Глава 3. Изоляция высоковольтного электрооборудования

3.1. Классификация электрической изоляции

Электрическая изоляция является одним из важнейших элементов, обеспечивающих безаварийность и долговечность работы высоковольтных аппаратов и конструкций. Кроме электрического изолирования проводников, находящихся под различными потенциалами, изоляция должна выдерживать большие механические, тепловые и другие нагрузки (воздействия), которые могут возникать в эксплуатации.

Изоляция высоковольтных конструкций подразделяется на внешнюю и внутреннюю.

Внешняя изоляция – это воздушные промежутки и поверхность твердой изоляции в атмосферном воздухе, которые подвергаются влиянию атмосферных и других внешних воздействий (загрязнение, увлажнение и т. п.). Они существенно затрудняют условия работы изоляции в открытой атмосфере.

Внутренняя изоляция – это твердая, жидкая или газообразная изоляция (или их комбинации) внутренних частей электрооборудования, не подвергающаяся непосредственному влиянию атмосферного и других видов внешних воздействий (загрязнение, увлажнение, воздействие птиц и микроорганизмов).

После пробоя и снятия напряжения газовая изоляция (воздух, высокопрочные газы) полностью восстанавливает свою первоначальную электрическую прочность, т. е. этот процесс является обратимым. Жидкая изоляция после пробоя восстанавливает свою прочность частично, т. к. пробой приводит к ухудшению ее характеристик. Пробой твердой и комбинированной изоляции (бумажно-масляная, маслобарьерная) – явление необратимое, изоляция подлежит замене.

Электрооборудование, предназначенное для работы в электрических сетях, подразделяется на классы напряжения. Классом напряжения называется номинальное междуфазное (линейное) напряжение электрической сети, для работы в которой предназначено электрооборудование. Каждый класс напряжения характеризуется своим уровнем изоляции, под которым понимается совокупность испытательных напряжений, установленных стандартом (например, ГОСТ 1516.1–76) или техническими условиями для внутренней и внешней изоляции данного оборудования.

Электрическая изоляция работает как в однородном (достаточно редко), так и в неоднородном (гораздо чаще) электрических полях.

В однородном поле вектор напряженности вдоль силовых линий сохраняет свое значение (Е = const), а в неоднородном – изменяется (Е = var). При этом силовые линии поля в однородном поле параллельны друг другу (электроды Роговского или плоский конденсатор), а в неоднородном – как правило, не параллельны (острие–плоскость).

3.2. Условия работы и требования, предъявляемые к электрической изоляции высоковольтного оборудования

В процессе эксплуатации изоляция электрооборудования подвергается воздействию разнообразных факторов.

Воздействующие напряжения. Условия работы электрической изоляции высоковольтного оборудования определяются в первую очередь воздействующими напряжениями. Степень влияния напряжения на электрическую прочность и долговечность изоляции зависит от его амплитуды, длительности, формы.

При эксплуатации высоковольтных установок можно выделить три группы воздействующих напряжений: рабочее напряжение; внутренние (коммутационные) перенапряжения (ВПН); атмосферные (грозовые) перенапряжения (АПН).

Рабочее напряжение. Длительно воздействует на изоляцию высоковольтных конструкций в течение всего срока службы (20…30 лет). Величина этого напряжения устанавливается в соответствии с номинальным напряжением электрической сети по ГОСТ 1516.1–76 и может отличаться от последнего, в зависимости от режима электропередачи, в большую или меньшую сторону. Для каждого класса напряжения наибольшее рабочее воздействующее напряжение (линейное) определяется как

(3.1)

причем значение коэффициента К принимается в соответствии с данными, приведенными в табл. 3.1.

Таблица 3.1

Соответствие коэффициента К и классов напряжения

Класс напряжения, кВ	3…20	35…220	330	500…1150
К	1,20	1,15	1,10	1,05

При выборе изоляции электрооборудования, предназначенного для работы в сетях с изолированной или резонансно-заземленной нейтралью (U_ном  35 кВ), за расчетное напряжение обычно принимается наибольшее рабочее линейное напряжение сети.

Для оборудования, предназначенного для работы в сетях с эффективно заземленной нейтралью, наибольшее рабочее фазное напряжение сети

(3.2)

Спектр значений ВПН в электропередачах лежит в широких пределах. Так, при однофазных замыканиях на землю и внезапных сбросах нагрузки, в соответствии с характеристиками отечественных вентильных разрядников, кратность перенапряжений промышленной частоты для классов 110…500 кВ не должна превышать 1,38U_ф. н (заземленная нейтраль) и 1,73U_ф. н в сетях с изолированной нейтралью.

При отключении ненагруженных трансформаторов кратность ВПН может достигать (3,5…4,0)U_ф. н при длительности до 100 мкс с частотой до 10 кГц.

Величины воздействующих напряжений при ВПН ограничиваются вентильными разрядниками. Для внутренних перенапряжений уровень воздействующих напряжений оценивается как

, (3.3)

где U_раз – наибольшее пробивное напряжение разрядника при промышленной частоте; 1,07 – коэффициент, учитывающий статистический разброс пробивных напряжений разрядника.

Атмосферные перенапряжения (АПН) возникают на изоляции электрооборудования как при прямых ударах молнии в провод или опору ЛЭП, так и при разряде молнии вблизи линии.

