Контрольные вопросы

1. Для чего предназначено устройство защитного отключения?

2. В каком случае не производится срабатывание УЗО?

3. Что является причиной срабатывания УЗО?

4. Что приводит к появлению дифференциального тока во вторичной обмотке трансформатора тока?

5. Произойдет ли срабатывание УЗО при протекании тока в нулевом проводе?

Работа 16. Высоковольтные изоляторы

Содержание работы

1. Изучить общий принцип работы изоляционных материалов

2. Изучить назначение, конструкцию и область применения станционных изоляторов.

2. То же для линейных изоляторов.

3. То же для аппаратных изоляторов.

4. Нарисовать эскизы и описать конструкцию типов изоляторов по указанию преподавателя и дать им характеристику.

5. Ознакомиться с конструкцией изоляторов, представленных в лаборатории электроснабжения.

Общие сведения

Принцип работы изоляционных слоев диэлектрика

Изоляция электроустановки служит для предотвращения протекания электрического тока между изолируемыми частями. В нормальном состоянии через изоляцию могут протекать три вида токов: емкостные токи при переменном напряжении, которые зависят от емкости изоляции и могут быть большими по величине; абсорбционные токи (токи различных видов замедленной поляризации), возникающие при постоянном и переменном напряжениях; сквозные токи чрезвычайно малы по величине, которые протекают при постоянном напряжении через длительное время после его включения.

Заряженные частицы, входящие в состав молекул и кристаллических решеток диэлектрика, достаточно прочно связаны в веществе и при условиях, близких к нормальным, не могут перемещаться на заметные расстояния. Сквозные токи обусловлены небольшим количеством свободных заряженных частиц, образуемых за счет внешних ионизаторов, и эти свободные заряженные частицы способны перемещаться через изоляцию от одного электрода к другому.

Диэлектрические потери и угол потерь

Любая изоляция нагревается при приложении к ней напряжения. Причиной нагрева являются сквозные токи через изоляцию, нагрев за счет замедленных видов поляризации, ионизация газовых включений в твердой изоляции и неоднородность структуры изоляции. Диэлектрическими потерями называют мощность нагрева изоляции за счет приложенного к ней напряжения. Диэлектрические потери при переменном напряжении обычно существенно больше, чем при постоянном напряжении той же величины, что и действующее значение переменного напряжения, и основную роль в нагреве на переменном напряжении до начала ионизации чаще всего играют поляризационные потери. Углом диэлектрических потерь называют угол, дополняющий до 90 угол сдвига фазы между напряжением на изоляции и током через изоляцию, tgδ показывает соотношение между активной мощностью нагрева изоляции и реактивной емкостной мощностью в изоляции. Понятие угла диэлектрических потерь применимо только для синусоидальных напряжений и токов.

Для определенности понятия емкости реальных конденсаторов или изоляции используют схемы замещения. Чаще всего используют две простейшие схемы замещения, составленные емкостным элементом и резистивным элементом, последовательную и параллельную. Величина емкости не зависит от выбора схемы замещения только при малых диэлектрических потерях.

Пробой изоляции

Очень малая концентрация свободных заряженных частиц в диэлектрике приводит к очень малым сквозным токам в изоляции при небольших напряжениях. При пробое концентрация свободных заряженных частиц резко повышается. Это повышение обусловлено следующими шестью группами физических механизмов, из которых для газов имеют значение первые четыре группы механизмов.

1 группа. При столкновении нейтрального атома или молекулы с частицей, движущейся с большой скоростью (чаще всего это электрон), может произойти отрыв электрона от нейтрального атома или молекулы с образованием свободного электрона и положительного иона. Этот эффект называется ударной ионизацией, и он происходит, если кинетическая энергия ионизирующей частицы превышает энергию, необходимую для отрыва электрона (энергию ионизации), W_кин ≥ W_и. При таком процессе концентрация свободных зарядов увеличивается и растет электрический ток. Количество носителей заряда уменьшается не только из-за переноса частиц на электроды, но и из-за явления рекомбинации, т.е. нейтрализации иона частицей с противоположным по знаку зарядом.

