Аппаратные изоляторы

Аппаратные изоляторы в распределительных устройствах под­разделяются на опорные, проходные и, при напряжении более 35 кВ, подвесные. Опорные и подвесные изоляторы служат для крепления токоведущих шин; проходные изоляторы устанавливают в местах, где находящиеся под напряжением части проходят через стены, пе­рекрытия или ограждения. В электрических аппаратах, кроме опор­ных и проходных изоляторов, применяются также изоляционные тяги, валы, рычаги, покрышки и др.

Опорные и проходные изоляторы испытывают в основном ме­ханические нагрузки на изгиб, обусловленные электродинамиче­скими силами, вызванными токами короткого замыкания, давле­нием ветра, воздействиями при работе контактов и др., поэтому основной механической характеристикой этих изоляторов являет­ся механическая прочность на изгиб, т.е. минимальное разрушаю­щее усилие, определяемое при плавном увеличении нагрузки до ви­димого разрушения.

Опорный изолятор состоит из изолирующей части — диэлектри­ка, верхней и нижней металлической арматуры — колпачка и ос­нования (фланца) (рис. 3.5).

Наиболее простую форму имеют изоляторы опорного типа (ИО-10-3,75) для закрытых распределительных устройств. Изоля­тор представляет собой полое фарфоровое тело почти цилиндри­ческой формы. Для предотвращения разрядов во внутренней поло­сти верхняя часть изолятора выполнена сплошной. Фарфор с по­мощью цемента армирован внизу чугунным фланцем, а наверху чугунной шапкой.

Улучшение разрядных характеристик опорного изолятора мо­жет быть достигнуто с помощью внутреннего экрана, уменьшаю­щего напряженность электрического поля у шапки. Роль внутрен­него экрана в опорных изоляторах выполняют металлические эле­менты внутренней заделки арматуры. Изолятор такой конструкции (см. рис. 3.5, б) имеет меньшие размеры и массу.

Для повышения разрядного напряжения на теле изолятора де­лается ребро, которое заставляет разряд развиваться под углом к силовым линиям поля, т.е. по пути с меньшей напряженностью. Внутренний экран и ребро существенно увеличивают разрядное напряжение изолятора.

Опорные изоляторы внутренней установки выпускаются на на­пряжение до 35 к В и имеют механическую прочность на изгиб от 3,75 до 42,5 кН. Изоляторы с большей механической прочностью имеют и больший диаметр. В обозначении таких изоляторов указы­ваются их тип и материал, номинальное напряжение и механическая прочность в кН. Например, обозначение изолятора ИО-35-7,5УХЛ расшифровывается следующим образом: опорный, фарфоровый на напряжение 35 кВ с механической нагрузкой 7,5 кН.

Опорные изоляторы наружной установки разделяются на опор­но-стержневые и опорно-штыревые.

Опорно-стержневые изоляторы (ОНС) отличаются сильно раз­витой поверхностью и состоят из удлиненного сплошного фарфо­рового остова — стержня с сильно развитой наружной поверхнос­тью и металлической арматуры (см. рис. 3.5, в, г). Колпачки арма­туры имеют отверстия для крепления: нижним изолятор крепится на металлических конструкциях, а верхним — к токоведущим час­тям. Так как расстояния по воздуху и через фарфоровый остов в этих изоляторах одинаковы, то пробой фарфора в них исключает­ся, а при повышении напряжения происходит лишь разряд по по­верхности фарфора.

Опорно-стержневые изоляторы для наружной установки отли­чаются сильно развитой поверхностью. На напряжение 35—110 кВ такие изоляторы изготавливаются в виде сплошного фарфорового стержня с равномерно расположенными ребрами. Например, обо­значение ОНС-110-1000 расшифровывается следующим образом: опорный, для наружной установки, стержневой на напряжение 110 кВ с механической прочностью 10 кН.

С повышением напряжения и соответственным увеличением высоты опорной колонки резко возрастает изгибающий момент, который должен выдержать нижний элемент колонки. Для увели­чения механической прочности колонки выполняются сдвоенны­ми, строенными или в виде сложных ферменных конструкций. На более высокие номинальные напряжения 150—500 кВ применяют составные изоляторы в виде колонок из опорно-стержневых изо­ляторов (рис. 3.6).

