Основные характеристики изоляторов

Основными электрическими характеристиками изоляторов при промышленной частоте являются сухоразрядное, мокроразрядное и пробивное напряжения, а при импульсах — импульсное разряд­ное напряжение.

Сухоразрядным напряжением изолятора называется наименьшее напряжение промышленной частоты, приложенное к электродам изолятора (арматуре), при котором по сухой и чистой его поверх­ности проходит искровой разряд.

Сухая поверхность изолятора характеризуется нормальной тем­пературой воздуха 20±5°С и относительной влажностью воздуха в 65—70 %. Величина сухоразрядного напряжения в основном оп­ределяется величиной разрядного расстояния, т.е. кратчайшего расстояния по воздуху между электродами изолятора. С увеличе­нием разрядного расстояния это напряжение увеличивается.

На рис. 3.1, а приведена зависимость сухоразрядного напряже­ния Uc проходных и опорных изоляторов от разрядного расстоя­ния Lс. Напряжение Uc возрастает пропорционально Lс, однако без защитной арматуры при Lс > 2м рост Uc замедляется (кривая 3). При использовании защитных экранов, выравнивающих напряжение вдоль изоляторов, обеспечивается линейность кривой Uc =L(/с). Вплоть до расстояний Lс, равных 5—6 м (кривые L и 2).

Мокроразрядным напряжением изолятора называется наимень­шее напряжение промышленной частоты, при котором происхо­дит искровой разряд по поверхности изолятора при воздействии на него равномерных водяных струй дождя, падающих под углом 45° к горизонту. При этом изолятор должен находиться в нормаль­ном рабочем положении. Сила дождя 3 мм/мин, удельное сопро­тивление воды 9,5—10,5 кОмсм при температуре 20 °С.

Мокроразрядное напряжение является одной из важных харак­теристик изоляторов для наружной установки, в значительной сте­пени определяющей их поведение в условиях эксплуатации.

Мокроразрядное напряжение всегда меньше сухоразрядного, так как участки поверхности изолятора, смачиваемые дождем, снижа­ют величину разрядного напряжения. Разряд будет происходить только в промежутках, где поверхности изолятора не смачиваются дождем благодаря защитному действию выступающих ребер изо­лятора.

Для определения мокроразрядного напряжения обычно пользу­ются опытными данными.

На рис. 3.1, б представлена зависимость мокроразрядного напря­жения UM опорных и проходных изоляторов от разрядного расстоя­ния Lс, полученная на основе испытаний, при силе дождя 5 мм/мин.

а — сухоразрядное напряжение в зависимости от разрядного расстояния: / — нижний предел; 2 — средняя кривая; 3 — сухоразрядное напряжение без защит­ной арматуры; б — мокроразрядное напряжение опорных и проходных изолято­ров в зависимости от их разрядного расстояния; в — зависимость пробивного напряжения от толщины фарфора: / — фарфор низкого качества; 2 — фарфор среднего качества; 3 — фарфор высокого качества; г — импульсное разрядное напряжение опорных и проходных изоляторов: / — среднее значение; 2 — ниж­ний предел

(3.1)

Минимальное значение мокроразрядного напряжения пропорцио­нально разрядному расстоянию и может быть выражено эмпири­ческой формулой

где L_с — сухоразрядное расстояние, см.

(3.2)

Среднее значение мокроразрядного напряжения также может быть выражено формулой

В общем случае считают, что если в конструкции изолятора пре­обладает путь по смоченной поверхности, то мокроразрядное на­пряжение будет ниже среднего U_{м ср} (см. рис. 3.1, б), а если преоб­ладает путь по воздуху — то выше и_{м ср}.

Мокроразрядное напряжение зависит от конструкции изоля­тора и характеристики дождя. Например, в конструкциях опор­ных стержневых изоляторов значительное влияние на мокрораз­рядное напряжение оказывают вылет ребер и расстояние между ними (рис. 3.2, б).

Пробивным напряжением изолятора называется наименьшее на­пряжение промышленной частоты, при котором возникает пробой изолятора между его электродами. Пробой происходит через тол-

щу изолятора, при этом путь пробоя представляет собой сквозной канал, высокой проводимости. В результате наступает потеря изо­лирующей способности изолятора, а чаще всего его полное повреж­дение.

(3.3)

Пробивное напряжение U_пp изолятора выше его сухоразрядного и тем более мокроразрядного напряжений. Оно должно быть не менее

Величина пробивного напряжения зависит от качества и тол­щины диэлектрика, а также от формы электродов.