2 группа. Фотоионизация в объеме газа имеет место при воздействии жесткого электромагнитного излучения, к которому относятся ультрафиолетовые лучи, рентгеновское и гамма-излучение. Фотоионизация происходит в случае, если энергия кванта электромагнитного излучения не менее величины энергии ионизации, hW_и, где h – постоянная Планка,  – частота электромагнитного излучения.

3 группа. При обычных температурах в диэлектриках не происходит отрыва электронов при тепловых соударениях частиц, поскольку энергии теплового движения даже у самых быстрых частиц недостаточно для ионизации. Термическая ионизация при тепловых соударениях становится заметной при температурах в тысячи градусов Цельсия.

4 группа. В ряде случаев происходит эмиссия электронов с поверхности электродов (из катода), при которой электроны проникают в глубь диэлектрика. Различают четыре вида эмиссии:

термоэлектронная эмиссия – освобождение электронов из катода при его нагреве; в отличие от термической ионизации требуется сравнительно небольшая температура в несколько сотен градусов;

фотоэлектронная эмиссия – освобождение электронов при облучении катода коротковолновым электромагнитным излучением (эффект Столетова); для многих металлов достаточно облучения видимым светом;

освобождение электронов из металла за счет высокой напряженности электрического поля порядка 10⁵…10⁶ В/см, которая может быть реализована на остриях;

вторичная электронная эмиссия – освобождение электронов из катода при бомбардировке его тяжелыми частицами (положительными ионами).

5 группа. Процессы пробоя жидких и твердых диэлектриков отличаются большим разнообразием и сложностью. В жидких диэлектриках большое значение имеют тепловые ионизационные процессы, т.е. нагрев жидкости с ее разложением, приводящий к появлению газовых пузырьков и развитию в них процессов ионизации, поскольку газовые диэлектрики обычно имеют существенно меньшую электрическую прочность. Другим важнейшим фактором пробоя жидкого диэлектрика является наличие в нем посторонних примесей (твердых примесей, влаги и газовых пузырьков), вызывающих локальное увеличение напряженности электрического поля.

6 группа. В твердых диэлектриках пробой может вызываться как электрическими процессами (т.е. ударной ионизацией), так и тепловыми процессами, возникающими под действием электрического поля. Немалую роль в твердых диэлектриках играют и электрохимические процессы, т.е. разложение твердого диэлектрика под действием химически активных ионизированных частиц. При электрических процессах сильно различаются электрические прочности диэлектриков однородной и неоднородной структуры. В случае разогрева диэлектрика под действием приложенного электрического поля происходит электротепловой пробой, а при ионизации газовых включений с разложением твердого диэлектрика сравнительно медленно развивается электрохимический пробой.

Перекрытие изоляции

Перекрытием называют разряд по границе раздела двух сред, чаще всего это граница твердый диэлектрик – газ. Напряжение перекрытия U_пер всегда существенно меньше пробивного напряжения U_пр чисто газового промежутка с теми же электродами. Основными причинами этого эффекта являются влияние газовых включений между металлом электрода и твердым диэлектриком, влияние микрокапель влаги и накопление объемных зарядов на боковой поверхности изолятора. Для увеличения U_пер применяют ребристые конструкции изоляторов.

Напряжение перекрытия проходного изолятора обычно в несколько раз меньше напряжения перекрытия опорного изолятора при одинаковой длине пути перекрытия. Связано это с близким расстоянием между разнопотенциальными электродами в проходном изоляторе, из-за чего ионизация на фланце изолятора начинается при весьма небольшом напряжении. Большая емкость между каналом разряда и внутренним электродом приводит к сравнительно большому емкостному току между каналом разряда и внутренним электродом, что приводит к нагреву канала и большей его стабильности.

