Лекция №1

Введение. Предмет и задачи дисциплины

Электроэнергетика нашей страны не мыслится без применения высоких напряжений для передачи электрической энергии на большие расстояния.

Считается экономически целесообразным иметь 1 кВ напряжения на 1 км линии, т.е. линия электропередачи протяжённостью 500 км, должна выполняться на 500 кВ. Конечно, это весьма приближённая оценка, но она позволяет достаточно просто оценить требуемый уровень напряжений, необходимый для передачи электроэнергии в масштабах нашей страны. В настоящее время протяжённость электрических сетей высокого напряжения (35-330кВ) превышает 700 тыс. км, а общая длина электропередачи сверх высокого напряжения (500-750 кВ) составляет 30 тыс. км. Имеются линии электропередачи ультравысокого напряжения 1150 км.

Единичная мощность установленных на электростанциях турбогенераторов возросла до 1000 – 1200 МВт. Мощность отдельных тепловых электростанций достигла 3800 МВт, атомных 3000 МВт и гидравлических – 6000 МВт.

Такая концентрация мощностей требует высокой надёжности работы линий электропередачи и всего комплекса оборудования: генераторов, трансформаторов, коммутационной аппаратуры, компенсирующих устройств и др. Решение этой задачи обеспечивается, в основном, надёжной работой изоляции электрических систем и оборудования при всех постоянно воздействующих на неё или кратковременно возникающих напряжениях.

Изоляция электрических установок разделяется на внешнюю и внутреннюю.

К внешней изоляции относятся воздушные промежутки (например, между проводами различных фаз линии электропередачи), внешние поверхности твёрдой изоляции (изоляторов), промежутки между контактами разъединителей и т.п.

К внутренней изоляции относится изоляции обмоток трансформаторов и электрических машин, изоляция кабелей, изоляция вводов, изоляция между контактами выключателя в отключенном состоянии и т.д.

Внутренняя изоляция представляет собой комбинацию твёрдого и жидкого диэлектриков (например, в трансформаторах) или твёрдого и газообразного диэлектриков (например, в герметизированных распределительных устройствах с элегазовой изоляцией).

Основной особенностью внешней (воздушной) изоляции является зависимость её электрической прочности от атмосферных условий: давления, температуры и влажности воздуха. На электрическую прочность изоляторов наружной установки существенно влияют также загрязнения их поверхности и атмосферные осадки.

Электрическая прочность внутренней изоляции электрооборудования практически не подвержена влиянию атмосферных условий. Её особенностью является старение, т.е. ухудшение электрических характеристик в процессе эксплуатации. Очень трудно избежать возникновения в изоляции частичных разрядов. Вследствие изменения температурного режима, вызванного колебаниями тока нагрузки, в бумажно-масляной изоляции кабеля образуются газовые пузырьки, в которых возникают частичные разряды.

На острых кромках электродов, на крепёжных деталях аппаратуры возникает коронный разряд. Под действием этих разрядов изоляция разрушается, загрязняется продуктами разложения.

Вследствие диэлектрических потерь изоляция нагревается, что может привести к тепловому пробою.

Воздушная (внешняя) изоляция после пробоя полностью восстанавливается, если снимается напряжение или гаснет дуга в месте пробоя.

Пробой твёрдой и комбинированной изоляции – явление необратимое, приводящее к выходу из строя электрооборудования. Жидкая и внутренняя газовая изоляция самовосстанавливается, однако, пробой приводит к ухудшению их характеристик.

Вследствие этого состояние внутренней изоляции контролируется во время эксплуатации, для предотвращения аварийного отказа электрооборудования.

Изоляция электрических установок постоянно находится под воздействием рабочего напряжения. В процессе эксплуатации возможны повышения напряжения сверх рабочего – внутренние перенапряжения. Источником их являются электродвижущие силы генераторов системы, а причиной – нормальные или аварийные коммутации, сопровождающиеся колебательными процессами или резонансными явлениями в системе.

Помимо внутренних перенапряжений на изоляцию электроустановок могут воздействовать грозовые перенапряжения, причиной возникновения которых являются удары молнии в электроустановки.

Воздушные сети вследствие большой протяжённости достаточно часто поражаются молнией. При этом на изоляции линии возникают весьма высокие напряжения, которые изоляция выдержать не может. Происходит пробой воздуха вдоль гирлянды изоляторов, переходящий в поддерживаемый источником рабочего напряжения дуговой разряд.

На линиях 3-35 кВ эффективным способом ликвидации замыканий фаз на землю является компенсация тока в месте замыкания с помощью дугогасящего реактора, включаемого между нейтральной точкой источника и землёй.

Вследствие компенсации тока и прекращения поступления энергии дуга в месте замыкания не может поддерживаться и быстро гаснет.

В электроустановках напряжением 1100 кВ и выше экономически целесообразно применять глухое заземление нейтрали. В этом случае короткие замыкания на линии ликвидируются с помощью автоматического повторного включения (АПВ). Однако АПВ не всегда оказывается успешным, поэтому существенным мероприятием, значительно сопряжающим число аварийных отключений линии, является применение грозозащитных тросов.

