«цқұұүүггг\

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН

 

Алматинский институт энергетики и связи

 

 

 

 

 

 

 

В. Н. Борисов, Ж.К. Оржанова

 

 

ТЕХНИКА ВЫСОКИХ НАПРЯЖЕНИЙ

 

Учебное пособие

 

 

 

 

 

 

Алматы 2006

 

 

УДК 621.3.(075.8).

ББК 31.24

“Техника высоких напряжений”. “Перенапряжения и изоляция”

Учебное пособие /Борисов В.Н.

АИЭиС, г.Алматы, 2006. – 74 с.

 

 

 

 

 

 

В учебном пособии рассмотрены следующие разделы Электрические разряды в газах, Изоляция установок высокого напряжения, Оборудование высоковольтных лабораторий, Измерения при высоком напряжении, Грозовые перенапряжения и защита электрооборудования электроустановок, Заземление в электроустановках высокого напряжения, Общая характеристика внутренних перенапряжений, Аппараты и устройства защиты от перенапряжений.

Учебное пособие составлено в соответствии с учебным планом для всех электроэнергетических специальностей по курсу “Техника высоких напряжений” и “Перенапряжения и изоляция” для студентов очного и заочного обучения.

Табл. 2, Ил. 56 , Библиогр.- 5 назв.

 

 

 

 

РЕЗЕНЗЕНТ: канд.тех.наук, доцент Тохтыбакиев К.К.

 

 

 

 

Печатается по плану издания Алматинского института энергетики и связи на 2006 г.

 

 

Б

 

ISBN 9965-708-76-2

 

 

 

 

© Алматинский институт энергетики и связи, 2006 г. Введение

 

В процессе работы электрическая изоляция электроустановок подвергается различного рода перенапряжениям.

Во-первых, это длительно воздействующее рабочее напряжение, величина которого близка к номинальному или может на 10-15% превышать его. Для обеспечения безаварийной работы изоляция электроустановок должна иметь определенный уровень. Уровень изоляции практически устанавливается с помощью испытательных, разрядных и пробивных напряжений, величина которых определяется характером испытательного устройства и соответствующими измерительными приборами.

Во-вторых, на изоляцию воздействуют грозовые перенапряжения (атмосферные). Время воздействия атмосферных зарядов очень мало (от единиц до сотен миллионных долей секунды), однако величина их при отсутствии специальных мер защиты может достигать миллионов вольт.

В-третьих, на изоляцию воздействуют внутренние перенапряжения. Эти перенапряжения воздействуют как кратковременно (доли секунды, секунды), так и длительно (часы, сутки). Величина таких перенапряжений может превышать номинальное напряжение в несколько раз. Таким образом, грамотное конструирование, производство, испытание и эксплуатация электротехнических устройств требуют глубокого знания напряжений, воздействующих на изоляцию, методов снижения возможных перенапряжений, электротехнических свойств изоляционных конструкций и их испытаний. Эти вопросы тесно взаимосвязаны и составляют содержание настоящего курса.

 

1 Электрические разряды в газах. Требования к изолирующим газам

 

Газ – это, в случае использовании атмосферного воздуха, бесплатный диэлектрик (ЛЭП, п/ст, ВВ установки).

Изоляция, имеющая непосредственную связь с атмосферным воздухом, называется наружной.

Атмосферный воздух как диэлектрик обладает рядом недостатков: подвержен метеорологическим воздействиям, загрязнению.

Изоляционные свойства атмосферного воздуха зависят от барометрического давления: на уровне моря характеристики удовлетворительны; в условиях высокогорья, где давление низкое, изоляционные свойства снижаются; при глубоком разряжении электрическая прочность растёт.

Газы используются не только в качестве наружной, но и внутренней изоляции. В этом случае газы должны быть инертны. Газы должны иметь хорошую теплопроводность, быть не воспламеняемыми, не токсичны и не взрывоопасны.

Характер и свойства разряда в газах имеют важнейшее значение в электроэнергетике.

 

1.1 Вольт-амперная характеристика газового разряда

 

Электрическим разрядом в газах называют совокупность явлений, происходящих в газе при прохождении через него электрического тока.

Рассмотрим зависимость тока, проходящего через газовый промежуток, от величины приложенного напряжения (рисунок 1).

 

Рисунок 1 - Вольт-амперная характеристика газового разряда

 

По мере увеличения напряжения ток в промежутке возрастает за счёт роста зарядов ионизаторов (ОА). На участке АВ ток практически не меняется, т.к. все образующиеся за счёт внешних ионизаторов заряды попадают на электроды. Величина тока насыщения Is определяется интенсивностью воздействующего на промежуток ионизатора.

При дальнейшем увеличении напряжения ток резко возрастает (ВС), что говорит об интенсивном развитии процессов ионизации газа под действием электрического поля.

При напряжении Uo происходит резкое увеличение тока в промежутке, который при этом теряет свойства диэлектрика и превращается в проводник.

Это явление, при котором возникает канал высокой проводимости, называют электрическим разрядом (пробой газового промежутка). Электрический разряд на ОАВС называют несамостоятельным, т.к. на этом участке ток в газовом промежутке определяется интенсивностью воздействующего ионизатора.

Разряд на участке после точки С называют «самостоятельным», т.к. ток разряда при этом зависит только от параметров электрической цепи (сопротивление, мощность источника питания) и для его поддержания не требуется образования заряженных частиц за счёт внешних ионизаторов.

Uo, при котором начинается самостоятельный разряд, называется начальным напряжением.

Формы самостоятельного разряда в зависимости от условий, техники безопасности различают:

• -         тлеющий разряд (1-5 мА/см);

• -         искровой разряд (мощность источника не велика или напряжение прикладывается на короткое время);

• -         дуговой разряд (при значительной мощности источника питания ток – сотни, тысячи А);

• -              коронный разряд (возникает при неоднородных полях в той части промежутка, где Е наиболее высока).

 

1.2 Процессы ионизации газов

 

Обязательное условие возникновения разряда в газах – наличие в нём свободных разрядов – электронов и ионов.

Возникновение свободных зарядов происходит в результате ионизации. Для того чтобы произошла ионизация атома, ему необходимо сообщить энергию, равную или большую энергии ионизации Wи ( потенциала Uи). Если энергия, сообщенная атому будет меньше Wи, но больше или равна энергии возбуждения W_в, то атом перейдет в возбужденное состояние и через очень малый промежуток времени (10 с) возвращается в исходное состояние.

Одновременно с ионизацией в газовом промежутке идет процесс обратный – рекомбинация, т.е. переход атома из возбужденного состояния в нормальное.

 

Таблица 1

Газ	Потенциал, иониз., Uи	Потенциал возб, Uв
H2	15,4 В	11,2 В
N2	15,8 В	6,1 В
CO2	13,7 В	10,0 В

 

 

1.3 Виды ионизации:

 

а) ионизация при столкновении (ударная ионизация). Энергия частицы, движущейся в однородном поле

W=qEx,

где q – заряд частицы;

Е – напряженность электрического поля;

х – путь пройденной частицы перед столкновением.

Если условием ионизации является W>Wu, то учитывается что Wx=qUx, тогда получим значение пути Хк, который частица должна пройти до столкновения с последующей ионизацией.

 

;

б) фотоионизация в объеме газа.

Фотоионизация – образование свободных зарядов под действием коротковолнового излучения.

Необходимо выполнять условие

 

, или ,

где с – скорость света;

и - соответственно частота и длина волны излучения;

h – постоянная Планка.

Фотоионизация возможна также в результате излучения самих молекул, участвующих в разряде (рекомб., фотон);

в) термическая ионизация.

Она включает все процессы ионизации, обусловленные тепловым состоянием газа. При температуре 20 С вероятность термоионизации ничтожно мала - 10 лет;

г) ионизация на поверхности электродов (поверхностная ионизация).

Происходит при ионизации в объёме газа также освобождёнными электронами с поверхности электродов (эмиссия).

При этом для освобождения электронов с поверхности затрачивается энергия поверхностной ионизации – энергии выхода электрона.

Эта энергия может быть сообщена:

а) за счёт термоэлектронной эмиссии (нагревание катода);

б) бомбардировкой катода частицами с высокой энергией (положительными ионами);

в) облучением поверхности катода коротковолновым излучением (фотоэлектронная эмиссия);

г) наложением сильного внешнего электрического поля (электростатическая эмиссия). Для её осуществления необходимо Е=1000кВ/см, что в практике не встречается.

 

1.4 Коэффициенты ионизации

 

Дополнительную энергию, необходимую для ионизации, частицы между двумя столкновениями приобретают за счёт ускоряющего действия электрического поля.

Из кинетической теории газов известно, что средняя длина свободного « » частиц с радиусом «R1», в газовой среде с молекулами радиусом «r» при температуре «Т» и давлением «Р» определяется

,

где k – постоянная Больцмана.

Поскольку для электрона r>>r

.

Для иона

.

Т.е. в газовой среде l иона в среднем в 4 раза меньше l_э. Если « » - относительная плотность воздуха, то Р=760 мм рт. столба, t=20 С.

.

То при Т=(273+20)

,

где

.

Определим, какая доля частиц проходит без столкновения путь х (рисунок 2).

Рисунок 2 - Изменение числа нестолкнувшихся частиц

 

Предположим, что из точки х=0 начинает двигаться частица. Число столкновений на пути dx

n

Разделив переменные и проинтергрировав по «х» и «n», получим

.

