4.12 Изоляционные конструкции оборудования высокого напряжения

Изоляция воздушных линий электропередач. Изоляция линий на опорах включает в себя, помимо изоляторов, ряд воздушных промежутков, определяющих возможные пути разви­тия разряда. Так, на металлических и железобетонных опорах может происходить пробой воздушного промежутка между проводом и одним из элементов конструкции опоры или перекрытие гирлянды (рисунок 4.36). На линиях с деревянными опорами, кроме изоляторов, дополнительной изоляцией служат деревянные стойки и траверсы. Разряд может идти по пути "а - а" при наличии грозозащитных тросов, либо на пути "а - б" между проводом и спуском, соединяющим трос с заземлителем (рисунок 4.36, б).

В последние годы большое внимание уделяется разработке тра­верс ВЛ из изоляционных материалов (эпоксидные смолы, электроизо­ляционный бетон, стеклопластиковая арматура). Это позволяет умень­шить габариты и стоимость опор ВЛ.

Как отмечалось ранее, на линиях 35 кВ и выше подвесные изоля­торы соединяют в гирлянды. Гирлянды выполняются поддерживаю­щими на промежуточных опорах и натяжными на анкерных, угловых и концевых опорах.

Рисунок 4.36 – Возможные пути перекрытия изоляции

на промежуточных опорах воздушных линий:

а) металлическая опора портального типа с с оттяжками линии 500 кВ; б) деревянная опора линии 110 кВ с тросами; в) деревянная опора линии 110 кВ без тросов

При подвеске очень тяжёлых проводов применяются сдвоенные или даже строенные гирлянды (в натяжных гирляндах – до (4 – 6) парал­лельных цепей).

Электрическую прочность гирлянды изоляторов нельзя оценить по прочности одного изолятора, так как для разряда по гирлянде могут быть намечены три возможных пути (рисунок 4.37):

• путь вдоль всех изгибов фарфорового тела изоляторов –1;

• кратчайший путь между шапками изоляторов – 2;

• кратчайший для всей гирлянды путь – 3.

Рисунок 4.37 – Пути развития разряда по гирлянде изоляторов

При сухой поверхности гирлянды разряд развивается только по путям 2 и 3 в зависимости от отношения длины пути утечки _ут к высоте изолятора h. Если – разряд развивается по пути 3, т.е. целиком по воздуху. – по пути 2.

При заданной длине гирлянды путь 3 соответствует максимально возможному сухоразрядному напряжению.

При дожде разряд развивается по пути 1. Мокроразрядное напря­жение гирлянды пропорционально числу изоляторов

, (4.95)

где Е_пр – мокроразрядный градиент (из таблиц); n – число изоляторов. Выбор числа изоляторов таков, чтобы

, (4.96)

где К – учитывает повышение фазового напряжения, неблагопри­ятное изменение атмосферных условий, силу дождя,  – воды, t – воз­действия и т.д.: К  1,1.

Воздушные промежутки должны иметь прочность не ниже чем гирлянда [на (10 – 15) % больше мокроразрядного напряжения гирлян­ды].

Число изоляторов в гирляндах воздушных линий и РУ разных классов напряжения с изоляцией нормального исполнения приведено в таблице 4.5.

Изоляция силовых кабелей высокого напряжения. Для кабельных линий главное значение имеет изоляционная про­блема. Электрическая прочность кабельной изоляции резко возрастает при переходе от переменного к постоянному напряжению. Поэтому при прокладке длинных кабельных линий, например, при пересечении больших водных преград или гор, экономически выгодно выполнять электропередачу на постоянном токе высокого напряжения. Кабели (110 – 500) кВ широко используются как для электроснабжения крупных городов, так и для подземных выводов от ГЭС, АЭС и ТЭС (обычно от трансформаторных блоков к открытым РУ).

В настоящее время в силовых кабелях широко используется бу­мажнопропитанная изоляция. Разрабатываются и находят большое применение кабели (110 – 220) кВ с полиэтиленовой и газовой изоляци­ей. Ведутся работы по созданию криогенных линий электропередач, то есть кабелей с охлаждением жидким азотом или гелием ниже 80 К. В этом случае возникает эффект радикального повышения электропро­водности (гиперпроводности) сверхчистых металлов (алюминия и ме­ди) и, во-вторых, эффект сверхпроводимости, который достигается у сверхпро­водников I и II рода при температурах ниже критических.

