Высоковольтные выключатели переменного тока - Уровень изоляции выключателей

Глава вторая
ОБЩАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ИЗОЛЯЦИЯ ВЫКЛЮЧАТЕЛЕЙ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ
2-1. УРОВЕНЬ ИЗОЛЯЦИИ ВЫКЛЮЧАТЕЛЕЙ
В конструкциях выключателей должна быть обеспечена надежная электрическая изоляция:
а) между частями, находящимися под напряжением, и заземленными частями;
б) между имеющими различные электрические потенциалы частями одного полюса при полностью разомкнутых контактах;

в) между находящимися под высоким напряжением частями соседних полюсов при любом коммутационном положении выключателя. 
Уровень изоляции, т. е. электрическая прочность основных изоляционных промежутков выключателя, должен соответствовать виду и величине перенапряжений, которые могут возникать на зажимах аппарата при эксплуатации последнего в установке на данный класс напряжения [23].
Для выключателей переменного тока высокого напряжения уровень изоляции нормируется и должен соответствовать:
а). нормированному испытательному импульсному напряжению при полной и срезанной волнах и испытательному и выдерживаемому напряжению промышленной (50 гц) частоты, согласно ГОСТ 1516—68;

Таблица 2-1.
Импульсные испытательные напряжения (в киловольтах) для выключателей , с изоляцией классов напряжения от 3 до 500 кВ включительно

б) нормированной минимальной длине пути утечки по внешней изоляции.
В табл. 2-1 и 2-2 приведены данные о стандартизованном уровне изоляции выключателей с нормальной и с облегчений изоляцией; в табл. 2-3 — данные об уровне изоляции выключателей на классы сверхвысокого напряжения 750 и 1150 кВ (которые пока еще не вошли в ГОСТ) [19].

Испытательные напряжения (в киловольтах) промышленной частоты (50 гц) для выключателей с нормальной изоляцией классов напряжения от 3 до 500 кВ включительно

Таблица 2-2

Примечания. I. Значения, указанные в знаменателе, относятся к аппаратам с внутренней изоляцией в масле, у которых внешняя изоляция испытана отдельно.
2  Выдерживаемые напряжения для внешней изоляции между полюсами для выключателей 220 кВ и ниже не нормируются.    .
3. Значения напряжений, указанные в скобках, относятся к выключателям с облегченной изоляцией, ч
Согласно этим нормам, для изоляторов на все классов  напряжения допустимая длина утечки соответствует (с округлением) удельной длине утечки (длине, отнесенной к 1 кВ наибольшего рабочего линейного напряжения), В табл. 2-4 приведены данные об этой характеристике для двух категорий изоляторов: нормального исполнения—А и усиленного исполнения — Б. Приведенные значения не изменяются с высотой установки выключателя над уровнем моря и с температурой окружающего воздуха. В публикации 137 МЭК предлагаются более высокие значения:
Таблица 2-3
Испытательные напряжения (в киловольтах) выключателей переменного тока сверхвысокого напряжения

для местностей с повышенным загрязнением — 2,5 см/кВ, для местностей с обычным загрязнением — около 1,53—1,67 см/кВ (только для сетей с заземленной нейтралью).
Напряжение, при котором наступает перекрытие или пробой тога или иного изоляционного промежутка или изолятора при определенном характере воздействия, зависит от размеров и формы рассматриваемых промежутков, а также от свойств и состояния электроизоляционной среды или изоляционного Материала. Эти физические параметры и характеристики в конструкции должны быть выбраны таким образом, чтобы разрядные и пробивные напряжения соответственно были несколько выше нормированных импульсных испытательных напряжений и выдерживаемых напряжений при промышленной частоте, значения которых указаны в  приведенных выше таблицах. Этот запас по электрической прочности может быть представлен коэффициентом К>1, величина которого не нормируется и может составлять /(= 1,05-г-1,1.
Таким образом, при проектировании необходимый уровень электрической прочности изоляции выключателя на заданный класс напряжения при заданной его конструктивной схеме достигается путем рационального выбора линейных размеров основных, определяющих изоляционных промежутков в соответствующих изоляционных средах вне внутренних полостей аппарата и в них, а также основных размеров отдельных изоляционных элементов конструкции: проходных и опорных изоляторов, изоляционных штанг, прокладок, барьеров и др. Следует, заметить, что размерами изоляционных элементов во многом определяются как размеры токоведущего контура, так и общие габаритные размеры выключателя в целом, в частности, на классы напряжения 35 кВ и выше.
В высоковольтных выключателях нарушение электрической изоляции отдельных элементов конструкции носит различный характер, так же. как и вызванные этим разрушения, которыми определяется пригодность аппарата к дальнейшей работе
Таблица 2-4
Удельная длина пути утечки изоляторов наружной установки