Требования к изоляторам

Несмотря на многообразие видов и типов изоляторов, к ним предъявляются следующие общие требования:

а) диэлектрики, из которых изготавливаются изоляторы, должны обладать высокой механической прочностью, поскольку изоляторы, являясь элементом конструкции, несут значительную нагрузку. Например, изоляторы линий электропередачи несут нагрузку от тяжения проводов, исчисляемую тоннами, а иногда и десятками тонн. Изоляторы, на которых крепятся шины распределительных устройств, выдерживают огромные нагрузки от электродинамических сил, возникающих между шинами при коротких замыканиях;

б) диэлектрики должны иметь высокую электрическую прочность, позволяющую создавать экономичные и надежные конструкции изоляторов. Нарушение электрической прочности изолятора может происходить или при пробое твердого диэлектрика, из которого он изготовлен, или в результате развития разряда в воздухе вдоль внешней поверхности изолятора. Пробой твердого диэлектрика означал бы выход изолятора из строя, тогда как разряд по поверхности при условии быстрого отключения напряжения не причиняет изолятору никаких повреждений. Поэтому пробивное напряжение твердого диэлектрика в изоляторе примерно в 1,5 раза должно быть больше, чем напряжение перекрытия по поверхности, чем и определяется электрическая прочность изолятора;

в) диэлектрики должны быть негигроскопичны и не должны изменять своих свойств под действием различных метеорологических факторов;

г) при неблагоприятных условиях (увлажнение, загрязнение и т.п.) на изоляторах, устанавливаемых на открытом воздухе (изоляторов наружной установки), могут возникать частичные электрические дуги. Под их действием поверхность может обугливаться, и на ней могут появляться проводящие следы – треки, снижающие электрическую прочность изоляторов. Поэтому диэлектрики для изоляторов наружной установки должны обладать высокой трекингостойкостью.

Классификация изоляторов

Все выпускаемые промышленностью изоляторы классифицируются по следующим признакам: 1) по материалу изготовления; 2) по назначению; 3) по способу установки.

По материалу изготовления все изоляторы делятся: на фарфоровые, стеклянные и полимерные.

Всем указанным требованиям в наибольшей степени удовлетворяет глазурованный электротехнический фарфор и стекло, получившие широкое распространение, а также некоторые пластмассы. Электрическая прочность фарфора в однородном поле при толщине образца 1,5 мм составляет 30…40 кВ/мм и уменьшается при увеличении толщины. Электрическая прочность стекла при тех же условиях – 45 кВ/мм. Механическая прочность фарфора и стекла зависит от вида нагрузки. Например, прочность фарфоровых образцов диаметром 2…3 см составляет: при сжатии 450 МПа, при изгибе – 70 МПа, а при растяжении – 30 МПа. Поэтому наиболее высокой механической прочностью обладают изоляторы, в которых фарфор работает на сжатие. Стекло по механической прочности не уступает фарфору и тоже лучше всего работает на сжатие. Стеклянные изоляторы в процессе изготовления подвергаются закалке: нагреваются до температуры 700 С и затем обдуваются холодным воздухом. Во время закалки наружные слои стекла твердеют значительно раньше внутренних, поэтому при последующей усадке внутренних слоев в толще стекла образуются растягивающие усилия. Такая предварительно напряженная конструкция имеет высокую прочность на сжатие.

Изоляторы из закаленного стекла имеют ряд преимуществ перед фарфоровыми: технологический процесс их изготовления полностью автоматизирован, прозрачность стекла позволяет легко обнаружить при внешнем осмотре мелкие трещины и другие внешние дефекты, повреждение стекла приводит к разрушению диэлектрической части изолятора, которое легко обнаружить при осмотре линии электропередачи эксплуатационным персоналом.

Полимерные изоляторы наружной установки изготавливаются из эпоксидных компаундов на основе циклоолифатических смол, из кремнийорганической резины, из полиэфирных смол с минеральным наполнителем и добавкой второпласта. Такие изоляторы имеют высокую электрическую прочность и достаточную трекингостойкость. Высокая механическая прочность полимерных изоляторов достигается посредством армирования их стеклопластиком. Применение полимерных изоляторов на линии электропередачи позволяет существенно уменьшить массу подвесных изоляторов, что позволяет в значительной степени повысить надежность сетевых конструкций.