Таблица 4.5  Число изоляторов в гирляндах воздушных линий

Изолятор	Число изоляторов при номинальном напряжении, кВ
	10	20	35	110	150	220	330	500	750
Для воздушных линий
ПФ6 – А ПФ6 – Б ПФ6 – В ПФ16 – А ПФ20 – А ПС6 – А ПС12 – А ПС16 – А ПС16 – Б ПС22 – А ПС30 – А	1 1 1 - - 1 - - - - -	3 3 3 - - 3 - - - - -	3 3 3 - - 3 3 - - - -	7 7 7 6 - 8 7 6 6 - -	9 10 9 8 - 10 9 8 8 - -	13 14 13 11 10 14 13 11 12 10 11	19 20 19 17 14 21 19 16 17 15 16	- 27 26 23 20 29 26 22 24 21 22	- - - - - - - - - 30 32
Для распределительных устройств
ПФ6 – А ПФ6 – Б ПФ6 – В ПС6 – А ПС12 - А	- - - - -	4 4 4 4 -	4 5 4 4 -	8 8 8 9 -	10 10 10 11 10	14 15 14 16 14	20 21 20 22 20	29 30 29 33 29	- - - - 38

У гиперпроводящих и сверхпроводящих линий электропередачи переменного тока небольшой длины, которые при решении сложных технических задач смогут конкурировать с кабельными линиями обычного типа, по проведенным расчётам достижима пропускная спо­собность (5-10) ГВт. Этого будет достаточно приблизительно до 2005 года, если речь идёт о «глубоких вводах» в крупные города и выводах от самых крупных электроподстанций. Сверхпроводящие линии элек­тропередачи постоянного тока с пропускной способностью порядка 100 ГВт также могли бы стать конкурентами воздушным линиям по­стоянного тока, если возникнут экономические предпосылки для сверхдальнего транспорта электроэнергии в больших количествах (на­пример, от группы ГЭС).

В кабелях с вязкой пропиткой изоляция выполняется из кабель­ной бумаги, пропитанной маслоканифольной мастикой (рисунок 4.38).

Рисунок 4.38 – Трёхжильный кабель с поясной изоляцией и

секторными жилами:

1 – жила; 2 – фазная изоляция; 3 – поясная изоляция; 4 – наполнитель; 5 – оболочка; 6 – подушка под броней из пряжи, пропитанной битумом; 7 – броня из стальных лент; 8 – наружный защитный покров

В процессе эксплуатации в кабельной изоляции под воздействием высоких температур могут выделяться газовые пузырьки, которые, диффундируя к поверхности токопроводящей жилы (максимальная на­пряжённость поля), ведут к снижению длительной электрической прочности изолятора. Это объясняется процессами ионизационного пробоя, когда в бумажной ленте образуется характерная картина вет­висто расположенных обуглероженных каналов. При постоянном на­пряжении интенсивность ионизационных процессов уменьшается, и такие кабели могут быть использованы до напряжения 110 кВ (на пе­ременном напряжении 50 Гц - до 35 кВ). В настоящее время начато производство кабелей для вертикальных прокладок с пропиточной массой, не стекающей даже при высоких температурах нагрева. Такая пропиточная масса производится на основе синтетических смол.

Для кабелей напряжением выше 35 кВ (при 50 Гц) пропитка бу­мажной изоляции осуществляется жидким кабельным маслом, которое может перемещаться внутри жилы вдоль кабеля и находится под избы­точным давлением. Для поддержания неизменного давления в маслонаполненном кабеле в условиях эксплуатации через (1 - 2,5) км уста­навливают баки давления. Маслонаполненные кабели на сверхвысокие напряжения и большие токи выполняются обычно однофазными (рисунок 4.39).

Рисунок 4.39 – Маслонаполненный кабель на давление 0,5 МПа 220 кВ:

1 – маслопроводящий канал; 2 – жила из фасонных лужённых проволок; 3 – экран по жиле и по изоляции из полупроводящей металлизированной бумаги; 4 – изоляция из бумаг разной толщины и плотности; 5 – свинцовая оболочка; 6 – ленты из пластиката; 7 – медные усиливающие ленты; 8 – защитные покровы; 9 – стальные проволоки

Газонаполненные кабели по конструкции аналогичны маслонаполненным, но с тем существенным отличием, что высокая электриче­ская прочность поддерживается не маслом, а газом под давлением. Газ, поступающий через каналы в жилы, создаёт в бумажной изоляции с обедненной масляной пропиткой давление, которое повышает напря­жение ионизации. В России газонаполненные кабели [давление газа (0,15 - 0,6) МПа] изготавливаются на напряжение до 35 кВ. В качестве газа обычно применяется азот. Добавка к азоту элегаза (до 20 %) по­вышает электрическую прочность кабеля до прочности маслонаполненного кабеля.

В настоящее время начали применять кабели в стальных трубах с маслом или газом под давлением. В стальной трубе на изоляционных распорках закреплена токоведушая жила (или три жилы). Линия соби­рается из отрезков таких труб и заполняется маслом или элегазом при давлении до 1,5 Мпа. Такие линии выполняются на напряжения 110 кВ и выше. Для ввода больших мощностей в крупных городах проходят испытания кабели с охлаждением жидким азотом (криорезистивные кабели) или жидким гелием (сверхпроводящие кабели).