Таким образом, если все частицы находятся в совершенно одинаковых условиях, то это выражение означает вероятность того, что действительная длина свободного пробега электрона больше или равна «х».

Если при средней длине свободного пробега электрона l_э число столкновений, испытываемых им на пути в 1 см равно , а из этого числа столкновений ионизацией закончатся только те, при которых действительная длина пробега была равна или больше , и вероятность этого равна , следовательно, число ионизаций на пути 1 см

.

Если в это выражение подставить х_и и , то

, или

,

где - коэффициент ударной ионизации, который показывает какое число ионизаций производит один электрон на пути 1 см.

 

1.5 Лавина электронов

 

Допустим, что за счёт внешнего ионизатора с катода появляется I электрон. При его движении к аноду он произведёт ионизацию столкновением.

При 1 ионизации 1 электрон (2). 2 ионизации 2 электрона (4) и т.д. в геометрической прогрессии.

Такой процесс непрерывного возрастания потока электронов называется лавиной электронов.

Появление отрицательных зарядов оставляет за собой положительные заряды, создавая в голове лавины отрицательные заряды.

Определим число электронов в головке лавины при одном начальном электроне. Пусть число электронов на расстоянии х от катода равно «n». Каждый из них произведёт adx ионизаций, а все электроны nadx ионизаций. Таким образом, увеличение числа электронов на пути dx будет равно dn=nadx, или

.

Проинтегрировав по n, получим

n=e .

Это выражение показывает, что число электронов и ионов растёт лавинообразно (рисунок 3).

Рисунок 3 - Искажение поля объемными зарядами электронной лавины

 

1.6 Условие самостоятельного разряда

 

Чтобы разряд стал самостоятельным, необходимо образование новых электронов (вторичных) за счёт процессов в самом газовом промежутке до того, как начальная лавина прекратит своё существование.

Вторичные электроны создаются:

а) бомбардировкой катода положительными ионами, созданными начальной лавиной;

б) фотоионизацией на поверхности катода за счёт начальной лавины;

в) фотоионизацией в объёме газа за счёт излучения начальной лавины.

В каждом случае разряд становится самостоятельным.

Число ионизаций в лавине, достигшей анода при одном начальном электроне, е^aS-1.

Это количество создаёт вторичных электронов и если это число=1, то лавина создаёт один электрон ( - коэффициент вторичной ионизации).

Это означает, что разряд будет поддерживаться, если даже действие внешнего ионизатора прекратится, т.е. оно является условием возникновения самостоятельного разряда.

Его можно записать .

Для воздуха при нормальном и при высоком давлении

.

Тогда

 

 

1.7 Разряд в однородном поле. Закон Пашена

 

В промежутке с однородным полем условие самостоятельности разряда является одновременно и условием пробоя промежутка.

.

Из ранее записанного ( ) получаем

,

В этом выражении для воздуха (рисунок 4).

Рисунок 4 - Зависимость

 

Эта зависимость была установлена Пашеном, поэтому его называют законом Пашена. На практике для однородного поля:

 

1.8 Стримерная теория заряда

 

Для разряда в однородном поле начало идёт с лавины 1, развивающейся от катода к аноду (рисунок 5).

После пробега лавиной расстояния Х_к, когда плотность электронов в головке лавины превышает критическое значение, происходит резкое искажение поля и интенсивность ионизации возрастает настолько, что может произойти образование фотоэлектрона 2 на некотором расстоянии перед фронтом лавины (а). Фотоэлектрон начинает медленно перемещаться по направлению к аноду, создавая вторичную лавину 3. Таким образом, объёмный заряд начальной лавины оказывается перемещенным Х^/ DХ к аноду.

Рисунок 5 - Стримерное развитие заряда

 

Область между начальной и вторичной лавинами заполняется электронами начальной и положительными ионами вторичной лавины, т. е. образуется канал 4, заполненный плазмой (в).

Стадия разряда, на которой возможна фотоионизация за счёт излучения самой лавины с образованием канала высокой проводимости, называется стримерной, а сам канал - стример (англ. stream – поток).

После того как стример достигнет противоположного электрода (2), между электродами образуется канал высокой проводимости и развивается главный разряд (2).

 

1.9 Разряды в резко неоднородных полях. Влияние полярности электродов

 

Рассмотрим, как влияет полярность стержня на развитие заряда (рисунок 6).

Рисунок 6 - Возникновение короны в промежутке стержень-плоскость

 

Объёмный заряд при положительной полярности стержня способствует прорастанию стримера до противоположного электрона, т.е. облегчает пробой.

Около отрицательного стержня остаётся довольно компактный положительный объемный заряд, который резко искажает электрическое поле, усиливая его вблизи стержня и ослабляя в остальной части.

 

1.10 Разряды при кратковременном воздействии напряжения

 

На практике на изоляцию воздействуют также напряжения чрезвычайно малой длительности – так называемые импульсные (молния и т. п.).

U0 – напряжение самостоятельного разряда.

До точки l, когда U<U0, разряд начаться не может (рисунок 7). В точке l разряд ещё не начинается, т. к. для его начала нужно, чтобы в промежутке был хотя бы один эффективный электрон.

Рисунок 7 - Составляющие времени разряда

 

Процесс образования свободных электронов носит статистический характер, поэтому время для появления первого эффективного электрона t - время статистического запаздывания.

Разряд начинается в точке 2 и заканчивается в точке 3 через некоторое время t_ф, в течение которого происходит формирование разряда.

Полное время разряда , причём , называют временем запаздывания разряда.

Среднее статистическое время запаздывания зависит от характера поля, материала катода, величины приложенного напряжения и интенсивности внешнего ионизатора.

Как ранее рассматривалось, разряд проходит три основные стадии:

а) пробег начальной лавины Х ;

б) распространение стримера на всю длину искрового промежутка;

в) развитие главного разряда.

Так как скорость стримера выше скорости лавины, то можно считать, что

.

При , , .

Зависимость U=f(t) называют вольт-секундной характеристикой искрового промежутка. По стандарту МЭК

, .

 

1.11 Вольт-секундные характеристики промежутков

 

Упрощенное построение вольт-секундных характеристик может быть выполнено, исходя из формулы Горева-Макшиллейсона

.

Постоянные А, Т определяются экспериментально. Характеристики U=f(t) имеют большое значение для координации изоляции (рисунок 8).

Рисунок 8 - Определение длины фронта и длины волны стандартного импульса

 

Например: для защиты изоляции электрического оборудования от волн перенапряжений включают разрядник или искровой промежуток.

Характеристика U/t/ (1) своими точками должна быть расположена ниже U/t защищаемой изоляции (2) (рисунок 9). Если U/t/ будет пересекаться (3), то при некоторых амплитудах волны изоляция будет повреждена.

Построение U/t/ характеристик получать экспериментально трудоемко, поэтому вместо них пользуются двумя характерными величинами:

а) 50% разрядное напряжение – амплитуда такой импульсной волны, при многократном воздействии которой разряд наступает в 50 % случаев приложения напряжения;

б) отношение 50% разрядного напряжения к амплитуде разрядного напряжения при длительном воздействии (50 Гц) называют коэффициентом импульса.

Рисунок 9 - Вольт-секундная характеристика промежутков

 

 

.

Для однородных полей b»1, неоднородных b>1.

 

1.12 Методы повышения электрической прочности газов

 

Для повышения электрической прочности газов часто применяют глубокий вакуум и повышенное давление.

Однако в резко неоднородных полях для электроотрицательных газов (воздух, кислород) при повышенных давлениях наблюдается аномалия: при положительной полярности стержня и давлении порядка 6-10 атмосфер разрядные напряжения резко падают, примерно в 1,5-2 раза, затем начинают вновь увеличиваться.

В последнее время, помимо азота, в изоляции применяют фреон CCl F, элегаз. Электрическая прочность этих газов выше электрической прочности воздуха в 2,4-2,6 раза. Они химически инертны, не разлагаются практически при электрических разрядах.

В резко неоднородных полях для повышения электрической прочности применяют барьеры (рисунок 10).

Электрическая прочность самого барьера большой роли не играет. Положительные ионы растекаются по поверхности барьера, а напряженность поля на участке барьер-плоскость возрастает, стержень-барьер падает. Поле между барьером и плоскостью распределяется более равномерно.

При положительной полярности стержня наличие барьера приводит к значительному повышению разрядных напряжений.

При отрицательной полярности стержня барьер задерживает электроны, которые двигаются к плоскости и на поверхности образуются отрицательные ионы. Таким образом, отрицательный объемный заряд как бы переносится ближе к плоскости, пробивное расстояние сокращается, и разрядные напряжения снижаются.

 

Рисунок 10 - Барьер в резко неоднородных полях

 

1.13 Коронный разряд

Коронный разряд представляет собой лавинно-стримерную форму устойчивого разряда. Это вид незавершенного разряда.

Разряд сопровождается: свечением в виде ореола (корона); потерями электрической энергии; электромагнитными высокочастотными колебаниями и их излучением; рядом химических реакций (озон, NO, NO…); характерным шумом и механическими вибрациями.

Ток короны представляет собой кратковременные импульсы амплитудой 6-8 мкА.