На рис. 3.1, в представлена зависимость пробивного напряже­ния Uпр фарфора от его толщины S при разном качестве фарфора. С достаточным приближением кривые 2 и 3 могут быть описаны формулами

(3.4) (3.5)

Импульсным разрядным напряжением называется амплитуда вол­ны импульсного напряжения (полной волны 1,5/40 мкс, а также срезанной волны 2—3 мкс), при приложении которой к электро­дам изолятора наступает импульсный разряд.

Простейшей импульсной характеристикой является минималь­ное 50 % разрядное напряжение (50 % ударов напряжения импульс­ного генератора вызывают разряд на испытуемом изоляторе, а другие 50 % проходят вхолостую). Наиболее полную оценку изо­ляторов при воздействии на них импульсов, т.е. возникающих пе­ренапряжений, дает вольт-секундная характеристика.

Величина импульсного разрядного напряжения зависит от конструкции изолятора, разрядного расстояния, полярности импульса.

При импульсах разряд как бы «прилипает» к поверхности изо­лятора, что особенно ярко выражено при отрицательной полярно­сти импульса. На рис. 3.1, г представлена зависимость импульсно­го разрядного (50 %) напряжения U( опорных и проходных изоля­торов от разрядного расстояния /с при положительной полярности импульса. Эта зависимость линейна при Lс > 30 м. Следует отме­тить, что при Lс > 2 ???м применены защитные экраны, выравнива­ющие напряжение вдоль изоляторов; в противном случае напря­жение U будет значительно ниже приведенного на рис. 3.1, г, при Lс т 2 м значение (У, получается меньшим при положительных, чем при отрицательных импульсах, а при L > 2 м наоборот. Примене­ние выравнивающих экранов повышает импульсное разрядное на­пряжение особенно сильно при отрицательных импульсах.

Требования к электрическим характеристикам изоляторов вы­сокого напряжения задаются величинами испытательных напряже­ний при промышленной частоте и импульсах.

Разрядное напряжение изоляторов при действии постоянного напряжения практически не отличается от амплитуды сухоразряд­ного напряжения при переменном напряжении промышленной ча­стоты.

Длина пути утечки тока по изолятору L_y представляет собой наименьшее расстояние или сумму наименьших расстояний по по­верхности изолирующей части между электродами изолятора. При этом расстояние, измеренное по поверхности цементного шва или другого токопроводящего соединительного материала, не счита­ется частью длины пути утечки.

Под действием приложенного напряжения по увлажненной по­верхности изолятора проходит ток утечки, который нагревает ее.

В эксплуатационных условиях поверхности изоляторов загряз­няются и увлажняются неравномерно. Из-за этого и плотность тока утечки будет также неравномерна и, соответственно, нагревание слоя загрязнения и поверхности изолятора происходят тоже нерав­номерно; образуются подсушенные участки с повышенным сопро­тивлением на поверхности изолятора. Распределение напряжения по поверхности изолятора также меняется. Почти все напряжение, воздействующее на изоляцию, оказывается приложенным к под­сушенным участкам. В результате этого такие участки перекры­ваются искровыми каналами, называемыми частичными дугамц.

Сопротивление искрового канала меньше сопротивления подсу­шенного участка поверхности изолятора, поэтому ток утечки воз­растает. Возрастание тока утечки приводит к дальнейшему под­сушиванию слоя загрязнения, а следовательно, и к увеличению его сопротивления. Наряду с этим происходит интенсивное под­сушивание поверхности у концов дуг, что приводит к их удлине­нию. Подсушивание всей поверхности изолятора ведет к снижению тока утечки, а увеличение длины частичных дуг — к его росту.

Если результатом этого будет уменьшение тока утечки, то частич­ные дуги погаснут, если же ток утечки будет расти, то частичные дуги будут удлиняться и перекроют весь изолятор. Вероятность перекрытия изолятора повышается с увеличением воздействующе­го напряжения, так как при этом возрастает ток утечки, что благо­приятствует увеличению частичных дуг до полного перекрытия изолятора.

