Изоляторы высокого напряжения

Изоляторами высокого напряжения (ВН) называются электро­изоляционные конструкции, осуществляющие электрическую изо­ляцию и механическое крепление токоведущих и других электро­технических устройств в установках высокого напряжения, а так­же для перемещения подвижных контактов выключателей и иных коммутационных аппаратов.

В соответствии с выполняемыми функциями изоляторы долж­ны прежде всего обладать достаточной механической прочностью по отношению ко всем видам возможных эксплуатационных на­грузок: статическим, ударным и др. Особенность этого очевидно­го требования применительно к изоляторам установок высокого напряжения состоит в том, что механическая прочность должна обеспечиваться при воздействии сильных электрических полей. В таких условиях местные, небольшие повреждения, не влияющие на общую механическую прочность, могут иногда вызывать суще­ственное снижение пробивного напряжения и приводить к преж­девременному выходу из строя.

Изоляторы, как самостоятельные конструкции, имеют собствен­ную внутреннюю и внешнюю изоляцию. Диэлектрики, используе­мые для изготовления изоляторов, должны обладать высокой элек­трической прочностью, позволяющей создавать надежные и эко­номичные конструкции изоляторов. Нарушение электрической прочности изоляторов может происходить путем пробоя твердого диэлектрика, из которого он изготовлен, или в результате разви­тия разряда в воздухе вдоль внешней поверхности изолятора. Про­бой твердого диэлектрика означает выход изолятора из строя, то­гда как разряд вдоль поверхности при условии быстрого отключе­ния напряжения не причиняет изолятору никаких повреждений. Таким образом, пробивное напряжение твердого диэлектрика в изо­ляторе должно быть примерно в 1,5 раза выше, чем напряжение перекрытия по поверхности, которым и определяется электриче­ская прочность изолятора. Диэлектрики должны быть негигро­скопичны и не изменять своих свойств под действием различных метеорологических факторов.

При неблагоприятных условиях эк­сплуатации на поверхностях изоляторов, устанавливаемых на от­крытом воздухе, могут возникать частичные электрические дуги. Под их действием не исключено обугливание поверхности и появ­ление на ней проводящих следов — треков, снижающих электри­ческую прочность изоляторов.

Следовательно изоляторы, предназ­наченные для наружной установки, должны обладать повышенной трекингостойкостью. Электрическая прочность изоляции обеспе­чивается путем выбора соответствующей толщины фарфора, стек­ла или полимера.

При длительном воздействии сильных электрических полей у многих видов внутренней изоляции наблюдается постепенное ухудшение характеристик — электрическое старение, причиной которого являются частичные разряды, т.е. местные разряды в не­больших газовых включениях. Однако фарфор, стекло и полимер­ная изоляция обладают столь высокой стойкостью по отношению к подобным разрядам, что они практически не подвержены электри­ческому старению, а это упрощает конструирование внутренней изо­ляции на основе фарфоровых, стеклянных, полимерных изоляторов.

Во всех случаях внутренняя изоляция, которая при пробое раз­рушается необратимо, выполняется несколько более прочной, чем внешняя, поэтому разрядные характеристики изоляторов опреде­ляются электрической прочностью их внешней изоляции.

В наиболее сложных условиях находится внешняя изоляция изо­ляторов, предназначенных для наружной установки, поверхнос­ти которых могут загрязняться и увлажняться в результате выпа­дания осадков. Чтобы обеспечить высокие значения разрядных напряжений при относительно небольших габаритах, изоляторы для наружной установки делают с сильно развитыми поверхнос­тями, т.е. с ребрами или юбками. С помощью этих ребер увеличи­вается путь электрического разряда по поверхности изолятора, повышая тем самым его мокроразрядное напряжение. Число, фор­ма и размеры ребер или юбок — основные конструктивные пара­метры изоляторов, от которых зависят их эксплуатационные ха­рактеристики.

Ребра и юбки увеличивают полную длину тока утечки по по­верхности, от которой наиболее сильно зависит разрядное напря­жение при дожде и загрязнениях. При некоторых видах осадков нижние поверхности ребер и юбок смачиваются в меньшей степе­ни, и это значительно увеличивает полное сопротивление утечки. При правильно выбранных размерах и форме ребра разряд, разви­вающийся вдоль изолятора, отрывается от его поверхности. В этом случае участки развития заряда вдоль поверхности изолятора че­редуются с воздушными промежутками и разрядное напряжение оказывается более высоким. Однако с увеличением числа и разме­ров ребер растет не только полная длина утечки по поверхности, но и эквивалентный диаметр, что отрицательно влияет на разряд­ное напряжение.

От формы изолятора в большей степени зависит интенсивность его загрязнения в условиях эксплуатации. Отложение загрязнений происходит при ветре. Их количество на единицу площади прямо пропорционально скорости потока воздуха у поверхности изоля­тора. При усложнении формы изолятора около его поверхности может наблюдаться усиление такого потока вместе с изменением направления (завихрения) и приводить к интенсивному загрязне­нию. При сложной конфигурации поверхности снижается возмож­ность самоочистки изолятора при ветре и дожде.

Требования к электрической прочности изоляторов для устано­вок разных классов напряжения определяют значения испытатель­ных напряжений, которые устанавливают с учетом уровня ожидае­мых перенапряжений и возможных изменений метеоусловий.