Помимо нарушения изоляции высоковольтных линий (ВЛ) удары молнии приводят к появлению в проводах импульсов высокого напряжения, которые, распространяясь по проводам, достигают подстанций и воздействуют на установленное там оборудование.

Внутренние перенапряжения зависят от вида коммутации, режима и характеристик электрической сети и коммутационных аппаратов.

Все виды перенапряжений как внутренние так и грозовые имеют статистический характер.

Ограничение перенапряжений в электрических установках производится с помощью защитных аппаратов: трубчатых и вентильных разрядников, нелинейных ограничителей перенапряжений (ОПН).

Взаимное согласование значений воздействующих напряжений, характеристик защитной аппаратуры и электрических характеристик изоляции, обеспечивающее надёжную работу и высокую экономичность электрической установки, представляет собой главную технико-экономическую задачу проектирования электроустановки и называется координацией изоляции.

Таким образом, в курсе техники высоких напряжений (ТВН) просматриваются электрические характеристики внешней и внутренней изоляции электроустановок, эксплуатация изоляции при рабочем напряжении, грозовые и внутренние перенапряжения и их ограничение, координация и методы испытания изоляции, а также изоляционные конструкции линий электропередачи и основных видов электрооборудования.

1. Основные свойства и электрические характеристики внешней изоляции электроустановок

Лекция 6

Общая характеристика внешней изоляции

1. Атмосферный воздух как диэлектрик.

2. Назначение и типы изоляторов.

2. Виды и условия испытания внешней изоляции.

1. Атмосферный воздух как диэлектрик

Основным диэлектрическим «материалом» для создания внешней изоляции электроустановок служит атмосферный воздух.

Изолируемые электроды (шины распределительных устройств, провода ЛЭП, наружные токоведущие части аппаратов ВН) располагаются на определенных расстояниях друг от друга и от земли (или то заземляющих частей электроустановок) и укрепляются в заданном положении с помощью изоляторов. Изоляционные расстояния по воздуху зависят от значений напряжения, воздействию которого подвергается электроустановка, и от электрической прочности воздуха.

При нормальных атмосферных условиях электрическая прочность воздуха относительно невелика и при однородном электрическом поле не превышает 30 кВ/см.

В большинстве изоляционных конструкций при приложении высокого напряжения создаётся резконеоднородное электрическое поле.

Электрическая прочность воздуха в таких полях ещё меньше и при расстояниях между электродами порядка 1-2 м составляет  5 кВ/см, а при расстояниях 10 – 20 м снижается до 2,5 – 1,5 кВ/см.

В связи с этим габариты воздушных линий электропередач и распределительных устройств в значительной мере определяется электрической прочностью воздуха и при увеличении номинального напряжения очень быстро возрастают.

На разрядные напряжения воздушных промежутков оказывают влияние давление р, температура Т и абсолютная влажность  воздуха, поэтому изоляционные расстояния по воздуху выбираются таким образом, чтобы они имели достаточную электрическую прочность при неблагоприятных атмосферных условиях.

При проектировании внешней изоляции электрооборудования учитывается, что подъём на каждые 100 м над уровнем моря даёт снижение разрядных напряжений примерно на 1% и такое же значение снижение дает увеличение температуры на каждые 3⁰С выше нормальной.

В качестве нормальных атмосферных условий принимаются следующие условия :

температура t₀=20⁰С (Т₀=293⁰К)

давление р₀=101,3 кПа (760 мм.рт.ст.)

абсолютная влажность =11 г/м³.

Уменьшение абсолютной влажности в 2 раза приводит к снижению разрядных напряжений внешней изоляции на 6 – 8 %. Следует отметить, что приведенные данные, характеризующие изменение разрядных напряжений под влиянием атмосферных условий, относятся к межэлектродным промежуткам до 1 м. При межэлектродных расстояниях больше 1 м влияние атмосферных условий снижается по мере увеличения расстояния.

Дождь практически не оказывает влияние на разрядные напряжения промежутков с неоднородным полем.

2. Назначение и типы изоляторов

Изоляторами высокого напряжения называются электроизоляционные конструкции, осуществляющие электрическую изоляцию и механическое крепление (поддержание) токоведущих частей установок ВН.

Диэлектрики, из которых изготавливаются изоляторы, должны обладать следующими свойствами:

• иметь высокую механическую прочность;

• иметь высокую электрическую прочность на пробой и при разряде на поверхности;

• они должны быть негигроскопичны и не должны изменять своих свойств под действием различных метеорологических факторов.

Изоляторы ЛЭП несут нагрузку от тяжения проводов, исчисляемую тоннами, а иногда и десятками тонн. Опорные изоляторы, на которые крепятся шины распределительных устройств, выдерживают большие нагрузки от электодинамических сил, возникающих между шинами при коротких замыканиях.

Пробой твердого диэлектрика означает выход изолятора из строя, так как разряд по поверхности при условиях быстрого отключения не причиняет изолятору никаких повреждений. Поэтому пробивное напряжения твердого диэлектрика в изоляторе всегда делается в 1,5 выше, чем напряжение перекрытия по поверхности, которое и определяет электрическую прочность изолятора.