 

1.14 Корона на проводах при постоянном напряжении

 

В случае положительной полярности провода, возникающие в области ионизации электрона уходят на провод, а положительные ионы образуют объемный заряд, перемещающийся постепенно к катоду. При отрицательной полярности провода электрона выносятся из области ионизации и образуют отрицательные ионы, медленно перемещающиеся к аноду. Положительные ионы уходят на провод.

Униполярная корона может быть получена, если два провода разделены заземляющей проводящей плоскостью (рисунок 11 а).

Биполярная корона возникает в системе двух проводов, где ионы разной полярности частично другого электрода и частично рекомбинируют (рисунок 11 б).

Критическая напряжённость поля, при которой корона приобретает форму самостоятельного разряда, практически не зависит от полярности электродов и двух проводов радиусом r, находящихся на расстоянии S>>r друг от друга, может быть рассчитана, как

 

Рисунок 11 - Корона при постоянном напряжении

 

кВ_мах/см.

Соответствующее критическое напряжение

кВ .

Мощность потерь на корону

где А – коэффициент, зависящий от расположения и размеров проводов.

 

1.15 Корона на проводах при переменном напряжении

 

При переменном напряжении объемные заряды короны вначале отталкиваются силами поля от провода, затем при изменении полярности притягиваются к нему. Напряженность короны рассчитывается, как и в случае короны при постоянном напряжении.

Потери на корону можно рассчитать по формуле Пика

,

где r и S – радиус провода и среднегеометрическое расстояние между проводами (см);

U - действующее значение фазного напряжения, кВ.

кВ;

где U - напряжение возникновения потерь на корону;

m и m характеризует состояние провода (коэффициент шероховатости) и погодный коэффициент.

Для идеального провода m =1 (0.8-0.9), для хорошей погоды m =1 (0,8). Эта формула дает возможность произвести оценку величины потерь.

 

1.16 Пути снижения потерь на корону

 

В настоящее время выбор проводов ЛЭП и п/ст производят из условия, чтобы m =1 и потери на корону были близки к нулю.

Минимальный диаметр провода определяется

см.

Для ЛЭП 110, 220, 330 кВ и 500 кВ: ; 2,5; 3,8; 5,8 см соответственно.

Для этой цели были разработаны и расширенные провода (рисунок 12).

Рисунок 12 - Полый (а) и расширенный (б) провода

 

Эти проводники могут быть выполнены для снижения потерь на корону и путём расщепления провода фазы на несколько параллельных проводников.

Рисунок 13 - Расщепление проводов

При этом вместо одного провода большого диаметра и применяют пучок из 2, 3 и 4 стандартных проводов меньшего диаметра, но с суммарным сечением, равным или несколько большим сечения одного провода.

Наибольшая напряженность в этом случае (с наружной поверхности) оказывается ниже наибольшей напряженности у поверхности одного провода и зависит от шага расщепления «а».

Шаг «а» обычно лежит в пределах 40-50 см. На 330 кВ – два, 500 кВ – три, 750 кВ – 4 провода на фазу (рисунок 13).

1.17 Поверхностный разряд

 

При работе высоковольтного оборудования неизбежно контактирование его изоляции с воздухом (фарфор, масло и т. п.). При определенных условиях вдоль поверхности раздела этих диэлектриков возникает разряд, который и получил название – поверхностный.

Разрядные напряжения по поверхности диэлектрика зависят от рода диэлектриков, состояния его поверхности, рода приложенного напряжения и формы электрического поля. Рассмотрим три характерных случая (рисунок 14).

Рисунок 14 - Характерные случаи расположения диэлектрика

в электрическом поле

 

Диэлектрик находится в однородном поле. Силовые линии параллельны поверхности диэлектрика (редкий случай – а).

Диэлектрик находится в резко неоднородном поле. Тангенциальная составляющая электрического поля преобладает над нормальной (характерно для неполярной изоляции - б).

Диэлектрик находится в резко неоднородном поле. Нормальная составляющая преобладает над тангенциальной (проходные изоляторы - в).

Рассмотрим распределение напряженности поля по поверхности проходного изолятора (рисунок 15). На эквивалентной схеме замещения С₀ представляет собой ёмкость единицы поверхности изолятора относительно электрода и называется удельной поверхностной ёмкостью, К₀ - емкость между соседними единицами поверхности изолятора. Из схемы замещения видно, что токи i₀, протекающие через ёмкости К₀, неодинаковы: через ближайшие к электроду l емкости К₀ протекают токи всех последующих емкостей С₀. В результате напряжение на поверхности изолятора распределяется неравномерно, и напряженность у края электрода l будет тем выше, чем больше соотношение С₀/ К₀.

Так как емкость К₀ довольна стабильна и равна в среднем 2-3 пФ, а С₀ зависит от e диэлектрика 3 изолятора и его толщины, то распределение напряжения по поверхности изолятора будет тем более неравномерно, чем больше поверхностная емкость С₀.

Напряжение возникновения скользящего разряда зависит от величины поверхностной ёмкости С₀, через которую замыкается ток стримера, может быть определено по эмпирической формуле Теплера

,

где С₀ - удельная поверхностная ёмкость, Ф/см .

Рисунок 15 - Распределение напряжения по поверхности диэлектрика

 

Длина искр скользящего заряда l зависит от поверхностной ёмкости и скорости изменения напряжения (так как эти величины определяют ток стримера, развивающегося на поверхности диэлектрика) и может быть определена по эмпирической формуле

l_ск= .

 

2 Изоляция установок высокого напряжения

 

2.1 Характеристики изоляторов и их испытания

 

Токоведущие части электроустановок, находящиеся под разными потенциалами, должны быть надёжно закреплены и изолированы от заземленных частей и друг от друга. Осуществляется это с помощью различного рода изоляторов.

Изоляторы по назначению бывают линейные, станционные и аппаратные. Линейные изоляторы применяются для крепления проводов ЛЭП, станционные – для изоляции и крепления шин и токопроводов в РУ. Аппаратные – входят как отдельный элемент в конструкцию того или иного аппарата.

Материал и конструктивное выполнение изолятора должны обеспечить его работу в течение длительных сроков, при условии воздействия механических нагрузок, вибраций, резких изменений температуры, загрязнений, а изоляторы, предназначенные для работы в наружных установках – в условиях дождя, тумана, промышленных уносов и т. д.

Наиболее распространенным материалом для изготовления изоляторов является фарфор (Е =20-25 кВ/мм; =3000-5000 кг/см ; =600-900 кг/см ; =300-500 кг/см ).Прочен, стоек к агрессивным воздействиям, хорошо освоена технология изготовления, недорог.

 

В качестве сырья для изготовления изоляторов также используют:

- стеатит, имеющий повышенную механическую прочность и меньший tg в сравнении с фарфором;

- малощелочное закаленное стекло, которое по механическим, электрическим характеристикам не уступает фарфору (линейные изоляторы). Разновидностью стекла является ситал, применение которого еще ограничивается сложностью изготовления изделий и высокой стоимостью;

- фторопластовые, эпоксидные смолы и т. д.

Потеря изоляторами изолирующих свойств может произойти или при пробое изолирующего материала, или при дуговом перекрытии по его поверхности. В первом случае изолятор становится непригодным вообще, а во втором случае после перекрытия электрическая прочность восстанавливается. Таким образом, изоляторы конструируются так, чтобы .

Напряжение перекрытия изоляторов в значительной мере зависит от условий их работы. Для изоляторов внутренней установки основной характеристикой является сухоразрядное напряжение, U_схр - это минимальное разрядное напряжение при промышленной частоте и сухой чистой поверхности изоляторов.

U_схр зависит и меняется пропорционально разрядному расстоянию l_u ( и по воздуху).

U =Е l ,

где Е_схр - средняя напряжённость вдоль l_u, зависящая от типа изолятора. Е =3-5 кВ/см;

l_u >2 м, чтобы сохранить пропорциональность между U_схри l_u, применяют специальные экраны для выравнивания поля вдоль колонки или гирлянды изоляторов, обеспечивающие также пропорциональный темп роста с U_схр до l_u =5-6 м.

С целью приведения U_схр к нормальным условиям, чтобы можно было сравнить (нормальные условия: Р=760 мм.рт.ст.; t=20 С; абсолютная влажность – 11 г/м , относительная влажность - 63,5%), вводят коэффициент k.

Тогда U_схр = ,

где k – коэффициент, зависящий от относительной плотности воздуха.

В условиях высот 1000 м и более зависимость k=f(d) определяется

k=0.14+0.86d.

Сухоразрядное напряжение возрастает при увеличении абсолютной влажности воздуха почти пропорционально последней

U_схр = , (А)

где - поправка, определяемая по номограммам.

При относительных влажностях больше 80-85% выражение (А) несправедливо, так как при этих условиях с ростом влажности напряжение перекрытия начинает уменьшаться.

 

 

2.1.1 Мокроразрядное напряжение

 

Оно определяется при f=50 Гц как минимальное напряжение перекрытия при стандартном дожде, имеющем характерную капельную структуру и падающем под 45 на изолятор.

Интенсивность дождя – 3 мм/мин и удельное сопротивление воды (9,5-10,5) - 10 Ом при 20 С (ГОСТ 1516-73).

Мокроразрядное напряжение всегда ниже на 20-30% сухоразрядного (за исключением очень длинных гирлянд, когда эти величины почти совпадают).

Так как разряд при дожде развивается частично вдоль смоченных поверхностей, а частично в воздухе, величина U_схр зависит от плотности воздуха. При пересчете на нормальные условия принимается, что 1/2 напряжения при возникновении разряда приходится на воздушные промежутки и соотношение U_мкр и U_схр измеренного напряжения выразится формулой

.

