыми цифрами, приводит к заключению, что ГОСТ дает цифры, которые едва ли можно принять для районов с сильным загрязнением.
Рис. VIII.53. Зависимость минимального мокроразрядного градиента загрязненных изоляторов от удельного сопротивления загрязняющего вещества
Весьма интересным является предложение Р. Т. Левшунова определять разрядный градиент загрязненных и увлажненных изоляторов Еmin по удельному сопротивлению ps загрязняющего вещества. Оказывается, что при самых различных типах изоляторов кривые разрядного градиента в зависимости от удельного сопротивления загрязняющего вещества идут очень близко друг к другу, что не наблюдается при зависимости Еmin=f(γ), где γ — плотность осадка. На рис.VIII.53 дана зависимость Еmin = f(ps).
Кривые для разных типов изоляторов лежат в заштрихованной области. Этот метод дает возможность, установив удельное сопротивление загрязнений в данном районе (на данной подстанции), определить необходимое количество изоляторов при данном рабочем напряжении.
Для повышения разрядного напряжения увлажненных загрязненных изоляторов можно применять различные мероприятия:
1. Простейшим решением является увеличение длины пути утечки за счет увеличения числа изоляторов в колонке или увеличение длины и числа ребер во вводах. Это решение вполне осуществимо, но если необходимо значительно увеличить мокроразрядное напряжение, т. е. соответственно увеличить промежутки времени между очистками изоляторов, то оно может существенно удорожить установку.
Тем не менее, такое решение нередко применяется. В частности, для трансформаторов и масляных выключателей применяются вводы с усиленной изоляцией. Ввод на ПО кВ для нормальных атмосферных условий имеет девять ребер и длину фарфоровой покрышки воздушного конца ввода 1055 мм. Усиленный ввод, предназначенный для работы в загрязненной атмосфере, имеет четырнадцать ребер и длину покрышки 1525 мм. Длина пути утечки этого ввода увеличена приблизительно в 1,5 раза и настолько же возросло его мокроразрядное напряжение при данных условиях загрязнения.
- Более эффективным решением вопроса является применение специальных типов изоляторов, имеющих при данном сухоразрядном расстоянии значительно увеличенный путь утечки.
За границей было разработано много вариантов изоляторов с увеличенным путем утечки. Такие изоляторы были разработаны и применяются также и в СССР. Из них следует отметить изоляторы с гладкими, хорошо омываемыми ветром и дождем поверхностями (типа НСМ-2), с большими вертикальными поверхностями, с сильно развитым путем утечки.
- Во Франции в последнее время рекламируются изоляторы с винтовой поверхностью ребер. Такие изоляторы были разработаны в СССР и испытаны в эксплуатации. Опыт эксплуатации показал, что изоляторы с винтовой поверхностью ребер могут удовлетворительно работать только в районах нецементирующихся (не прилипающих) загрязнений, т. е. в районах с большим количеством дождей. При отсутствии дождей осадки не смываются и изоляторы работают плохо.
- В некоторых случаях могут оказаться выгодными изоляторы с сильно прикрытыми внутренними частями (зонтичные). В этой конструкции верхний зонт дает увеличение пути утечки и защищает нижнюю часть изолятора от загрязнений. Впервые этот тип изоляторов был применен в Ленэнерго в тридцатых годах. В настоящее время к этому типу снова возвращаются.
- Следует указать на то, что применение специальных типов изоляторов не решает задачу ликвидации аварий, связанных с загрязнением изоляторов. Оно лишь облегчает эксплуатацию, более или менее удлиняя промежутки между очистками изоляторов.
- Периодическая очистка или обмывание изоляторов является необходимой работой при эксплуатации изоляторов в районах с загрязненной атмосферой. В сущности говоря, это мероприятие является коренным.
- Наряду с работой по улучшению конструкции изоляторов, в последнее время начинает применяться гидрофобизация их поверхности. Если покрыть поверхность изолятора каким-либо веществом, отталкивающим воду (гидрофобное вещество), то к этой поверхности не будут (или будут меньше) приставать загрязнения. Простейшее гидрофобное покрытие — смазывание поверхности изолятора трансформаторным маслом. Такое покрытие улучшает работу изоляторов при загрязнениях, но его существенным недостатком является недолговечность: держится 1—1,5 мес, а затем его надо смывать и наносить новый слой. Немногим прочнее покрытие изоляторов церезином. Это
более сложная операция и все равно через небольшой промежуток времени слой церезина приходится наносить заново.
Значительно лучшие результаты дает покрытие изоляторов специальной смазкой (пастой), разработанной ВЭИ. Покрытая такой пастой поверхность может сильнее покрываться загрязнениями, чем чистая, но паста обволакивает частицы грязи и поверхность изолятора остается гидрофобной. Такая смазка долго держится и ее приходится менять один или два раза в год, т. е. значительно реже, чем другие гидрофобные покрытия. Смывать ее нетрудно. Толщина ее — 1—2 мм.
8. Следует еще отметить возможность применения полупроводящей глазури на изоляторах. Покрытие изоляторов полупроводящей глазурью вместо обычной непроводящей приводит к тому, что по поверхности изоляторов протекает небольшой активный ток, нагревающий эту поверхность и поддерживающий ее температуру выше температуры окружающей среды. Тем самым затрудняется конденсация тумана и выпадения росы на поверхности изолятора, а также увлажнение поверхности дождями малой интенсивности. Но надо иметь в виду, что нагревание полупроводящей глазури ведет к уменьшению ее сопротивления по закону
что в свою очередь ведет к повышению нагрева поверхности изолятора. Этот нагрев подсушивает слой загрязнения на поверхности изолятора, и на ней могут образоваться «сухие» зоны, где концентрируется падение напряжения и создается повышенное тепловыделение, которое может повести за собой растрескивание изолятора. Такой процесс наиболее интенсивно идет на изоляторах с большой неравномерностью их диаметра, например на подвесных (тарелочных) изоляторах.