(3.6)

Кроме того, при сложной форме изолятора разряд может отры­ваться от поверхности и развиваться по кратчайшему пути в возду­хе. В результате эффективно используется не вся геометрическая длина пути утечки, а только ее часть. Поэтому напряжение пере­крытия изоляторов, загрязненных в реальных условиях эксплуата­ции, пропорционально не геометрической, а эффективной длине пути утечки

где к = 1—1,3 — поправочный коэффициент, называемый коэффи­циентом формы изолятора. Он зависит не только от формы изоля­тора, но и от условий его загрязнения, т.е. от скорости ветра и ин­тенсивности осадков и других свойств загрязняющих веществ. Зна­чения коэффициента к определяют экспериментальным путем.

Эффективная длина пути утечки тока является важнейшей ха­рактеристикой изолятора для наружной установки, определяющей его способность длительно без перекрытий выдерживать рабочее напряжение в условиях загрязнения. В справочной литературе ука­зываются длины L_y, которые не зависят от условий эксплуатации, и точно определяются для каждого изолятора.

(3.7)

Для конкретной местности с определенными метеорологиче­скими условиями, свойствами и интенсивностью загрязнения ат­мосферы вероятность перекрытия изолятора зависит от

где U_max — максимальное рабочее напряжение.

Величина a_э получила название удельной длины пути утечки (см/кВ), т.е. длины пути утечки (см) по поверхности изоляции на 1 кВ максимального рабочего напряжения.

В зависимости от характеристики местности и опасности источ­ников загрязнения для работы изоляции установлены шесть степе­

ней загрязненности атмосферы и нормированы наименьшие допу­стимые значения этой величины, при которых обеспечивается ма­лое число отключений под действием рабочего напряжения.

Методика определения степени загрязненности атмосферы, учи­тывающая возможные источники загрязнения: промышленные предприятия, засоленные водоемы, — подробно излагается в «Ру­ководящих указаниях по выбору и эксплуатации изоляции в райо­нах с загрязненной атмосферой», в которых приведена характери­стика местности по степени загрязненности атмосферы:

I— особо чистые районы, не подверженные естественным и про­мышленным загрязнениям, в почве содержится незначительное количество растворимых ионообразующих примесей (например, лесные или почвы, имеющие травянистый покров, затрудняющий перенос пылевых частиц в воздухе);

— земледельческие районы, для которых характерно приме­нение в широком масштабе химических веществ (удобрений, гер­бицидов), и промышленные районы, расположенные за пределами наименьшего защитного интервала и не подверженные загрязне­нию соляной пылью;

и оставшиеся степени (IV—VI) определяются по степени опас­ности загрязнения промышленных предприятий, засоленности и характеру покрова солончаковых почв, солености близко распо­ложенных водоемов и расстоянию линий электропередачи от ис­точника загрязнения.

Для воздушных линий с номинальным напряжением 3—35 кВ рекомендуются следующие удельные длины пути утечки А.э, кВ/см.

Степень загрязненности

Атмосферы I II III IV V VI

Длина пути утечки, кВ/см 1,7 1,9 2,25 2,6 3,5 4,0

Для полной оценки работы изолятора, кроме перечисленных выше электрических характеристик, важное значение имеют его механические характеристики и некоторые физические свойства.

Механическая прочность изоляторов определяется величиной разрушающей нагрузки. Ряд конструкций изоляторов характери­зуется так называемой минимальной разрушающей механической нагрузкой, т.е. плавно возрастающей и приводящей к частичному или полному разрушению изолятора.

Опорные и проходные фарфоровые изоляторы для внутренней установки на напряжения 6—35 кВ отечественного производства составляют несколько групп, различающихся по минимальной раз­рушающей механической нагрузке. Механическая прочность про­ходных и опорных изоляторов на напряжения 110 кВ и выше не нормируется и указывается для каждого типа изолятора заводом-изготовителем. При определении допустимых механических напря­жений на том или ином их участке должна учитываться в соответ­ствии с конструктивными особенностями возможность возникно­вения концентраций напряжений и внутренней напряженности материала изолятора. Механическая прочность изоляторов на из­гиб зависит от диаметра и толщины их стенок. Предельно допус­тимая напряженность электрического поля в теле изолятора выби­рается также в зависимости от толщины его стенок.

Очень важным физическим качеством изоляторов для наруж­ной установки является их теплостойкость — сопротивляемость изолятора резкому изменению температуры. При скачках темпе­ратуры появляются внутренние напряжения в керамике, а также температурные напряжения, вызываемые различием температур­ных коэффициентов расширения керамики и металлической ар­матуры, поэтому фарфоровые изоляторы подвергаются испыта­нию двукратным нагревом и охлаждением до определенных тем­ператур.