От температуры воздуха U_мкр почти не зависит.

Перекрытия изоляторов чаще всего происходят при туманах и дождях слабой силы (0,1-0,2 мм/мин).

Оценку импульсной прочности изоляторов производят по величине импульсного разрядного напряжения, под которым понимается 50% разрядное напряжение при испытаниях полярной и срезанной волной. Импульсные разрядные напряжения выше сухоразрядных и почти не зависят от загрязнения и увлажнения поверхности изолятора. Величина их зависит от формы и полярности импульса, пути разряда и конструкции изолятора.

При импульсных испытаниях канал разряда не отрывается от поверхности изолятора, поэтому разрядное расстояние при импульсах больше и приблизительно равно l_u.

Величина минимального импульсного разрядного напряжения: U_и=5,0l_и (кВ_мах) при l_u >30 см.

 

2.1.2 Пробивное напряжение изоляторов и их испытания

 

Оно увеличивается для фарфорового изолятора с ростом толщины фарфора и примерно находится в соотношении U_пр=80 (кВ).

Но так как электрическая и механическая прочность фарфора с увеличением толщины быстро снижается, при изготовлении изоляторов не применяют фарфор толщиной свыше 4 см, за исключением стержневых и колонковых изоляторов диаметром до 12 см.

Механическая прочность нормируется в соответствии с условием их работы. Для линейных подвесных изоляторов нормируется прочность на растяжение, для опорных и проходных – прочность на изгиб. Для большинства типов изоляторов основной механической характеристикой является минимальная разрушающая нагрузка при её плавном подъеме, вызывающая полное или частичное разрушение изолятора.

В подвесных линейных изоляторах при возрастании нагрузки возможно появление скрытых трещин. Такие изоляторы одновременно испытываются воздействием напряжения, равного 75-80% сухоразрядного, и плавно нарастающей растягивающей механической нагрузкой. Величина нагрузки в момент нарушения электрической прочности изолятора называется электромеханической прочностью изолятора.

В маркировке подвесного изолятора указана максимальная электромеханическая нагрузка одночасовая, которую изолятор выдерживает без повреждений. Рабочие нагрузки должны быть не менее чем в два раза ниже часовой испытательной нагрузки.

Изоляторы также испытываются на теплостойкость. Заключается это в ряде последовательных нагревов и резких охлаждений с перепадом температур 60-70 С.

При изготовлении и выпуске изоляторов с завода ГОСТ предусматривает типовые, контрольные и выборочные испытания.

Типовые - более полные (пробивное напряжение, вольт-секундная характеристика, угол потерь tg , сопротивление утечки, механические и тепловые характеристики). Проверяется качество и состояние изолирующего материала, глазури, соответствие техническим условиям формы и размеров изоляторов.

Контрольные – повышенным напряжением для каждого изолятора в процессе производства для отбраковки дефектных изделий.

Выборочные проводятся почти по всей программе, как для типовых. При сдаче изоляторов заказчику отбирается 0,5%. Если хотя бы один изолятор не выдерживает испытаний, производят ещё отбор 0,5%. Если в ней окажется дефектный изолятор, партия бракуется.

 

2.2 Конструкция линейных и подвесных изоляторов

 

Линейные изоляторы по конструкции разделяются на штыревые и подвесные.

Штыревые на U=10 кВ и реже 20-25 кВ (рисунок 16).

Рисунок 16 - а – изолятор типа ШС (6-10 кВ);

б – изолятор типа ШД (20 кВ)

 

Штырь обматывается паклей, пропитанной суриком. Провод крепится сверху в канавке или на шейке изолятора.

Подвесные изоляторы: тарельчатые и стержневые.

Тарельчатый изолятор (рисунок 17) с конусной головкой выполняется из стекла, фарфора с металлической шапкой и металлическим стержнем. Крепление арматуры осуществляется с использованием высококачественных цементов. Поверхность изоляторов глазуруется, а внешняя и внутренняя поверхности конусной головки покрываются битумом.

Рисунок 17

 

Цемент с такими поверхностями не скрепляется, и это обеспечивает возможность малых перемещений цемента и фарфора. Это предупреждает появление опасных механических напряжений в фарфоре при резких колебаниях температуры.

Растягивающие усилия на стержень и шапку вследствие расклинивающего эффекта приводят к тому, что фарфор нижней части головки принимает сжимающие нагрузки. Это обеспечивает высокие механические таких изоляторов.

Размеры тарелки и форма ребер нижней части тарелки выбраны, исходя из многочисленных опытных данных, и обеспечивают U_мкр приблизительно 40 кВ действ.

Стержневые подвесные изоляторы (рисунок 18) представляют сплошной фарфоровый стержень с рёбрами, армированный сверху и снизу металлическими шапками с коническими внутренними поверхностями. При использовании стержневых изоляторов достигается значительная экономия металла. Одного такого изолятора типа СТ-110 достаточно для изоляции ЛЭП напряжением 110 кВ.

Основной недостаток стержневых изоляторов – обрыв провода при разрушении изолятора электрической дугой или механическим ударом. Тарельчатые изоляторы даже будучи электрически пробитыми, как правило, способны нести механическую нагрузку. Поддерживающие – для подвеса проводов, натяжные – на анкерных и угловых опорах. Изоляторы могут собираться в гирлянды.

Подвеска проводов больших сечений осуществляется на сдвоенных и строенных гирляндах.

 

Рисунок 18 - Стержневой изолятор типа СТ-110

 

2.3 Конструкция опорных и проходных изоляторов

 

Опорные изоляторы для внутренней установки напряжением 3-35 кВ выполняются, как правило, стержневого типа и состоят из фарфорового тела и металлической арматуры. Изоляторы серии О (рисунок 19, а) имеют внутреннюю герметизированную полость. Арматура в виде шапки для закрепления шин и круглого или овального основания скрепляется с фарфором при помощи цемента. Ребристость развита слабо и служит для некоторого увеличения сухоразрядного напряжения. Наибольшее влияние оказывает ребро, расположенное у шапки, которое выполняет как бы роль барьера, выравнивая поле в области высоких напряженностей.

Рисунок 19 - Опорные изоляторы типа О

 

Изоляторы серии ОМ (рисунок 19, б) имеют меньший вес и высоту по сравнению с изоляторами серии О и несколько лучшие электрические характеристики. Достигается это внутренней заделкой арматуры. При этом наибольшие напряженности наблюдаются в фарфоре, воздушная полость отсутствует и арматура играет роль внутреннего экрана.

Опорные изоляторы, предназначенные для работы в открытых распределительных устройствах, имеют развитую ребристость для обеспечения необходимого мокроразрядного напряжения.

Опорные штыревые изоляторы типа ШН, ШТ и ИШД выпускаются на напряжения 6-35 кВ и состоят из одного (рисунок 20, а), двух (рисунок 20,б) или трёх (рисунок 20, в) фарфоровых тел, скрепленных с помощью цемента друг с другом и арматурой в виде колпака и штырями с фланцем. Крепление ошиновки и изоляторов осуществляется с помощью болтов. На напряжение 110, 150 и 220 кВ штыревые изоляторы собираются в колонки соответственно из трех, четырех и пяти изоляторов ИШД-35 (ОШН-35).

Рисунок 20 - а – типа ШН-10; б – типа ШТ-35;

в – типа ИШД-35

 

Стержневые изоляторы для наружной установки выпускаются на напряжение до 110 кВ (рисунок 21). Число и размеры ребер выбираются на основании опытных данных. При отношении вылета ребра к расстоянию между рёбрами, равном примерно 0,5, мокроразрядные напряжения при данном разрядном расстоянии получаются наибольшими.

Рисунок 21 - Стержневой изолятор 110 кВ

 

Проходные изоляторы на напряжение 6-35 кВ изготавливаются чаще фарфоровыми. Их конструктивное выполнение определяется величиной напряжения, тока, допустимой механической нагрузкой на изгиб и окружающей средой.

Изолятор (рисунок 22) состоит из фарфорового тела цилиндрической формы 2, плотно скрепленного с помощью армированных на цементе металлических концевых колпачков 1 с токоведущим стержнем 3. Фланец 4 служит для крепления изолятора к стене здания или корпусу аппарата. Так же, как и изоляторы других типов, проходные изоляторы выполняются таким образом, чтобы напряжение пробоя изолятора было выше напряжения перекрытия вдоль его поверхности. Напряжения пробоя фарфоровых проходных изоляторов зависит от толщины фарфора. Однако конструкция таких изоляторов практически определяется необходимой механической прочностью, расчётным напряжением перекрытия и мерами по устранению короны.

Рисунок 22 - а – на напряжение 6-10 кВ для внутренней установки;

б – на напряжение 35 кВ сплошной конструкции для наружной установки

 

Изоляторы на напряжения 3-10 кВ (рисунок 22, а) выполняются с внутренней воздушной полостью 5. Специальных мер по устранению возможности коронирования при таких напряжениях принимать не надо. При напряжениях 20-35 кВ возможно появление короны на стержне напротив фланца, где наблюдается небольшая напряженность поля в воздухе. Для предотвращения коронирования изоляторы на такие напряжения изготавливаются без воздушной полости (рисунок 22, б). При этом внутренняя поверхность фарфора металлизируется и соединяется со стержнем для устранения возможности появления разряда. В результате изолятор получается в виде многослойного конденсатора. Длина обкладок и расстояние между ними выбираются такими, чтобы получить наибольшее рациональное распределение радиальных составляющих напряжённости поля в промежутке стержень-фланец и продольных составляющих вдоль поверхности изолятора и в его толще. Такой метод регулирования поля применяется не только в рассматриваемых вводах, но и в конденсаторных вводах с бумажномасляной изоляцией, а также в маслобарьерных вводах.