Так как наибольшее номинальное напряжение опорно-стержне­вых изоляторов составляет ПО кВ, в электроустановках напряже­нием 150—330 кВ и выше используют составные шинные опоры-колонны, собранные из 2—3 изоляторов напряжением 40 и 110 кВ. В РУ-500 кВ и выше применяют трехгранные опоры в виде пира­миды (см. рис. 3.6, г) из изоляторов 3 на напряжение 110 кВ, со­бранных на треугольной раме 5 и жестко скрепленных в средней части одним или двумя стальными поясами 4. Для снижения на­пряженности переменного электрического поля от токоведущих шин У на изоляционных опорах устанавливают кольцевые экра­ны 6 (для выравнивания напряжения вдоль изоляторов и увеличе­ния разрядного напряжения).

На рис. 3.7, а представлена опорная колонка на напряжение 170 кВ, составленная из двух цилиндрических фарфоровых элемен­тов с винтообразными ребрами.

Как уже отмечалось, опорные изоляторы для наружной уста­новки выполняются с сильно развитыми ребрами, чтобы добиться увеличения разрядного напряжения в дождь.

Форма ребра представляет собой зонтообразный выступ на по­верхности изолятора, при этом край ребра отогнут вниз, образуя так называемую капельницу (рис. 3.7, б), обеспечивающую легкое скатывание дождевой воды с ребра (угол наклона порядка 20—35°). В дождь внешняя поверхность верхнего ребра смачивается полнос­тью, а следующих ребер — только частично. Вода стекает по краю ребра и не образует замкнутой водяной пленки между арматурой изолятора. Если считать, что дождь падает под углом 45°, то часть изолятора между ребрами остается сухой, а кратчайшее расстоя­ние по воздуху представляет собой путь разряда.

Для опорно-стержневых изоляторов (а также вводов и покры­шек) мокроразрядное напряжение в значительной мере зависит от вылета ребра а и расстояния между ребрами /. При малом вылете ребер лежащие под ними сухие участки малы и основную роль иг­рает длина смоченной поверхности. С увеличением размера выле­та ребер увеличивается длина сухих участков и мокроразрядное напряжение возрастает. Если длина вылета ребер приближается к расстоянию между ребрами, то разряд идет не вдоль поверхности ребер, а по воздуху от ребра к ребру. В этом случае мок роразряд­ное напряжение перестает возрастать.

Для каждого изолятора существуют оптимальные размеры вы­лета ребер и расстояния между ними, при которых мокроразрядные напряжения будут наибольшими. Число ребер опорных и про­ходных изоляторов для наружной установки практически прини­мают в зависимости от номинального напряжения (табл. 3.1).

С увеличением номинального напряжения и высоты изолятора растут изгибающие моменты, и прочность изоляторов стержнево­го типа оказывается недостаточной. Не обеспечивают они необхо­димую прочность и в установках с относительно низкими напря­жениями, но с большими токами короткого замыкания.

Лучшими характеристиками обладают изоляторы штыревого типа. Их отличительной особенностью является использование тон­костенного фарфора, электрическая и механическая прочность ко­торого растет с уменьшением толщины и применением стального штыря, воспринимающего на себя основную часть изгибающего усилия.

Опорно-штыревые изоляторы (типа ОНШ-20-1000 и ОНШ-35-2000) состоят из одного, двух, трех фарфоровых элементов с силь­но развитыми ребрами (юбками) 3 (рис. 3.8, а, б), соединенными между собой цементно-песчаной связкой 2. Изоляционные элемен­ты 3 имеют далеко выступающие ребра для защиты изолятора от дождя и укрепляются на металлической арматуре / в виде штыря с фланцем, сверху на изоляторе предусмотрен чугунный колпак 5 с нарезанными отверстиями. Между изоляционными элементами, а также под колпак устанавливают прокладки 4. Штырь армирует­ся в нижнем фарфоровом элементе, входя внутрь фарфора и обра­зуя вместе с фланцем опору для всего изолятора. Колпак надет на верхний фарфоровый элемент (этим отличается от линейного шты­ревого изолятора, у которого верхний элемент не армируется). От­дельные элементы фарфора и металлическая арматура скрепля­ются между собой цементом. Фланец штыря изолятора крепится болтами к заземленным

а — ОНШ-20-1000: / — арматура; 2 — цементно-песчаная связка; 3 — изоляци­онные элементы; 4 — прокладки; 5— чугунный колпак; б — ОНШ-35-2000: / — арматура; 2 — цементно-песчаная связка; 3 — изоляционные элементы; 4 — прокладки; 5 - чугунный колпак; в — многоэлементный (мультикон) на напря­жение 245 кВ: / — арматура; 2 — цементная связка; 3 — фарфоровые элементы; г — на напряжение 500 кВ с внутренней полостью: / — металлические фланцы; 2 — цементно-песчаная связка; 3 — полые фарфоровые цилиндры; 4 — внутрен­няя полость

металлическим конструкциям.