При неблагоприятных атмосферных условиях (дождь, увлажненные загрязнения) на поверхности изоляторов наружной установки (т.е. установленных на открытом воздухе) могут возникать частичные дуги, под действием которых поверхность изоляторов может обугливаться и на ней могут появляться проводящие следы – треки, снижающие электрическую прочность изолятора. Поэтому диэлектрики для изоляторов наружной установки должны обладать высокой трекингстойкостью.

Всем указанным требованиям в наибольшей степени удовлетворяют глазурированный электрический фарфор, стекло и а также некоторые пластмассы.

Механическая прочность изолятора зависит от вида нагрузки.

Механическая прочность фарфоровых образцов диаметром 2 –3 см при сжатии оставляет 450 МПа, при изгибе - 70 МПа, при растяжении - 30 МПа. Стекло имеет примерно такие же показатели. Поэтому наиболее высокой механической прочностью обладают изоляторы, которые работают на сжатие.

Электрическая прочность фарфора составляет 3040 кВ/мм.

Электрическая прочность стекла несколько выше и составляет 45 кВ/мм.

Изоляторы из этих материалов обладают также высокой трекингстойкостью.

Стеклянные изоляторы подвергаются закалке: нагреву до ~ 700 ^oС и последующему обдуву холодным воздухом. Во время обдува наружные слои твердеют быстрее внутренних и в результате внутри изолятора образуются растягивающие усилия. Такая предварительно напряженная конструкция имеет высокую прочность на сжатие. Стеклянные подвесные изоляторы тарельчатого типа для ЛЭП изготавливают на нагрузки до 530 кН.

Полимерные изоляторы наружной установки изготавливают из эпоксидных компаундов, кремнеорганической резины, полиэфирных смол с минеральными наполнителями и добавкой фторопласта. Для повышения механической прочности их армируют стеклопластиком.

В закрытых помещениях могут использовать изоляторы из бакелизированной бумаги, покрытые водостойкими лаками. Однако и для внутренней установки чаще используют изоляторы из стекла и фарфора, отличающиеся от изоляторов наружной установки более простой формой.

В зависимости от условий работы изоляторы для наружных и внутренних установок. В наиболее сложных условиях находится внешняя изоляция изоляторов наружной установки, поверхности которых могут загрязняться и увлажняться дождем и другими мокрыми осадками. Чтобы обеспечить внешние значения разрядных напряжений при относительно небольших габаритах, изоляторы наружной установки, выполняемой с сильно развитыми поверхностями, т.е. с ребрами или юбками. Число, форма и размеры ребер или юбок – основные конструктивные параметры изоляторов, от которых зависит их эксплуатационные характеристики.

Ребра и юбки увеличивают длину утечки по поверхности, от которой наиболее сильно зависит разрядное напряжение при дожде и загрязнениях.

U_P ≈ K₁ ( ρ_п / Δ• D_Э)^0.4 • L_Y

где K₁ – постоянный коэффициент, определяется эксперементально.

ρ_п – удельное объемное сопротивление этого слоя.

D_Э – эквивалентный диаметр цилиндра из твердых диэлектриков.

Δ – толщина слоя, который образовали увлажненное загрязнение или дождевая вода на поверхности диэлектрика

L_Y – полная длина утечки по поверхности твердого диэлектрика.

Кроме того, при некоторых видах мокрых осадков нижние поверхности ребер или юбок смачиваются в меньшей степени, и это значительно увеличивает полное сопротивление утечки при правильно выбранных размерах и форме ребер разряд, развивающийся вдоль изолятора, отрывается от его поверхности. В том случае участки вдоль поверхности изолятора с чисто воздушными промежутками и разрядное напряжение оказывается более высоким. Однако с увеличением числа и размера ребер растет не только полная длина утечки по его поверхности, но и эквивалентный диаметр D_Э, что отрицательно влияет на разрядное напряжение.

От формы изолятора зависит интенсивность его загрязнения и эффективность очистки поверхности при дожде и ветре. Все это учитывают при выборе формы изоляторов.

По напряжению изоляторы ВН делятся на линейные и аппаратные (станционно – аппаратные )

Линейные изоляторы используются для крепления проводов воздушных ЛЭП к опорам и конструкциям открытых распределительных устройств открытых подстанций.

Аппаратные изоляторы служат для крепления токоведущих шин и деталей электрических аппаратов ВН и РУ электростанций и подстанций (выключатели, разъединители и др.)

Аппаратные изоляторы по своему назначению и конструкции делятся на опорные и проходные изоляторы.

Опорные и подвесные изоляторы служат для крепления токоведущих шин; проходные изоляторы испытывают в основном изгибающие мех нагрузки, обусловленными электродинамическими силами от токов к.з., давлением ветра, воздействием при работе контактов и т.д. Поэтому, основной механической характеристикой этих изоляторов является гарантированная механическая прочность на изгиб.

Опорные изоляторы в свою очередь делятся на стержневые и штыревые.