Станционные изоляторы для подстанций, находящихся в районах повышенного загрязнения, так же как и линейные изоляторы, должны иметь повышенные пути утечки.

Для районов слабого промышленного загрязнения принимаются следующей величины удельной длины пути утечки: и 2,95 см/кВ – соответственно для системы с изолированной и заземленной нейтралью; для районов сильного промышленного загрязнения соответственно и 4,5 см/кВ. Выпускаются специальные опорные штыревые изоляторы с повышенными путями утечки.

Минимальные воздушные промежутки распределительных устройств выбираются в соответствии с испытательными напряжениями для внешней изоляции. Учитываются также требования техники безопасности.

Проходные изоляторы на более высокие классы напряжения имеют большую строительную высоту, заполнение внутренней полости и ряд других дополнительных технических приспособлений.

 

2.4 Изоляция силовых кабелей высокого напряжения

 

Кабельные линии значительно дороже воздушных и поэтому применяются в сильно застроенных городах на территориях промышленных предприятий, при переходах через протяженные водные преграды, т.е. там, где сооружение воздушных линий либо экономически не выгодно, либо просто невозможно.

Изоляция жил кабеля друг от друга и от наружной металлической оболочки осуществляется с помощью слоя изолирующего материала, который должен обладать определенной механической и электрической прочностью. Чаще всего изолирующим материалом служит кабельная бумага, плотно намотанная на жилу и пропитанная минеральным маслом или маслом с добавками, увеличивающими его вязкость и стабильность.

Плотная намотка бумаги на жилу обеспечивается применением механически прочных бумажных лент толщиной 20-170 мм и шириной 10-30 мм. Бумажная изоляция перед пропиткой и в процессе пропитки должна быть тщательно высушена. Сушка ведётся под вакуумом 40-20 мм.рт.ст. для кабелей на напряжения 1-10 кВ и 0,1-0,2 - для кабелей на напряжение 110 кВ и выше при температуре 120-130 С. Вместо масла можно использовать газ при высоком давлении. При напряжении 3-35 кВ применяются также кабели с пластмассовой и резиновой изоляцией.

На напряжения до 35 кВ силовые высоковольтные кабели выпускаются чаще всего трёхжильными, на напряжения 110-500 кВ и выше – одножильными.

Бумажно-масляная изоляция подвергается воздействию рабочих напряжений, коммутационных и иногда (если кабель связан с воздушными сетями) импульсных перенапряжений.

Пробой изоляции кабеля носит тепловой или ионизационный характер, и для увеличения рабочих напряженностей в кабельной изоляции возможны следующие методы:

а) регулирование поля путём применения проводящих или полупроводящих экранов, устраняющих местные увеличения напряженности, например на поверхности многопроволочных жил;

б) применение поверх изоляции каждой жилы собственных металлических оболочек или экранов из металлизированной бумаги, а также выполнение одножильных кабелей. Эти меры приводят к радиальному полю, т.е. устраняют тангенциальную, составляющую поля, относительно окружности жил, которая неизбежно присутствует в трёхфазных кабелях с поясной изоляцией, снижая их прочность;

в) градирование изоляции, позволяющее снизить напряженности у жилы кабеля или уменьшить толщину изоляции, осуществив более равномерное распределение напряженности по толщине изоляции. Градирование изоляции в кабелях выполняется при помощи бумаги различной плотности и толщины. Более тонкая и плотная бумага имеет большую диэлектрическую проницаемость и электрическую прочность (рисунок 23) и наматывается слоями, ближайшими к жиле. Последующие слои выполняются из более дешёвой имеющей меньшую диэлектрическую прочность бумаги. Как видно из рисунка, применение трёхслойного градирования позволяет уменьшить толщину изоляции маслонаполненного кабеля на напряжение 110 кВ с 16,8 до 12,6 мм;

г) применение масла или газа под давлением, которое затрудняет развитие ионизационных процессов и значительно увеличивает электрическую прочность бумажно-масляной или бумажногазовой изоляции. Повышение давления снижает также зависимость пробивной напряженности от времени приложения напряжения и позволяет стабилизировать электрическую прочность изоляции на высоком уровне.

 

Рисунок 23 - Распределение напряженности по толщине градированной (кривая 1) и неградированной (кривая 2) изоляции кабеля на напряжение 110 кВ

 

Развитие ионизационных процессов в кабельной изоляции, пропитанной маслом или компаундом, начинается или с частичных пробоев масляных плёнок, или с разрядом слабой интенсивности в газовых включениях. Последние могут остаться в изоляции при изготовлении вследствие некачественной пропитки или появляться в результате переменных тепловых нагрузок кабеля. Нагрев и охлаждение приводят к необратимым деформациям оболочки, и в кабелях с вязкой пропиткой образуются газовые полости и пузырьки. Конструктивно имеются различия в устройстве кабелей.

Кабели с вязкой пропиткой. Пропитка изоляции в этих кабелях выполняется масляно-канифольным компаундом. Добавка в масло канифоли (1-30% объёма масла) обеспечивает повышенную вязкость пропитывающей массы, что необходимо для предотвращения вытекания компаунда из концов кабеля и перетекания компаунда в кабелях при наклонных трассах.

Ленты бумаги плотно навиваются на жилу кабеля по спирали с зазором 1,5-3,5 мм. Зазоры необходимы для предотвращения разрывов ленты при изгибании кабеля. Прочность масла в зазоре меньше прочности бумаги, поэтому следует избегать наложения зазоров.

Трёхфазные кабели на напряжение не выше 15 кВ обычно выполняют с поясной изоляцией. Конструкция такого кабеля приведена на рисунке 24. Для лучшего использования сечения кабеля жилам 1 придаётся секторная форма, каждая жила охватывается фазовой изоляцией 2, повторяющей секторную форму жилы. Поверх фазной изоляции все жилы охватываются поясной изоляцией 3.

Рисунок 24 - Трехжильный кабель с поясной изоляцией

 

Пространство между изолированными жилами забивается низкопробной изоляцией (жгуты, скрученные из бумаги) 4. Поверх поясной изоляции накладывается герметичная свинцовая или алюминиевая оболочка 5 и защитная броня из стальных лент или проволок 6. Броня защищается от коррозии битумным составом и пропитанной пряжей 7.

При напряжениях 20 и 35 кВ применяются кабели с отдельно освинцованными жилами и кабели с экранированными жилами. В этих кабелях (рисунок 25) для создания радиального поля и устранения местного усиления поля у многопроволочной круглой жилы поверх жилы 1 и фазовой изоляции 3 накладывают экраны 2, 4 из фольги или металлизированной бумажной ленты. Радиальность поля позволяет увеличить напряженность в изоляции кабелей рассматриваемых типов почти в два раза по сравнению с кабелями с поясной изоляцией. Кабели с отдельно освинцованными жилами допускают увеличение токовых нагрузок по сравнению с кабелями поясной изоляцией и с тем же сечением жил на 10-20%. Это объясняется тем, что наличие свинцовых оболочек 5 улучшает условия отвода тепла.

Рисунок 25 - Трехфазный кабель на напряжение 35 кВ с отдельно освинцованными жилами

 

Нормальные кабели на напряжения 3-35 кВ с вязкой пропиткой нельзя использовать для вертикальных прокладок при разности уровней 10-15 м или на протяженных, сильно наклонных трассах, так как пропиточная масса будет стекать и оболочка кабеля деформируется. Для вертикальных прокладок используют специальные кабели с объединенной пропиткой изоляции.

Выпускаются те же кабели с пропиткой бумаги битумными составами на основе синтетических смол, не стекающих даже при высоких температурах.

Маслонаполненные кабели. При напряжении 110 кВ и выше бумажная изоляция жилы кабеля пропитывается чистым дегазированным, имеющим повышенную стабильность и газостойкость маслом, находящимся в кабеле под избыточным давлением. Маслонаполненные кабели выпускаются обычно одножильными и в зависимости от давления масла бывают низкого ( до 1), среднего ( =3-5) и высокого ( =10-15) давления.

Масло проникает в изоляцию через зазоры в жиле из масляного канала в центре жилы, а также (в кабелях высокого давления напряжения 220-500 кВ) из масляных каналов, выполненных в виде выточек в свинцовой оболочке. Типичная конструкция маслонаполненного кабеля приведена на рисунке 26. Для непрерывного поддержания в проложенном кабеле необходимого избыточного давления и компенсаций температурных колебаний объема масла вдоль кабельной линии через 1-2,5 км устанавливаются специальные баки давления и питания, которые подключаются к кабелю в концевых и стопорных муфтах. С помощью последних масляный канал разделяется на отдельные, герметичные по отношению друг к другу участки.

Характеристики маслонаполненного кабеля ухудшаются при низких температурах – ниже 0⁰С, так как при повышенных вязкостях ухудшается пропитка. Это затрудняет применение маслонаполненных кабелей в северных районах.