Лабораторные исследования и опыт эксплуатации показали, что явление растрескивания подвесных изоляторов действительно наблюдается. Однако подобные явления наблюдались на гирляндах изоляторов, работавших при напряжении 110 кВ. При рабочих напряжениях 35 кВ подвесные изоляторы с полупроводящей глазурью ведут себя лучше — случаи их повреждения в эксплуатации редки. Все же рекомендовать их для широкого применения едва ли можно. Значительно лучше работают при напряжении 35 кВ опорно-штыревые и опорностержневые изоляторы. Хорошо показали себя также вводы типа ПНБ-35.
Анализ результатов лабораторных исследований и эксплуатационной практики приводит к заключению, что изоляторы с полупроводящей глазурью могут хорошо работать, если будет разработана глазурь со значительно меньшей температурной зависимостью. Температурную зависимость глазури можно характеризовать тем перепадом температуры Δϑ, при котором сопротивление глазури падает вдвое. Применяемая в настоящее время глазурь имеет Δϑ= 22—30°. Если удастся получить глазурь с Δϑ= 50—75°, то можно считать, что растрескивания подвесных изоляторов тарелочного типа не будет.
Необходимо остановиться еще на обмывании изоляторов, покрытых загрязнениями. Этот способ был предложен более 30 лет назад, но только в последние годы его используют более или менее систематически. Обмывание изоляторов целесообразно применять там, где загрязнения не превращаются в твердую корку (не цементируются) и их легко смывать. Удельное сопротивление воды для обмывания изоляторов под напряжением непрерывной струей должно быть не менее 1000 ом-см. Значительно лучше применение струи периодически прерывающейся, для чего используют специальные прерыватели.
По опыту одной из наших энергосистем было установлено, что при помощи передвижной автоцистерны емкостью 6 м3 и одной автовышки можно за 7 ч обмыть 30—35 гирлянд изоляторов напряжением 110 кВ, покрытых песком и солончаковой пылью. Опытом установлено, что этим способом лучше всего удаляются загрязнения, состоящие из зернистых частиц. Пыль и копоть смываются хуже. Особенно плохо удаляется зола, выбрасываемая трубами электростанций, сжигающих донецкий уголь. Хорошо удаляются осадки, растворимые в воде.
Несмотря на то что такое обмывание дает в указанных случаях хорошие результаты, один раз в год рекомендуется очищать изоляторы от загрязнений вручную. Заметим, что при обмывании изоляторов прерывистой струей воды не ставится никаких требований к удельному сопротивлению воды. Эта работа вполне безопасна для обслуживающего персонала при условии соблюдения достаточных расстояний от частей аппаратов и изоляторов, находящихся под напряжением.
По вопросу о проектировании и эксплуатации изоляции в районах с загрязненной атмосферой в настоящее время разработаны специальные руководящие указания (РУ). С некоторыми положениями этих РУ следует познакомиться. В них рассмотрены:
- основные способы повышения надежности работы загрязненной изоляции;
- грязестойкие изолирующие конструкции;
- выбор изоляции в зависимости от степени загрязнения атмосферы;
- проектирование линий и распределительных устройств, расположенных в районах с загрязненной атмосферой;
- эксплуатация изоляции в районах с загрязненной атмосферой.
По РУ увеличение надежности работы загрязненной изоляции
может быть достигнуто: применением грязестойких изолирующих конструкций; проектированием электротехнических сооружений с учетом загрязнения атмосферы; применением специальных мер при эксплуатации внешней изоляции линий.
Важнейшей характеристикой изоляции в районах с загрязненной атмосферой является длина пути утечки.
Разрядные характеристики загрязненных изоляторов зависят от длины пути утечки, диаметра изолятора, вылета и конфигурации ребер и расстояния между ребрами. При выборе необходимых размеров изоляционных конструкций следует вводить эффективную длину утечки
где К — поправочный коэффициент на развитость поверхности изолятора. Его значение для опорных изоляторов находится в пределах 1—1,3, для крупногабаритных изоляторов — 1,0.
Стержневые и крупногабаритные аппаратные изоляторы рекомендуется применять с вылетом ребер более 60 мм. Не рекомендуется применять изоляторы, имеющие узкие глубокие промежутки между ребрами, так как это ухудшает естественную очистку дождями и затрудняет очистку изоляторов в эксплуатации.
В распределительных устройствах, сооружаемых в зонах с повышенными загрязнениями, когда может быть эффективно обмывание изоляторов водой, необходимо предусматривать водопровод для обмывания и дренаж для стока воды.
В случае, когда естественная очистка изоляторов дождями не обеспечивает восстановления разрядных характеристик до необходимого уровня, должны производиться регулярные чистки изоляторов. Для определения сроков и методов очистки изоляторов целесообразно:
- периодически определять загрязненность изоляторов путем осмотра, отбора проб загрязнения и измерения сопротивления увлажненных изоляторов при отключенном оборудовании;
- проводить испытания контрольных изоляторов;
- вести наблюдение за работой изоляторов.
Для повышения надежности работы внешней изоляции, наряду с чисткой рекомендуется применение гидрофобных покрытий. В районах с очень сильными загрязнениями может оказаться целесообразным применение закрытых подстанций.
