2.1.2. Изоляция воздушных линий электропередачи

Виды изоляции. В воздушных линиях (ВЛ) электропередачи высокого напряжения (ВН) 6-220 кВ, сверхвысокого напряжения (СВН) 330-750 кВ и ультравысокого напряжения (УВН) 1150 кВ получили в основном два вида изоляции: изоляционные конструкции и воздушные промежутки.

Изоляционные конструкции. К изоляционным конструкциям относятся штыревые линейные изоляторы, фарфоровые или стеклянные гирлянды изоляторов, а также стержневые стеклопластиковые изоляторы и междуфазовые стеклопластиковые распорки для воздушных линий и подстанций.

Штыревые линейные изоляторы применяются на ВЛ напряжением 6-10 кВ. На напряжение 35 кВ изоляторы выполняются из двух склеенных между собой изолирующих деталей, что увеличивает их электрическую прочность.

Подвесные изоляторы тарельчатого типа широко применяются на ВЛ 35 кВ и выше. Требуемый уровень выдерживаемых напряжений достигается соединением необходимого количества изоляторов в гирлянду. Для ВЛ и подстанций 110 кВ используют стержневой гладкий стеклопластиковый изолятор, ребристый стеклопластиковый изолятор и междуфазовая стеклопластиковая распорка Стеклопластиковые конструкции успешно эксплуатируются во влажной атмосфере или на открытом воздухе, где обычно используют изоляторы из фарфора или стекла. Стеклопластик в этих условиях долговременно работает, если его поверхность защищена покрытием, устойчивым к воздействию атмосферных факторов, и трекингоэрозиостойким покрытием, устойчивым к поверхностным разрядам.

Все виды изоляции воздушных линий (а также аппаратов, трансформаторов, электрических машин) должны выдерживать рабочее напряжение, внутренние и грозовые перенапряжения с учетом возможных колебаний атмосферного давления, температуры, влажности, дождя, тумана, росы, проводящих осадков и других атмосферных воздействий.

Самостоятельный разряд в воздухе. В сильных электрических полях, характерных для работы электрической изоляции возникают, новые явления, связанные с ионизационными процессами. Основной причиной возникновения электрического разряда в воздухе является ударная ионизация, которая возникает под действием электронов, ускоряемых электрическим полем. В воздухе интенсивность ударной ионизации характеризуется коэффициентом ударной ионизации α, который определяет число актов ионизации, совершаемых электроном на пути в 1 см вдоль силовых линий электрического поля, и является величиной, обратной пути, проходимому электроном вдоль силовых линий поля до ионизации. Коэффициент α зависит от напряженности электрического поля Е, давления р и абсолютной температуры газа Т. Для возникновения разряда в газе необходим хотя бы один свободный электрон. После первого акта ионизации образуются два свободных электрона, затем четыре и т. д. Этот поток постепенно увеличивающегося числа электронов n называется лавиной электронов. В процессе развития лавины в промежутке образуются также положительные ионы, число которых равно n–1, и фотоны, возникновение которых связано с тем, что электроны лавины помимо ионизации также возбуждают молекулы газа, а переход возбужденных молекул в нормальное состояние сопровождается излучением. Воздействие фотонов и положительных ионов на катод, а также фотоионизация в объеме газа приводят к появлению электронов, которые называются «вторичными», так как они возникают в результате вторичных процессов, связанных с развитием начальной лавины. Общее число вторичных электронов n₂ пропорционально (n–1), т. е. n₂=γ(n–1), причем коэффициент пропорциональности γ называется коэффициентом вторичной ионизации и в первом приближении может считаться величиной постоянной. Начальный электрон в газовом промежутке появляется за счет внешнего ионизатора (ультрафиолетового излучения Солнца, космического излучения и т. д.) либо при развале отрицательных ионов, которые всегда имеются в газовом промежутке и появление которых также обусловлено внешним ионизатором. Для того чтобы в дальнейшем разряд не зависел от внешнего ионизатора, необходимо, чтобы начальная лавина за счет вторичных процессов создала хотя бы один вторичный электрон, который положил бы начало новой лавине с числом электронов не менее, чем в начальной. Разряд, не зависящий от внешнего ионизатора, называется самостоятельным, а условие самостоятельности разряда, очевидно, имеет вид

n₂ ≥ 1 или γ .

Напряжение, при котором выполняется условие самостоятельности разряда, называется начальным U₀. Электрические поля в разрядных промежутках делятся на однородные и неоднородные. В однородном электрическом поле напряженность постоянна по всей длине промежутка; при выполнении условия самостоятельности разряда ионизация охватывает весь промежуток (α_эф>0 по всей длине промежутка), что приводит к его пробою. Неоднородные электрические поля принято разделять на квазиоднородные, слабонеоднородные и резконеоднородные. В квазиоднородном поле α_эф>0 по всей длине промежутка, что приводит к пробою. В слабонеоднородных полях α_эф>0 в значительной части промежутка, что также приводит к его пробою. В резконеоднародных полях α_эф>0. В узкой зоне около электрода с радиусом r₀ при выполнении условия самостоятельности пробоя промежутка не происходит, возникает так называемый коронный разряд.

Коронный разряд. Возникновение коронного разряда сопровождается появлением свечения газа у коронирующего электрода, что может быть использовано для определения момента возникновения коронного разряда при измерениях начальных напряжений. В случае однородного и квазиоднородного полей, для которых при выполнении условия самостоятельности разряда ионизация происходит по всей длине промежутка, начальное напряжение равно пробивному. В слабонеоднородном поле, если эффективная ионизация происходит при начальном напряжении только в части промежутка, то возникает коронный разряд. Однако, если ионизация при этом охватывает большую часть промежутка, то коронный разряд неустойчив и самопроизвольно переходит в полный пробой промежутка. В слабонеоднородном поле начальное напряжение совпадает с пробивным. В резконеоднородных полях начальное напряжение соответствует появлению коронного разряда, а пробивное напряжение может быть существенно выше начального.

Критическая напряженность короны (кВ/см):

Е_к =24,5δ m_н ,

где m_н = 0,82…0,85 – коэффициент негладкости провода, учитывающий загрязнение и многожильную структуру провода;

δ – относительная плотность воздуха;

r – радиус провода.

Если Е_m ≥ Е_к, то коронирует весь провод и возникает «общая корона», создающая большие потери энергии. Чтобы избежать этого, применяют расщепленные провода, изобретенные одним из ведущих профессоров СПбПИ, академиком В. Ф. Миткевичем еще в 1910 году. На линиях 330 кВ используют фазы, расщепленные на два провода; на линиях 500 кВ – на три; на линиях 750 кВ – на четыре-пять; на линии 1150 кВ – на восемь проводов. Такое решение обеспечивает Е_m≈(0,8…0,85)Е_к и отсутствие общей короны. Однако в точках неоднородности (заусеницы, загрязнения и особенно капли дождя) напряженность оказывается повышенной, и в результате возникает местная корона. Наиболее сильные акустические помехи наблюдаются при моросящем дожде, когда вибрирующими элементами оказываются капли дождя у поверхности провода, поэтому провода линий электропередач ЛЭП 110-220 кВ при дожде «шуршат» и «шипят», 330-500 кВ – «гудят», а 750 кВ – «ревут».