Токоведущие части крепятся болтами на колпачке изолятора. Механическая прочность такого изолятора определяется прочностью его штыря, а не изоляционного тела, так как изгибающий момент, дей­ствующий на фарфоровую часть, из-за малого плеча оказывается много меньше изгибающего момента, приложенного к штырю. Для прочного соединения фарфора с шапкой и штырем армируемые по­верхности фарфора покрывают фарфоровой крошкой. Достаточ­но большая длина утечки и высокое мокроразрядное напряжение изолятора обеспечиваются за счет ребер. В установках на напряже­ние ПО кВ и выше используются колонки, состоящие из несколь­ких установленных друг на друга опорно-штыревых изоляторов на напряжение 35 кВ. При большой высоте колонки на фарфоровую часть нижнего изолятора действует почти такой же изгибающий момент, как и на штырь. Поэтому фарфоровое тело нижнего изо­лятора является слабым местом такой конструкции. В открытых распределительных устройствах напряжением ПО—220 кВ исполь­зуют колонки, собранные из 3—5 изоляторов на напряжение 35 кВ.

В последние годы за рубежом (в Англии, Франции и других стра­нах) выпускаются опорно-штыревые изоляторы (рис. 3.8, в), состав­ленные из большего количества фарфоровых элементов 3, соеди­ненных между собой цементной связкой 2 и получивших название «мультикон». Высота изоляторов составляет 2300 мм, что позволя­ет их использовать при напряжении 245 кВ; собранные в одиноч­ные колонки, они используются в ОРУ напряжением до 765 кВ.

Изоляторы с внутренней полостью (рис. 3.8, г) представляют собой полые фарфоровые цилиндры 3 или конусы с ребрами на боковой поверхности и металлическими фланцами / по торцам. Они могут быть изготовлены в виде одного элемента высотой до 2500 мм на напряжение 220 кВ. Изоляторы на 500 кВ изготавлива­ют составными, несколько частей склеиваются до или после обжи­га эпоксидным клеем. Внутренняя полость 4 может быть заполне­на сухим воздухом, азотом или элегазом, а также жидким или твер­дым наполнителем.

Проходные изоляторы служат для изоляции токоведущих про­водников, проходящих сквозь заземленные крышки, перегородки электрических аппаратов и машин или перекрытия, стенки распре­делительного устройства. Различают проходные изоляторы внут­ренней установки до 35 кВ включительно (рис. 3.9, а, б); они име­ют полый фарфоровый корпус 1 (без наполнителя) с небольшими ребрами. Для крепления изолятора к стенке (или перекрытию) со­ответственно служат фланец 2 и металлические колпаки 3. Во избе­жание дополнительных потерь мощности, которые происходят при возникновении индуцированных токов фланцы и колпаки изоля-

' торов (особенно на большие токи) изготавливают из немагнитных

' материалов (чугуна специальной марки).

Длина фарфорового корпуса изоляторов определяется номи­нальным напряжением, а диаметр внутренней полости — сечением токоведущих частей. Изоляторы, рассчитанные на номинальные токи до 2000 А (см. рис. 3.9, а) снабжены алюминиевыми стержня­ми 4, к которым присоединяются шины токопроводов, а изолято­ры, рассчитанные на токи 2000 А и выше (см. рис. 3.9, б), этих стер­жней не имеют, и шины токопровода проходят внутри них.

Недостатком проходных изоляторов с воздушной полостью яв­ляется неравномерное распределение напряженности поля по по­верхности и малое разрядное напряжение.

В конструкциях проходных изоляторов для внутренней установ­ки на 35 кВ внутренняя полость металлизирована и соединена мед­ной лентой с токоведущим стержнем, т.е. на нее подается потенци­ал стержня. Таким образом, воздух не используется как изоляция, но в то же время исключается появление короны на стержне. На­ружная поверхность средней части изолятора металлизирована или покрыта полупроводящей глазурью, что повышает напряжение скользящих разрядов.

Изоляторы наружно-внутренней установки предназначены для ввода жестких и гибких шин в здание закрытых распределитель­ных устройств линейных или аппаратных вводов или ячейки на­ружных комплектных распределительных устройств. Часть фарфо­рового корпуса этих изоляторов, обращенная наружу, имеет раз­витые ребра (рис. 3.9, в). Кроме того, изоляторы имеют с наружного конца на шапке надежные уплотнения, не позволяющие проникать воде внутрь изолятора через щели, резьбу и прочее.

Проходные изоляторы на напряжение 110 кВ и выше в зависи­мости от назначения получили название линейных и аппаратных вводов. Кроме фарфоровой они имеют бумажно-масляную изо­ляцию.