2. Понятие внешней и внутренней изоляции

Ликвидация замыканий на линиях электропередачи возможна только потому, что внешняя изоляция - воздушные промежутки, относятся к виду самовосстанавливающихся. После снятия напряжения или погасания дуги изоляция восстанавливает свои свойства, что является важной особенностью воздушной изоляции.

Атмосферный воздух используется также для изоляции аппаратов и трансформаторов: это воздушные промежутки между разными фазами, внешние поверхности твердой изоляции (вводов, опорных колонн), промежутки между контактами разъединителя и т. д.

Основной особенностью воздушной изоляции является зависимость ее электрической прочности от атмосферных условий: давления, температуры и влажности воздуха. На электрическую прочность изоляторов, установленных на открытом воздухе (изоляторов наружной установки), существенно влияют также загрязнения их поверхности и проводящими осадки.

Воздушные промежутки и изоляторы, электрические характеристики которых зависят от атмосферных условий, относят к внешней изоляции электроустановок, а внутренняя изоляция электрооборудования практически не подвержена влиянию атмосферных условий. Эта изоляция обмоток трансформаторов и электрических машин, изоляция кабелей, герметизированная изоляция вводов и силовых конденсаторов, изоляция между контактами выключателя в отключенном состоянии и т.д.

Внутренняя изоляция представляет собой обычно комбинацию твердого и жидкого диэлектриков (например, в трансформаторах) или твердого и газообразного диэлектриков (например, в кабелях). Применяется также изоляция и одного вида.

Особенностью внутренней изоляции является старение, т.е. ухудшение электрических характеристик изоляции в процессе эксплуатации. Очень трудно предотвратить возникновение в изоляции микроскопических разрядов. Например, 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 крепежных деталях аппаратуры возникает коронный разряд. Под действием этих микроскопических разрядов изоляция разрушается, химически разлагается, загрязняясь продуктами разложения.

Вследствие диэлектрических потерь изоляция нагревается. При затрудненном теплоотводе, что характерно для монолитной изоляции, такой, как твердая, чрезмерный нагрев может привести к тепловому пробою изоляции. Возможности теплоотвода или даже специального охлаждения приходится учитывать при проектировании внутренней изоляции.

Пробой твердой или комбинированной изоляции – явление необратимое. Жидкая и газовая изоляция самовосстанавливаются, однако, пробои приводят к ухудшению их характеристик.

2. Координация изоляции

Электрическая прочность как внутренней, так и внешней изоляции зависит от формы воздействующего напряжения. Не вдаваясь в детали, можно сказать, что пробивное напряжение изоляции тем выше, чем короче время воздействия напряжения. Такую же зависимость от времени имеют и сами воздействующие напряжения: чем меньше время воздействия, тем они больше.

На рис. 3 показана относительная величина действующих на изоляцию напряжений. Зависимость их от времени более крутая, чем у пробивных напряжений. Это означает, что если выбирать размеры изоляции таким образом, чтобы она выдерживала все возможные в эксплуатации кратковременные повышения напряжения (кривая 1), то по отношению к рабочему напряжению изоляция будет иметь неоправданно большой запас электрической прочности. Если же ориентироваться на целесообразный запас прочности при рабочем напряжении (кривая 2), то изоляция не будет выдерживать перенапряжений. Следовательно, для уменьшения габаритов изоляции, а значит, и стоимости электрооборудования, необходимо ограничивать перенапряжения.

Рис. 3. Электрическая прочность изоляции (1, 2) и воздействующее на нее напряжение: А – грозовые перенапряжения (мкс); Б – внутренние перенапряжения (мс); В – кратковременные повышения напряжения (с), связанные с работой РПН; Г – рабочее напряжение (ч)

Ограничение перенапряжений в электрических установках производится с помощью защитных аппаратов (разрядников, ограничителей перенапряжений). Повышение эффективности службы электрооборудования в значительной мере связано с прогрессом в развитии защитной аппаратуры и совершенствовании ее характеристик.

Взаимное согласование значений воздействующих напряжений, характеристик защитной аппаратуры и электрических характеристик изоляций (рис. 4), обеспечивающее надежную работу и высокую экономичность электрической установки, называется координацией изоляции и является одной из главных задач курса изоляции и перенапряжений в электрических системах.

Рис. 4. Принцип действия защитного устройства: а – схема включения защитного промежутка (ПЗ); б – согласование вольт-секундных характеристик защищаемой изоляции (1) и ПЗ (2)

Традиционный метод определения толщины изоляции основан на выражении:

Внедрение новых электроизоляционных материалов и повышение требований к надежности электрооборудования ставит задачу уже на стадии проектирования проводить оценку не только капитальных затрат, но и срока службы изоляции и вероятность ее безотказной работы, т.е. проводить детальный экономический анализ или функционально-стоимостной анализ.

Основные требования к изоляции в соответствии с ФСА:

– относительно малые размеры и стоимость;

– должна быть надежной в работе и обеспечивать заданный срок службы;

Поскольку эти требования противоречат друг другу, то компромисс определяют по величине минимума среднегодовых затрат:

2. Физическое состояние газов

   В нормальном неионизированном состоянии газы являются почти идеальными диэлектриками. Это состояние нарушается при напряженности поля, при котором в газе под действием сил поля возникает интенсивная ионизация – газовый разряд. При газовом разряде резко возрастает ток, стекающий с электродов. Этот ток есть ток конвекции, обусловленный движением заряженных частиц между электродами. Чтобы описать газовый разряд, необходимо понять условия возникновения, движения и исчезновения заряженных частиц в электрическом поле.

Газы различаются структурой молекул и атомов; различным может быть также физическое состояние газов – давление и температура. Газ находится при нормальных атмосферных условиях, если его давление р₀ = 760 мм рт. ст., а температура t = 20 С. Нормальным атмосферным условиям соответствует нормальная плотность газа, принимаемая за относительную единицу. Относительная плотность газа  при давлении р и абсолютной температуре Т, отличающихся от нормальных, вычисляется по формуле:

.

В этой формуле р измеряется в миллиметрах ртутного столба (р₀ = 760 мм рт. ст.) и Т – в градусах Кельвина (Т = 273 + t C).

Давление воздуха зависит от высоты расположения электрической установки над уровнем моря. В среднем можно принять, что на уровне моря давление р равно 760 мм рт. ст. и падает на 1% на каждые 100 м высоты над уровнем моря.

Следовательно, ,

где h – высота над уровнем моря.