Рисунок 26 - Маслонаполненный кабель среднего давления на напряжения 110-220 кВ: 1 – маслопроводящий канал; 2 – жила; 3 и 5 – экраны из полупроводящей бумаги; 4 – изоляция; 6 – свинцовая оболочка;

7 – усиливающие и защитные покровы

 

Кабели в стальных трубах с маслом или газом под давлением. Эти кабели могут конкурировать с маслонаполненными кабелями и находят применение на напряжение 110-500 кВ. Давление в трубе до 15 –ти (рисунок 27).

Рисунок 27 - Маслонаполненный кабель в стальной трубе

 

В трубу 2, предварительно вакуумированную и высушенную, протягиваются все три изолированные фазы 5. Труба, диаметр которой в 2,6-2,8 раза больше диаметра кабеля, надёжно защищает изолирующий слой, и поэтому оболочка кабеля выполняется облегченной – две медные перфорированные ленты 4 поверх полупроводящего бумажного экрана. Для предотвращения повреждения кабеля при затягивании в трубу на медные ленты спиралью накладываются медные или бронзовые полукруглые проволоки 1. После монтажа трубопровод заполняется маслом 3, которое пропитывает изоляцию 6. Давление в трубопроводе поддерживается автоматически насосными подпитывающими станциями, которые располагаются на расстоянии 10-15 км друг от друга.

Газонаполненные кабели. Кабели этого типа широко применяются на напряжения 35 кВ и выше при прокладке на крутонаклонных трассах. Конструкция одножильного кабеля напоминает конструкцию маслонаполненного кабеля. Осушенный азот или азот с примесью 20% элегаза под давлением заполняет проводящий канал в центре жилы и проникает в обедненно пропитанную изоляцию. Давление газа увеличивает электрическую прочность изоляции и затрудняет развитие ионизационных процессов. Применяют кабели низкого ( до 2), среднего ( =3-6) и высокого ( =12-15) давления. Давление в кабелях поддерживается автоматически от баллонов со сжатым газом, соединенных с кабелем при помощи специальных муфт. Арматура подпитки, однако, здесь дешевле и проще, чем на трассах маслонаполненных кабелей.

На напряжение 35 кВ выпускаются трёхжильные кабели (рисунок 28). Газопроводящие каналы 1 расположены между жилами 2 вблизи свинцовой оболочки 3.

 

Рисунок 28 - Трехжильный газонаполненный кабель среднего давления на напряжение 35 кВ

 

Кабели с пластмассовой и резиновой изоляцией. Всё более широкое применение имеют кабели с полиэтиленовой изоляцией. Хотя допустимые напряженности в изоляции этих кабелей невелики – до 2- 2,3 кв/мм, они могут успешно конкурировать с кабелями вязкой пропитки и выпускаются на напряжение до 35 кВ. Полиэтиленовые кабели легче и не требуют сложных влагонепроницаемых оболочек, полиэтилен обладает высоким удельным сопротивлением и имеет малые диэлектрические потери. Низкие допустимые напряженности вызваны возможностью развития ионизационного пробоя в изоляции этих кабелей, при наличии воздушных включений и местных усилений поля. Последнее в кабелях на напряжения 10 и 35 кВ стараются устранить применением полупроводящих экранов вокруг жилы и фазной изоляции кабеля.

Кабели с полихлорвиниловой и резиновой изоляцией выпускаются на напряжение до 6 кВ и имеют худшие электрические характеристики, чем кабели с полиэтиленовой изоляцией.

Кабельные муфты. Соединение отдельных участков кабелей между собой и разделка концов осуществляется с помощью соединительных и концевых кабельных муфт. Монтируются они, как правило, при прокладке кабеля, т.е. в условиях существенно отличающихся от заводских. Поэтому выполнение их требует особой высокой квалификации, и допустимые напряженности для изоляции соединительных кабельных муфт принимаются примерно в два раза меньше, чем для собственной изоляции кабеля. Соединительные муфты для кабелей с вязкой пропиткой выполняются в металлическом (чаще свинцовом) кожухе, герметически спаянном с оболочкой кабеля. Изоляция жил осуществляется намоткой пропитанной изоляционной бумаги, перекрывающей ступенчатую разделку заводской изоляции. Пространство между изолированными жилами и корпусом заливается битумной мастикой или эпоксидной смолой. Гильзовые соединения жил опрессовываются.

Концевые муфты кабелей на напряжения 6-10 кВ выполняются в виде заполненных битумным компаундом металлических воронок или перчаток; в сухих помещениях наиболее распространена сухая разделка с применением полихлорвиниловой ленты и специальных клеящих лаков.

Стопорные, полустопорные соединительные муфты масло- и газонаполненных кабелей имеют сложную конструкцию, так как должны обеспечивать герметичность при высоких давлениях и обеспечивать необходимую электрическую прочность. Конструкции концевых муфт этих кабелей близки к конструкции проходных изоляторов.

 

2.5 Изоляция высоковольтных конденсаторов

 

Назначение и режимы работы различных типов конденсаторов в значительной мере определяют их конструктивное выполнение и изоляцию.

Наиболее подходящим материалом, широко используемым при изготовлении конденсаторов всех типов, до настоящего времени является пропитанная конденсаторная бумага высокой плотности (1,0-1,2 г/см ), толщиной от 5-30 мк. Для конденсаторов постоянного напряжения применяется также менее дорогая кабельная бумага толщиной 0,08-0,17 мм. Конденсаторная бумага применяется двух сортов: КОН-1 и КОН-11. Бумага КОН-11 более плотная, имеет большие диэлектрические потери и используется чаще в конденсаторах постоянного напряжения. Вместо бумаги могут быть использованы пленки из полимеров (полиэтилена, фторопласта) или полимерные перекрытия, которые наносятся непосредственно на фольгу. Пропитка бумаги значительно увеличивает ее электрическую прочность и повышает ее диэлектрическую проницаемость.

Для пропитки бумаги и заполнения корпуса конденсатора используется конденсаторное масло, имеющее повышенную химическую и термическую стойкость. Диэлектрическая проницаемость бумажно-масляной конденсаторной составляет примерно 3,8. При постоянном напряжении используется для пропитки также касторовое масло, имеющее более высокую диэлектрическую проводимость ( =4,5) по сравнению с минеральным и почти такую же электрическую прочность. При переменном напряжении касторовое масло не используется, так как оно имеет диэлектрические потери в 5-7 раз больше, чем минеральное.

Для пропитки могут быть также применены и синтетические полярные жидкости, например совол, имеющий ( =5), что позволяет снизить вес конденсатора на 35-49%. Однако пары совола токсичны. Это ограничивает применение совола, и, кроме того, совольные конденсаторы имеют нестабильные при изменении температуры емкость и tg .

Силовые конденсаторы используются в установках переменного тока для повышения коэффициента мощности («косинусные» конденсаторы), для продольной компенсации в дальних линиях электропередачи, для присоединения к воздушным линиям аппаратуры высокочастотной связи (конденсаторы связи), для отбора от линий высокого напряжения небольшой мощности и других целей. В установках постоянного тока соволовые конденсаторы работают в схеме с инверторами. В лабораторных генераторах импульсных напряжений и токов, а также и в специальных магнитных установках для получения сильных магнитных полей, высокотемпературной плазмы, электрогидравлического эффекта и т.д. используются импульсные силовые конденсаторы.

Во всех случаях силовые конденсаторы выполняют свои функции за счёт того, что в активной части их изоляции, т.е. в изоляции, заключенной между электродами, в некоторые моменты времени накапливается энергия, используемая для разных целей. Энергия, накапливаемая в конденсаторе, равна

,

где V - объём активной части изоляции;

Е - рабочая напряженность в изоляции.

 

Рисунок 29 - Схематическое устройство силового конденсатора для повышения коэффициента мощности

 

Устройство силового конденсатора для повышения коэффициента мощности схематически показано на рисунке 29. В герметизированном корпусе расположены плоскопрессованные рулонные секции, стянутые в пакет между металлическими щеками с помощью хомутов. Между секциями установлены изолирующие прокладки из электрокартона. Изоляция от корпуса выполнена из электрокартона или кабельной бумаги. Внутренний объём конденсатора заполнен пропитывающим составом. В зависимости от номинального напряжения конденсатора и его емкости секции соединяются перемычками в параллельную, последовательную или комбинированную схему. В конденсаторах некоторых типов секции подключаются через индивидуальные предохранители. При этом работоспособность конденсатора сохраняется даже после пробоя нескольких секций.

Секция представляет собой спирально намотанный рулон из лент диэлектрика или алюминиевой фольги, выполняющей роль электродов. В рулонных секциях обе поверхности электродов являются активными, вследствие чего сокращается расход метала на электроды.

 

2.6 Изоляция силовых высоковольтных трансформаторов

 

Внутренняя изоляция трансформаторов, т.е. изоляция обмоток, обводов и других деталей, находящихся под напряжением и расположенных внутри корпуса (бака трансформатора), подразделяется на главную и продольную.

Главная изоляция обеспечивает изоляцию обмоток разных напряжений и фаз друг относительно друга и относительно заземленных частей (магнитопровода бака), продольная включает изоляцию между витками, катушками, отводами и другими элементами одной и той же фазы.