Для защиты оборудования от набегающих волн на подстанции устанавливаются грозозащитные вентильные разрядники.

Значение воздействующих напряжений на изоляцию оборудования при АПН

(3.4)

где U_{раз. ост} – остаточное напряжение на разряднике при токе молнии 5 кА для изоляции класса напряжения 110…220 кВ и при токе 10 кА для класса напряжения более 300 кВ; К_г – коэффициент, учитывающий перепад напряжения между разрядником и защищаемым объектом за счет индуктивности ошиновки между ними.

При ограничении крутизны набегающей волны и рациональном расположении разрядников на подстанции можно принять для силовых трансформаторов К_г = 1,2 и для остального оборудования К_г = 1,3–1,4.

Нелинейные ограничители перенапряжений имеют существенно меньшее остающееся напряжение при токах координации, поэтому применение этих ограничителей позволяет существенно снизить значения воздействующих не только внутренних, но и грозовых перенапряжений.

Электрические факторы. При нарушении нормального режима эксплуатации ЛЭП, приводящего к резкому увеличению напряжения, а также при ухудшении свойств изоляции, в связи с изменением окружающих условий, могут возникать такие нежелательные явления, как корона, скользящие разряды, частичные разряды, трекинг, триинг, снижающие надежность и долговечность высоковольтных установок.

Механические факторы. Механические усилия в изоляции возникают как при нормальной работе (усилия при плановых коммутациях, ветровые нагрузки и т. д.), так и в аварийных режимах (рост электродинамических сил между токоведущими частями аппаратов при коротких замыканиях).

Тепловые воздействия. Тепловые воздействия в изоляции возникают из-за нагрева изоляции за счет тепла, выделяющегося в проводниках при протекании длительного номинального тока, а также диэлектрических потерь в изоляции при приложении электрического поля.

При протекании по проводникам токов короткого замыкания в аварийном режиме изоляция испытывает кратковременный перегрев («тепловой удар»).

Атмосферные воздействия. При эксплуатации в открытой атмосфере изоляция подвергается воздействию дождя, тумана, росы, снега, гололеда, природных и промышленных загрязнений, колебаний температуры, давления и т. д. Как правило, все эти факторы приводят к снижению электрической прочности изоляции и ее надежности.

Фактор времени. С течением времени даже при нормальных условиях эксплуатации электроизоляционные и механические свойства изоляции постепенно ухудшаются, происходит «старение» изоляции.

Воздействующие среды. При эксплуатации высоковольтных установок на изоляцию могут воздействовать агрессивные газы и жидкости, приводящие к преждевременному ухудшению ее свойств.

В ряде случаев необходимо учитывать специфические условия работы изоляции. Так, при работе оборудования в тропиках на изоляцию воздействуют: повышенная влажность, температура, солнечная радиация, деятельность некоторых микроорганизмов и животных.

Надежная и безаварийная работа высоковольтного оборудования может быть обеспечена, если изоляция будет иметь высокую импульсную и кратковременную электрическую прочность при грозовых и внутренних перенапряжениях, соответственно, а также при условии отсутствия таких факторов, как корона, частичные и скользящие разряды, трекинг при длительном воздействии рабочего напряжения.

Создание надежной изоляции непосредственно связано с вопросами координации, т. е. с согласованием характеристик защитной аппаратуры со свойствами изоляции. Комплексное решение этих вопросов, при выполнении вышеизложенных требований, позволяет выбрать так называемый уровень изоляции – такое качество изоляции, при котором она в состоянии выдерживать коммутационные перенапряжения заданной кратности относительно наибольшего фазного рабочего напряжения и импульсные воздействия, ограниченные соответствующими разрядниками. Обычно под этим понимают испытательные напряжения изоляции, закрепленные ГОСТ 1516.1–76. Испытательное напряжение является некоторым эквивалентом воздействующих напряжений и выбирается с учетом характеристик вентильных разрядников. Для внешней и внутренней изоляции электрооборудования эквивалентом воздействующих напряжений при АПН являются импульсные испытательные волны (U_{исп. имп}) при полном (1,2/50 мкс) и срезанном (2…3 мкс) стандартном импульсе.

Проверка стойкости внутренней изоляции электрооборудования к воздействию ВПН производится путем приложения к объекту одноминутного испытательного напряжения (U_1мин). ГОСТ 1516.1–76 устанавливает также испытательное напряжение промышленной частоты, выдерживаемое внешней изоляцией электрооборудования в сухом состоянии (U_схв – суховыдерживаемое напряжение) и под дождем (U_мв – мокровыдерживаемое напряжение).

Изоляция электрооборудования на класс напряжения 330 кВ и выше испытывается также коммутационными волнами различной формы, в зависимости от типа оборудования, с целью проверки стойкости изоляции к воздействию коммутационных перенапряжений.

Требованиями по механической прочности изоляции на напряжение до 35 кВ, в соответствии с правилами устройства электроустановок (ПУЭ), предусматривается допустимая нагрузка на изолятор

, (3.5)

где Р_разр – разрушающая нагрузка, кГс.

На классы напряжения более 110 кВ допустимые нагрузки не установлены, они определяются техническими условиями на изделие, выпускаемое предприятием.