По назначению изоляторы подразделяются на опорные, подвесные и проходные, а по способу установки – на изоляторы наружной и внутренней установки. Опорные изоляторы в свою очередь делятся на стержневые и штыревые, а подвесные – на изоляторы тарельчатого типа и стержневые.

Все изоляторы по способу установки можно условно объединить в три группы: станционные, линейные и аппаратные.

Станционные изоляторы применяют для крепления и изоляции шин в распределительных устройствах электрических станций и подстанций. Они в свою очередь подразделяются на опорные и проходные. Проходные изоляторы устанавливают при проходе шин через стены и перекрытия внутри помещений, а также при выводе их из зданий.

Опорные изоляторы (рис. 5.53) применяют в закрытых и открытых распределительных устройствах для крепления на них токоведущих шин или контактных деталей. Изоляторы внутренней установки конструктивно представляют собой фарфоровое (полимерное) тело, армированное крепежными металлическими деталями. Арматура одновременно является внутренним экраном, с помощью которого снижается напряженность поля у края электрода, где она максимальна. Ребро на теле изолятора играет роль барьера, заставляя разряд развиваться под углом к силовым линиям поля, т.е. по пути с меньшей напряженностью. Внутренний экран и ребро существенно увеличивают разрядное напряжение изолятора. Опорные изоляторы наружной установки отличаются большим количеством ребер, чем изоляторы внутренней установки. Ребра служат для увеличения длины пути утечки с целью повышения разрядных напряжений изоляторов под дождем и в условиях увлажненных загрязнений. Для изготовления ребристой оболочки изолятора используется силиконовая композиция, обладающая высокой трекингэрозионной стойкостью, превосходной гидрофобностью, высокой стойкостью к факторам окружающей среды, хорошими технологическими свойствами.

Рис. 5.53. Изолятор фарфоровый опорный ИОР 10 7,5 III УХЛ, Т2

Изоляторы на напряжение 35…110 кВ состоят из сплошного фарфорового стержня, армированного чугунными фланцами. Обозначение, например, ОНС-35–2000 расшифровывается следующим образом: опорный, наружной установки, стержневой на 35 кВ, с минимальной разрушающей силой 2000 даН.

Проходные изоляторы (рис. 5.54) применяются для изоляции токоведущих частей при прохождении их через стены, потолки и другие элементы конструкций распределительных устройств и аппаратов.

Рис. 5.54. Изолятор проходной тип NF

Проходной изолятор состоит из полого фарфорового элемента, внутри которого проходит токоведущий стержень (шина), и фланца, служащего для механического крепления изолятора к конструкции, через которую осуществляется ввод напряжения.

Обозначение проходного изолятора содержит значение номинального тока, например ПНШ-35/3000-20 означает: проходной, наружной установки, шинный на напряжение 35 кВ и номинальный ток 3 кА с механической прочностью 20 кН.

Аппаратные изоляторы служат для крепления токоведущих частей аппаратов, могут иметь также форму опорных или проходных. Последние применяют для вывода токоведущих частей из аппаратов, снабженных закрытыми кожухами, – из масляных выключателей, силовых трансформаторов и др. В некоторых аппаратах изоляторы имеют специальную форму стержней, тяг, рычагов и т.п.

Линейные изоляторы служат для крепления проводов воздушных линий электропередачи и шин открытых распределительных устройств, подразделяются на штыревые и подвесные.