Рисунок 30 - Схема главной изоляции обмотки силового трансформатора

 

Основной изолирующей средой, применяемой в высоковольтных силовых трансформаторах, является трансформаторное масло в комбинации с твёрдыми материалами. Твердые материалы используют в виде покрытий, изолирования или барьеров. Для того чтобы барьеры были эффективны, они должны располагаться перпендикулярно силовым линиям электрического поля. В проходных изоляторах, где электрическое поле в основном радиальное, это без труда достигается путём применения цилиндрических барьеров. В трансформаторах электрическое поле имеет сложную конфигурацию, поэтому приходится применять комбинацию барьеров разной формы.

В трансформаторах применяют в основном три типа барьеров, показанных на рисунке 30: цилиндрический барьер 1, плоскую шайбу 2 и угловую шайбу 3. Количество барьеров зависит от номинального напряжения. В качестве примера показан эскиз изоляции трансформатора 110 кВ.

 

2.7 Изоляция электрических машин высокого напряжения

 

Размеры изоляции статорных обмоток вращающихся машин жестко ограничиваются. Чем выше коэффициент заполнения паза медью, тем больше мощность машины при одинаковых габаритах. Уменьшение размеров изоляционного промежутка требует использования электрически прочных изоляционных материалов и проведения мероприятий по выравниванию поля в изоляции. Для обеспечения надёжной длительной работы изоляции машин необходимо учитывать сложные эксплуатационные условия и электрические, и тепловые, и механические характеристики изоляции.

Высокие напряженности в изоляции возможны при большом её сопротивлении, низких диэлектрических потерях, высокой короностойкости и значительном напряжении начала ионизации. Непрерывное воздействие механических нагрузок и вибрации требует от изоляции электрических машин достаточной механической прочности и монолитности.

Увеличение плотности нагрузок в обмотках электрических машин при заданных условиях охлаждения связано с увеличением допустимой рабочей температуры изоляции и её стойкости к тепловому старению. Срок службы изоляции лежит в пределах 20-25 лет и определяется как общим старением изоляции, так и моральным износом изоляции, машины и установки в целом.

Особенно высокие требования предъявляются к изоляции мощных турбо- и гидрогенераторов. Увеличение плотности нагрузок в обмотках этих машин и удлинение срока их службы достигается также за счёт использования систем форсированного охлаждения (как правило, водородного).

Для изоляции статорных обмоток высоковольтных электрических машин применяются в основном высокопрочные изоляционные материалы на основе щипаной слюды (микалента, микафолий, миканиты).

 

2.8 Изоляция герметизированных распределительных устройств

 

В герметизированных распределительных устройствах (ГРУ) все токоведущие элементы расположены в закрытых металлических кожухах. В качестве изолирующей среды в ГРУ в настоящее время используют сжатый элегаз (SF₆).

Элегазовые ГРУ имеют ряд преимуществ перед открытыми распределительными устройствами (ОРУ) обычного типа:

- размеры ГРУ значительно меньше, чем ОРУ, например площадь ГРУ на 220 кВ в 30 раз меньше, чем площадь ОРУ, а площадь ГРУ на 1150 кВ в 50 раз меньше площади ОРУ;

- ГРУ не создают радиопомех и работают бесшумно, что важно при размещении их в черте города;

- обслуживание ГРУ безопасно, поскольку все элементы, находящиеся под высоким потенциалом, расположены внутри заземлённых электрических кожухов;

- ГРУ имеют более высокую надёжность, так как все токоведущие элементы изолированы от внешней среды (это особенно важно для прибрежных, сильно загрязненных и высокогорных районов);

- ГРУ пожаробезопасны.

Конечно, стоимость оборудования и монтажа ГРУ в настоящее время пока в 2 раза выше, чем ОРУ. Однако в ряде случаев, например, необходимость располагать распределительные устройства под землёй (строительство ГЭС в горах) или в закрытых помещениях (районы Крайнего Севера), стоимость оборудования и монтажа ГРУ уже сейчас ниже стоимости обычных распределительных устройств.

Герметизированное распределительное устройство может состоять из однофазных или трёхфазных ячеек. Крепление и перемещение токоведущих частей обеспечивается изоляционными элементами из твёрдых материалов. Для повышения надёжности, облегчения монтажа, упрощения эксплуатации ячейки ГРУ выполняют состоящими из отсеков, отделенных друг от друга с помощью герметизирующих проходных втулок-изоляторов.

Герметизированное распределительное устройство практически не требует обслуживания. Так как все элементы ГРУ не имеют контакта с атмосферой, то в них исключены аварии связанные с внешними причинами (загрязнениями, увлажнениями и т.п.). Однако электрическая прочность изоляции ГРУ может существенно снизиться из-за утечки элегаза. Поэтому необходимы периодические добавления элегаза и постоянная проверка регуляторов плотности элегаза. Кроме того, 1 раз в 5-10 лет проводятся ревизии выключателей, разъединителей и других аппаратов ГРУ.

Конструкция ячейки ГРУ существенно зависит от типа и конструкции выключателей. Это объясняется тем, что выключатель является наиболее сложным элементом ГРУ. Корпус выключателя является опорой для двух разъединителей и сборных шин. Доступ к элементам ГРУ для их обслуживания обеспечивается с помощью специальных лестниц и переходов.

 

3 Оборудование высоковольтных лабораторий

 

3.1 Испытательные трансформаторы (высоковольтные)

 

Испытательные трансформаторы как правило, изготовляются однофазными. Обмотки высокого напряжения выполняются преимущественно слоевыми. Изоляция между слоями из кабельной бумаги и цилиндров из изолирующего материала. В отличие от силовых они работают обычно непродолжительное время, в течение которого напряжение трансформатора повышается до разряда на объекте, после чего трансформатор отключается.

Для защиты обмотки трансформатора от сверхтоков при разряде и ограничения перенапряжений последовательно с обмоткой включают внешний защитный резистор R, сопротивление которого берут порядка 1 Ом на 1 В номинального напряжения трансформатора. Запас электрической прочности изоляции испытательных трансформаторов невелик и обычно не превышает 20-30%.

Испытательные трансформаторы выполняются с одним или двумя выводами. В схеме с одним выводом ВН второй конец обмотки соединяется с сердечником и баком трансформатора непосредственно через прибор (амперметр).

Эта схема (рисунок 31) позволяет производить испытания объектов в условиях, близких к эксплуатационным, т.е. с одним заземленным полюсом.

Рисунок 31 - Испытательный трансформатор с одним выводом

 

Но по этой схеме необходима изоляция одного из выводов обмотки на полное напряжение, что требует больших и сложных проходных изоляторов и приводит к увеличению габаритов трансформаторов. По такой схеме обычно изготавливают трансформаторы до 500 кВ.

В схеме с двумя выводами (рисунок 32), с сердечником и баком соединяется средняя точка обмотки. Изоляция вводов должна быть рассчитана на половинное напряжение.

В такой схеме один вывод ВН также может быть заземлён. Но т.к. при этом сердечник и бак трансформатора приобретают потенциал U/2 по отношению к земле и обмотке НН, то обмотка НН должна быть изолирована на указанное напряжение от корпуса, а сам трансформатор – от земли и заземлённого оборудования, что требует большего места для установки. Изготавливаются такие трансформаторы на U=750 кВ.

 

Рисунок 32 - Испытательный трансформатор с двумя выводами

 

Наиболее распространенной схемой и надежной, а для наружных установок единственной является конструкция с масляной изоляцией в металлическом баке. Однако она связана с необходимостью применения дорогих и сложных проходных изоляторов ВН, что намного увеличивает размеры установки и затрудняет ремонт трансформатора. Поэтому определенный интерес представляют сухие трансформаторы, которые были созданы на напряжение до 1000 кВ. Их преимуществом является небольшой вес и габариты, легкий доступ к обмотке и элементам изоляции, простота ремонта. Основным недостатком сухих трансформаторов является опасность увлажнения изоляции и значительные повреждения дугой при пробое изоляции обмотки.

Для получения напряжений 500-1500 кВ применяют каскадные схемы включения испытательных трансформаторов. Чаще всего применяют каскадное включение трёх испытательных трансформаторов, что даёт возможность путём несложных переключений получать также высокие напряжения трёхфазного тока с

Рисунок 33 - Схема каскада из трех трансформаторов

 

Это схема (рисунок 33) каскада из трёх трансформаторов с одним выводом ВН. Каждый трансформатор имеет обмотку НН и ВН. Обмотки ВН соединены последовательно. Баки второго и третьего трансформаторов соединены с началом обмоток ВН, имеют потенциалы U₂ и 2U₂ относительно земли и устанавливаются на опорные изоляторы. Напряжение питания U₁ подводится к обмотке НН второго и третьего элементов через промежуточные (изолирующие) трансформаторы, коэффициент трансформации которых равен единице и изоляция которых рассчитана на напряжение U₂.

Более распространена автотрансформаторная схема питания, когда для питания последующих элементов служат обмотки связи ОС предыдущих элементов каскада (рисунок 34).

Обмотки связи электрически соединены с выводами ВН и имеют по отношению к обмотке НН коэффициент трансформации, равный 1.

Начало обмотки ВН первого трансформатора соединено с землёй, следовательно, относительно земли его бак имеет потенциал 0,5 U₂, баки второго и третьего трансформаторов имеют потенциалы 1,5 U₂ и 2,5 U₂, а напряжения на их выходе относительно земли соответственно равны 2 U₂ и 3 U₂. Так как в данной схеме баки всех трансформаторов находятся под напряжением, то от земли должны быть изолированы все три трансформатора каскада.