Практически неопасным для аппарата является разряд на координирующих и других открытых промежутках в воздухе. Малоопасным можно считать разряд по наружной поверхности фарфоровых изоляторов, расположенных на открытом воздухе, так как при этом (кроме случая длительного горения открытой дуги) разряд не оставляет почти никакого следа на поверхности фарфора.
Относительно опасными могут оказаться разряды в закрытых,, заполненных воздухом (или каким-либо другим газом, например, SFe) внутренних полостях изолятора при повышенном давлении.
Весьма опасны случаи нарушения  у масляных выключателей внутренней (внутрибаковой) изоляции, проявляющиеся в виде пробоя изоляционных промежутков или перекрытий изоляционных поверхностей в масле. Такие случаи могут иметь тяжелые последствия — разрушение не только самого выключателя, но и конструкций распределительного устройства (особенно закрытого).
Опасным является также электрический пробой твердой, масло- барьерной и другой изоляции высоковольтных вводов, штыревых опорных изоляторов, твердых изоляционных прокладок и др. В результате пробоя данный изоляционный элемент обычно выходит из строя, что является уже аварией.
Из сказанного следует, что при расчете общей электрической изоляции выключателя внутри данной конструкции должна быть предусмотрена координация уровней электрической прочности отдельных элементов относительно  базовых значений разрядных напряжений для наружной изоляции в сухом состоянии.
Сущность этой координации состоит в том, что для наиболее, ответственных (с точки зрения опасности последствий при разрушении) конструктивных элементов изоляции аппарата принимается конструктивный запас, по электрической прочности, учитываемый коэффициентом запаса на который должны быть умножены принятые значения базовых разрядных напряжений для наружной изоляции в сухом состоянии для данного класса напряжения.       
Таким образом, значения расчетных разрядных напряжений для отдельных изоляционных элементов выключателя в общем случае определяются по уравнению
(2-1)
где kp — коэффициент запасав (надежности); Uv — принятая величина разрядного напряжения для наружной изоляции выключателя в сухом состоянии.
Ниже приведены ориентировочные значения для различных изоляционных элементов и условий работы:
Внешние промежутки и внешние поверхности фарфоровых изоляторов в воздухе            
Керамика, работающая на электрический пробой при
промышленной частоте                     1,3
То же, работающая на электрический пробой при
импульсах                      1,33—1,6
Бумажномасляная и маслобарьерная изоляция, а также другие изоляционные элементы, работающие на  
пробой при промышленной частоте              1,3
То же, работающая при импульсах     1,25
Изоляционные промежутки в воздухе или в масле, расположенные внутри бака многообъемного масляного выключателя»                             1» 15—1,25
Изоляционные промежутки в воздухе или в масле, расположенные внутри дугогасительного бачка малообъемного масляного выключателя, не имеющего
пристроенного отделителя                 1,25—1,5
То же для выключателя, имеющего пристроенный отделитель            1,15
Изоляционный промежуток в масле внутри опорного фарфорового изолятора (в случае, если масло не
подвергается действию дуги отключения)    1,15
Изоляционный промежуток в закрытой, заполненной воздухом внутренней полости изолятора при промышленной частоте   1,05—1,1
То же при импульсах      1,1—1,15
Кроме рассмотренных выше вопросов, следует остановиться на. выборе- расчетного разрядного напряжения для серий нескольких последовательных междуконтактных промежутков одного полюса выключателя.
У выключателей, имеющих специальные отделители, изоляция дугогасителей электрически разгружается непосредственно после погасания дуги за счет образования в цепи полюса дополнительного разрыва (одного или нескольких) в отделителе, электрическая прочность которого должна соответствовать ГОСТ 1516—68. При одном разрыве на полюс такого выключателя при отключении междуконтактный промежуток подвергается воздействию восстанавливающегося напряжения с амплитудой Uzm (см. § 1-3).
Расчетная величина разрядного напряжения для данного промежутка может быть найдена из уравнения
(2-2)
в котором &о>1 —коэффициент запаса по восстанавливающемуся напряжению; /Са=1,6/—коэффициент максимального превышения амплитуды; С/л — линейное номинальное напряжение.
При числе дугогасительных разрывов на полюс более одного необходимо учитывать возможность неравномерного распределения напряжения по отдельным разрывам (при отсутствии эффективных средств для выравнивания напряжения) в случае заземления одного из выводов полюса выключателя (например, после отключения однофазного короткого замыкания на землю). В этом случае величина амплитуды, приходящаяся на один из разрывов, может быть рассчитана по уравнению

где п — число дугогасительных разрывов на полюс; ku> \ —коэффициент, учитывающий неравномерное распределение восстанавливающегося напряжения.
Вопрос о распределении напряжения по отдельным разрывам одного полюса выключателя будет рассмотрен в дальнейшем.
Кроме расчета общей электрической изоляции, при проектировании выключателя производятся также расчеты электрической
изоляции его отдельных узлов: вводов, электростатических экранов, изоляции дугогасительных камер, изолирующих тяг, шунтирующих сопротивлений и т. и. Эти расчеты обычно выполняются в ходе разработок данных узлов.