Изоляторы высокого напряжения по назначению делятся на линейные и аппаратные. С помощью линейных изоляторов укреп­ляются или подвешиваются токоведущие провода к опорам и кон­струкциям распределительных устройств (РУ). Эти изоляторы при­меняются на линиях электропередачи и в РУ открытой части под­станций.

На аппаратных изоляторах крепятся токоведущие части (шины, провода) и детали аппаратов. Эти изоляторы применяются в РУ электростанций и подстанций, а также в электрических устройствах высокого напряжения (выключателях, разъединителях, предохра­нителях и др.).

Изолятор состоит из диэлектрика и металлической арматуры. Как уже указывалось выше, в качестве диэлектрика используются фарфор, стекло, полимеры и другие диэлектрические материалы.

Наибольшее распространение получил глазурованный электро­технический фарфор, обладающий сравнительно высокими элект­рическими и механическим характеристиками, высокой стойкос­тью к атмосферным воздействиям, влагонепроницаемостью.

Стекло, не уступая фарфору по перечисленным качествам, об­ладает большой износоустойчивостью. Стеклянные изоляторы в процессе изготовления подвергаются закалке: нагреваются до тем­пературы примерно 700 °С и затем обдуваются холодным возду­хом. Во время этого процесса наружные слои стекла твердеют зна­чительно раньше внутренних, поэтому при последующей усадке внутренних слоев в толще стекла возникают растягивающие уси­лия. Такая предварительно напряженная конструкция характери­зуется достаточно высокой прочностью на сжатие. Стеклянные под­весные изоляторы тарельчатого типа для линий электропередачи изготавливаются с расчетом на нагрузку до 40 т. Прозрачность стек­ла позволяет визуально обнаруживать дефекты изоляторов в усло­виях эксплуатации. Стеклянные изоляторы используются в основ­ном в качестве линейных.

Электрическая прочность фарфора в однородном поле при тол­щине образца 1,5 мм составляет 30—40 кВ/мм и уменьшается при увеличении толщины, для стекла при тех же условиях — 45 кВ/мм. Механическая прочность фарфора и стекла зависит от вида нагруз­ки. Прочность фарфоровых образцов диаметром 2—3 см составля­ет при сжатии 450 МПа, а при растяжении всего 30 МПа, поэтому наибольшей механической надежностью обладают изоляторы, в ко­торых материал работает на сжатие.

Полимерные изоляторы для наружной установки изготавлива­ются из эпоксидных компаундов на основе циклоалифатических смол или из полиэфирных смол с минеральными наполнителями и добавкой фторопласта. Однако такие изоляторы имеют суще­ственные недостатки, связанные с нарушением собственных изо­ляционных свойств и механической прочности из-за влияния сол­нечной радиации и воздействия поверхностных частичных разря­дов. Эти явления приводят к возникновению сильной эрозии и токопроводящих треков. В последнее время наиболее перспектив­ными для использования на ЛЭП и в электроустановках считают­ся изоляторы с оболочкой из кремнийорганических эластомерных композиций. Такие изоляторы имеют высокую электрическую прочность и достаточную трекингостойкость. Для повышения ме­ханической прочности полимерные изоляторы армируются стек­ловолокном. Основными элементами конструкции полимерных изоляторов являются стеклопластиковый элемент, несущий меха­ническую нагрузку; металлические оконцеватели или фланцы для крепления к токоведущим частям и заземленным конструкциям; по­лимерная оболочка, защищающая несущий элемент от атмосфер­ных воздействий и формирующая необходимую длину пути утечки тока. Главные достоинства полимерных изоляторов — малая мас­са (в 7—10 раз меньше, чем фарфоровых изоляторов) и влагоотталкивающие свойства.

В закрытых помещениях изоляторы не подвержены влиянию атмосферных осадков. В изоляторах для внутренней установки, кроме фарфора, используют органическую изоляцию — бакелит, стекловолокно, бакелизированную бумагу. Для уменьшения гигро­скопичности такие изоляторы покрываются снаружи водостойки­ми лаками. Изоляторы для внутренней установки, изготовленные из фарфора и стекла, имеют более простую форму, чем изоляторы из тех же материалов, предназначенные для наружной установки.

Механическое крепление изоляторов осуществляется при по­мощи металлической арматуры. Эта арматура различных форм изготавливается из серого или ковкого чугуна и стали, а в неко­торых случаях из немагнитного чугуна, содержащего легирующие компоненты из цветных металлов — никеля, марганца, препят­ствующих чрезмерному нагреванию из-за перемагничивания. Для компенсации разницы температурных коэффициентов расширения фарфора, цемента и арматуры, а также изменения объема цемента в процессе его затвердевания между ними вводят эластичные про­кладки (картон) и промазки (битумные покрытия). Склеиваемые поверхности делают шероховатыми, покрывая их фарфоровой крошкой.

При производстве литых изоляторов из полимерных диэлект­риков металлическая арматура заливается смолой, соединяющей прочно, что не требуется дополнительного крепления.

В соответствии с нормализованной шкалой напряжений изоля­торы высокого напряжения выпускаются на номинальные напря­жения 3, 6, 20, 15, 20 и 35 кВ (за исключением некоторых типов линейных изоляторов на напряжение НО кВ). Изоляторы, рассчи­танные на напряжение выше 35 кВ, составляются из нескольких эле­ментов. Вводы высокого напряжения делаются на напряжения 35, 110, 150, 220 и 400—500 кВ. Изоляторы на напряжение до 110 кВ изготавливаются как для наружной, так и для внутренней установ­ки, а изоляторы на напряжение 220 и 400—500 кВ — только для наружных установок.