 

Рисунок 34 - Автотрансформаторная схема каскада

 

Основным преимуществом схемы включения трансформаторов в каскад является облегчение изоляции отдельных трансформаторов, при трех элементах изоляции каждого из них выполняется на 1/3 или 1/6 общего напряжения каскада. Это дает возможность получать высокие испытательные напряжения 1, 1,5 и 2,25 МВ. При выходе из строя одного из элементов каскада работа в лаборатории не прерывается и может быть продолжена на оставшихся элементах.

Сравнивая различные схемы каскадов, следует отметить, что недостатком автотрансформаторной схемы по сравнению с трансформаторной является несколько большая индуктивность рассеяния, различные мощности и конструкция элементов. Достоинством - меньшая стоимость.

 

3.1.1 Регулирование напряжения испытательных трансформаторов

 

Регулирование напряжения испытательных трансформаторов осуществляется со стороны первичной обмотки трансформаторов. Регуляторы напряжения должны удовлетворять следующим основным требованиям:

а) регулирование напряжения должно быть плавным, в регуляторах со скользящими контактами искрение должно отсутствовать;

б) регулятор должен подавать на вход испытательного трансформатора напряжение от нуля до U_1п неискаженной синусоидальной формы;

в) мощность регулятора напряжения должна быть не меньше мощности испытательного трансформатора.

Наиболее совершенным устройством для регулирования напряжения является двигатель-генератор. Этот способ питания обеспечивает плавность регулирования и практически синусоидальную форму кривой напряжения. Недостатком является – высокая стоимость.

Более простым и дешёвым устройством являются индукционные регуляторы, которые выполняются в виде трансформаторов с перемещающейся обмоткой или в виде заторможенного асинхронного двигателя с фазным ротором (потенциал-регуляторы).

Трансформаторы и автотрансформаторы, в которых напряжение регулируется при помощи скользящих контактов плавно или ступенями, относятся к простым и дешёвым регуляторам напряжения. Применяются до 50-100 кВт.

Реостаты со скользящим контактом, включаемые в сеть как потенциометры, применяются до мощностей 1-2 кВт.

 

3.2 Каскадный генератор постоянного тока высокого напряжения

 

Для получения высоких напряжений постоянного тока применяются различные выпрямительные установки. Чаще всего они используются для получения напряжения до 200 кВ (рисунок 35).

Рисунок 35 - Схема удвоения напряжения

 

Схема удвоения напряжения. Конденсатор С₁ заряжается примерно до амплитудного значения напряжения U₂, когда В₁ открыт.

В полупериоды противоположной полярности открывается вентиль В₂, и конденсатор С₂ оказывается включенным на напряжение, равное сумме U_2м трансформатора и напряжения U_2м, уже заряженного С₁. На входе имеют напряжение близкое к удвоенной амплитуде напряжения U₂.

Для получения напряжения свыше 200 кВ обычно применяют схемы умножения – каскадные генераторы постоянного тока. При наличии в схеме повторяющихся узлов С₁ С₂ В₁ В₂, вся цепочка конденсаторов в схеме даст относительно земли напряжение n×2 U_2м, где n – число ступеней каскада.

Реально получаемое на выходе каскадного генератора напряжение отличается от теоретического на величины DU и dU (рисунок 36).

Рисунок 36 - Напряжение на выходе каскадного генератора

 

Участок 1 выходного напряжения соответствует зарядке конденсаторов левой группы (С_1,2….n1), участок 2 – зарядке конденсаторов правой группы, участок 3 – разрядке конденсаторов на R_н.

Анализ работы ГПТ приводит к следующим упрощенным выражениям величины падения напряжения DU и пульсации dU (при С =С =…=С ).

, (1)

, (2)

где n – число ступеней генератора;

I – среднее значение тока нагрузки;

f – частота сети питающей генератор.

Из выражений (1), (2) следует, что для уменьшения DU и dU нужно брать минимальное число n ступеней схемы, не выходить за пределы допустимого тока нагрузки, применять по возможности большие ёмкости С конденсаторов схемы и повышать частоту питания f.

В качестве вентилей в рассмотренных схемах применяют кенотроны, газотроны и полупроводниковые вентили.

 

3.3 Электростатический генератор

 

Существуют различные типы электростатических генераторов, отличающихся как по способу возбуждения зарядов, так и по методу их переноса. Наибольшее распространение получили электростатические генераторы (ЭСГ), в которых заряды переносятся при помощи бесконечной изолирующей ленты внутрь шарового электрода, повышая тем самым его потенциал (генератор Ван де Граафа).

ЭСГ используют принцип накопления электростатических зарядов и состоят из следующих основных элементов (рисунок 37) :

- коронирующий электрод;

- транспортер (лента с зарядами, бумага, шелк);

- шаровой электрод высокого напряжения;

- электрод для съёма зарядов;

- колонны из изолирующего материала;

- выпрямитель В.

Электрод 3, установленный на колоннах 5 из изоляторов, в результате зарядки приобретает потенциал

,

 

где - зарядный ток;

С – емкость электрода.

 

 

Рисунок 37 - ЭСГ Ван де Граафа

 

Потенциал при непрерывном подведении зарядов повышается до тех пор, пока утечка тока по изоляции не сделается равным зарядному току.

Электрод высокого напряжения ЭСГ имеет обычно шаровую форму, т. к. заряды при этом распределяются по поверхности равномерно и напряженность поля во всех точках будет одинаковой.

Шар радиусом R можно зарядить до потенциала U₂ = Е·R,

где Е – напряженность поля на его поверхности, достигающая практически половины электрической прочности газа в однородном поле, т.е. 15 кВ/см.

Тогда диаметр шарового электрода на напряжение 6 мВ (Д=800 см).

Общая высота при этом составляет 15-20 м.

Для уменьшения размеров ЭСГ их помещают в специальный кожух, в котором создаётся повышенное давление газа (например, азота). При давлении 27 атм. напряженность на поверхности электрода может быть повышена до 160 кВ/см и внешние размеры можно уменьшить в 3-4 раза. ЭСГ выполняются на напряжение до 8-10 мВ.

 

3.4 Генератор импульсных напряжений (ГИН)

 

ГИН представляет собой установку, предназначенную для генерирования импульсных напряжений, аналогичных атмосферным перенапряжениям.

Впервые ГИН был предложен и выполнен профессором Московского университета в 1914 г. В. Аркадьевым и через 10 лет немецким физиком Э. Марксом (рисунок 38).

Рисунок 38 - Генератор импульсных напряжений: а – принципиальная схема; б – схема замещения при разряде. Потенциалы слева от электродов соответствуют концу зарядки, справа разряду ГИН

 

Работа ГИНа слагается из двух стадий:

а) заряда;

б) разряда (рабочий режим).

Конденсатор С₁ заряжается от выпрямительного устройства, содержащего трансформатор Т, вентиль В и резистор R ( Ом). Этот резистор защищает вентиль В, трансформатор Т от перегрузки и ограничивает толчки тока в первые моменты зарядки конденсаторов.

При зарядке все конденсаторы С подключены к источнику напряжения через зарядные резисторы R₁- R₆ параллельно.

Так как R_1,6 << R^/, то считаем, что через некоторое время, определяемое постоянной цепи заряда (секунды, минуты),

.

Все конденсаторы С оказываются заряженными до одинакового напряжения U_max.

Разряд ГИН (рисунок 38 б) начинается в тот момент, когда зарядное напряжение в точке 1 достигает величины пробивного напряжения запального разрядника Р₁ (пробой Р₂ и Р₃ исключен, т.к. расстояние между шарами больше, чем у Р₁).

После пробоя Р₁ точка 1 соединяется с землёй через демпферное сопротивление r_g1 и сопротивление дуги, ее потенциал мгновенно снижается до нуля и начинается разряд конденсатора С₁ по контуру C₁→r_g1→P₁→R₂→C₁. Напряжение на электродах конденсатора в каждый момент времени будет равно падению напряжения от разрядного тока на резисторе R₂.

Так как потенциал верхнего электрода конденсатора С₁ (точка 1) перед пробоем был равен +U, а после пробоя стал равен нулю, то потенциал его нижнего электрода (точка 2) изменяется от 0 до –U. Такой же потенциал приобретает и нижний электрод P₂.

Конденсатор С^//₂ представляет собой емкость элементов ГИН относительно земли, не может разрядиться по контуру С^//₂→R₃→r₂→P₁→земля→ С^//₂, поэтому потенциал точки 3 и верхнего электрода разрядника Р₂ сохраняется равным +U. В результате под действием разности потенциалов 2U разрядник Р₂ пробивается и точка 3 оказывается соединенной с точкой 2 через сопротивление искры и резистор r_g2.

В итоге потенциалы верхнего и нижнего электродов конденсатора С₃ изменяются до значений –U и 2U, разрядник Р₃ под действием разности потенциалов 3U пробивается и все три конденсатора ГИН оказываются соединенными последовательно. Под действием напряжения 3U пробивается отсекающий разрядник ОР, который разъединяя цепь объекта и измерительных устройств от собственного ГИН до его срабатывания, оказывается приложенным к выходной цепи (точка 7).

Параметрами ГИН являются номинальное напряжение , емкость в ударе С_v, энергия в ударе

,

и коэффициент использования . Для современных ГИН . Имеются ГИНы на напряжения 3000-5000 кВ, 7500 кВ, 10000 кВ.