Штыревые линейные изоляторы (рис. 5.55) на напряжение 6…10 кВ состоят из фарфоровой или стеклянной изолирующей детали, в которую ввертывается металлический крюк или штырь. Крюк служит для закрепления изолятора на опоре. Провод укладывается в бороздки на верхней или боковой поверхности изолятора и крепится посредством проволочной вязки или специальных зажимов. На напряжение 35 кВ изоляторы выполняются из двух склеенных между собой изолирующих деталей, что увеличивает их электрическую и механическую прочность. Обозначение изоляторов, например, ШФ 6, обозначает: штыревой, фарфоровый на напряжение 6 кВ. Буква С в обозначении (ШС) указывает на то, что изолятор стеклянный.

Рис. 5.55. Изолятор линейный штыревой фарфоровый ШФ10Г

Подвесные изоляторы разделяют на тарельчатые и стержневые.

Подвесные изоляторы тарельчатого типа (рис. 5.56) широко применяются на воздушных линиях электропередачи 35 кВ и выше. Они состоят из изолирующей детали (стеклянной или фарфоровой), на которую при помощи цемента укрепляется металлическая арматура: шапка и стержень. Требуемый уровень выдерживаемых напряжений достигается соединением необходимого числа изоляторов в гирлянду. Число изоляторов в гирлянде для установок распространенного типа: 35 кВ – 3 шт., 110 кВ – 6…7 шт., 220 кВ – 12…14 шт. и т.д. В электроустановках напряжением 110 кВ вместо гирлянды из изоляторов можно применить один подвесной стержневой изолятор типа СП-110, который легче и дешевле гирлянд подвесных изоляторов. Однако их недостатком является большая трудность в обеспечении необходимых механических характеристик при их изготовлении.

Рис. 5.56. Изолятор линейный подвесной

Верхняя часть тарелки подвесного тарельчатого изолятора имеет гладкую поверхность, наклоненную под углом 5…10° к горизонтали, что обеспечивает стекание воды во время дождя. Нижняя поверхность тарелки для увеличения длины пути утечки выполняется ребристой.

Наиболее частой причиной выхода изоляторов из строя является пробой фарфора (стекла) между шапкой и стержнем, однако механическая прочность изолятора при этом не нарушается и падения провода на землю не происходит. Это является существенным достоинством тарельчатых изоляторов. Обозначение ПС-16Б: П – подвесной, С – стеклянный, гарантированная механическая прочность 160 кН, индекс «Б» означает вид конструктивного исполнения изолятора. Электромеханическая прочность изолятора – это величина разрушающей механической силы при приложении к изолятору напряжения, равного 75…80 % разрядного напряжения в сухом состоянии.

Подвесные стержневые изоляторы представляют собой стержень из изолирующего материала с выступающими на нем ребрами, армированный с обоих концов металлическими шапками. Как правило, эти изоляторы выполняются из электротехнического фарфора. Основным недостатком стержневых изоляторов является их невысокая механическая прочность и возможность полного разрушения с падением провода на землю. В последнее время начат выпуск стержневых полимерных изоляторов (рис. 5.57). Изолятор ЛК 70/35-AIV предназначен для использования в натяжных и поддерживающих подвесках линий электропередачи с наибольшим рабочим напряжением 35 кВ.

Рис. 5.57. Линейный подвесной полимерный изолятор ЛК 70/35-AIV

Для крепления изолятора на опоре (стальная конструкция, стена и т.п.), а также для крепления к изолятору шин или токоведущих частей аппаратов изолятор имеет металлическую арматуру, т.е. металлические части, закрепленные на фарфоре. У станционных изоляторов арматуру закрепляют на фарфоре при помощи различного рода цементирующих замазок. У аппаратных изоляторов применяют также механическое крепление арматуры на фарфоре. Фарфоровый корпус изоляторов с внешней поверхности покрывается глазурью в целях улучшения электрических и механических качеств изолятора.

В зависимости от рода установки различают станционные изоляторы для внутренних и наружных установок. Последние имеют конструктивные формы, обеспечивающие надежную работу их под дождем и в загрязненном пылью состоянии. В установках, подверженных усиленному загрязнению или действию вредных для изоляции газов и испарений, иногда применяют изоляторы специальных конструкций.