Document 3856209
advertisement
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» К а ф е д р а «Электроснабжение промышленных предприятий» Н. Н. РОДИОНОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИЗОЛЯТОРЫ ТЕХНИКА ВЫСОКИХ НАПРЯЖЕНИЙ Учебно-методическое пособие предназначено для подготовки бакалавров по направлению 140400 «Электроэнергетика и электротехника», профиля «электроснабжение», а также специалистов-электриков по специальности «Электроснабжение» Сызрань Самарский государственный технический университет 2014 Печатается по решению научно-методического совета электротехнического факультета. ББК 31 24 УДК 621. 3 048. Электрические изоляторы; техника высоких напряжений: учебнометодическое пособие / Н.Н. Родионов, – Сызрань. Самар. гос. техн. ун-т, 2014. – 32 с.: ил. Представлена информация для теоретического и практического изучения высоковольтных электрических изоляторов различных конструкций. Пособие соответствуют разделу курса дисциплины «техника высоких напряжений» и предназначено для студентов специальности 140211 «Электроснабжение» очной, очно-заочной и заочной форм обучения, а также подготовки бакалавров по направлению 140400 «Электроэнергетика и электротехника» профиля «Электроснабжение». Компентенции: ОК-7, ПК-9. Р е ц е н з е н т ы: канд. техн. наук О. В. Лысенко, технический директор ООО Сызранская горэлектросеть А. В. Овтин ББК 31 24 УДК 621. 3 048. © Н.Н. Родионов, 2014 © Самарский государственный технический университет, 2014 2 ПРЕДИСЛОВИЕ Данная работа предназначена для более тщательного закрепления учащимися знаний по одному из важнейших разделов дисциплины «Техника высоких напряжений», в котором изучаются изоляционные конструкции, но обычно их называют просто изоляторы. За последние годы в связи с развитием новых материалов, а также накопления опыта эксплуатации изоляторов в устройствах высокопотенциальных полей появились новые конструкции. Это требует применения новых технологий и средств диагностики. В настоящее время развитые страны рассматривают вопросы повышения рабочего напряжения в линиях электропередачи и соответственно и высокого напряжения для элементов и устройств электроснабжения. Готовятся линии и оборудование на сверхвысокое напряжения до 1180 кВ, Китай и Индия приняли решение о создании сети ВЛ напряжением 1000 – 1200 кВ. Если для протяженных территорий нашей страны такие напряжения априорно оправданы, то такие страны как Германия, Франция и даже Япония также считают эти решения экономически целесообразными. В различных указаниях дается расширенный теоретический материал по разработке, созданию, диагностики изоляторов. Сведения, излагаемые в данной работе, и в первую очередь теоретические, базируются на материале классических учебных работ и периодических изданий. Непременно используется Интернет. Источники используемые, при написании теоретического раздела представлены в библиографическом списке. Для закрепления материала, студенту предоставляется возможность использовать в ходе выполнения работы: Интернет, а также современные периодические источники и другую литературу. 3 ВВЕДЕНИЕ Изоляционные конструкции или чаще их называют – изоляторы (имеют значения габариты, конструкция) предназначены в основном для изоляции электротехнических элементов с различными электрическими потенциалами, в первую очередь. Этим функции изоляторов не ограничиваются, другая функция это крепление элементов электротехнических устройств или самих устройств. Порой при механических воздействиях изоляторы выдерживают весьма значительные нагрузки. Тем не менее, основой рассматриваемых изделия являются элементы из диэлектрических материалов с различными физикомеханическими свойствами. Изоляторы могут работать в различных условиях, во-первых, это уровни высокого напряжения, в данной работе естественно рассматриваются изоляторы для напряжения выше 1000 В. Механические нагрузки, воздействующие на изоляторы весьма разнообразны как по величине прилагаемого усилия, так и направлению относительно расположения и конструкции изолятора. Например, изоляторы высоковольтных линий электропередач, несут нагрузки от натяжения проводов, причем эксплуатационные нагрузки исчисляются порой тоннами, а иногда и десятками тонн. Опорные изоляторы, на которых крепятся токоведущие шины распределительных устройств, выдерживают сильнейшие нагрузки от электродинамических сил, возникающих при появлении коротких замыканий. Существенное значение имеет среда установки изоляторов, если они располагаются в закрытых помещениях, где незначительны колебания температуры и особенно влаги, изоляторы находятся в более благоприятных условиях. При установке в открытых распределительных устройствах или линиях электропередач метеорологические условия и особенно влажность, ветровые нагрузки могут привести к значительному сокращению срока эксплуатации и ухудшению эксплуатационных характеристик [1]. 4 Значительная часть свойств и характеристик изоляторов представляется в теоретической части. Однако рассмотрение теоретических вопросов изложенных в данном пособии, не исключают использование фундаментальных учебников, периодической и справочной литературы, Интернета. Этого требует также очень быстрое внедрение в эксплуатацию новых изделий, и конечно выработка нормативных сроков их эксплуатации. Во второй части методического пособия дается практическая работа, при выполнении которой студент должен детально рассмотреть конструкцию выбранного изолятора, объяснить его характеристики, их особенности, назначение и применение изолятора, что указывается в прилагаемом задании. 5 ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ Целью работы является изучение конструкций наиболее широко применяемых изоляторов в соответствии с их назначением, особенности конструктивных элементов, эксплуатационными характеристиками. Основным элементом изоляторов является диэлектрическое тело цилиндрической формы, для соединения нескольких изоляторов, например в гирлянду, или крепления применяются различные детали и приспособления (как, правило, металлические) которые здесь не рассматриваются. Оптимальные геометрические размеры элементов изоляционных деталей исключают возможность «перекрытия» изоляторов в гирлянде при неблагоприятных погодных условиях и обеспечивают высокие разрядные характеристики и другие эксплуатационные показатели. Требуемые эксплуатационные показатели обеспечиваются путем видоизменения и совершенствования простых, классических форм изоляционных элементов (юбки, ребра, тарелки и др.) в направлении увеличения длины пути утечки («паразитного» поверхностного тока) за счет развития поверхности и придания изоляторам требуемой геометрической формы, способствующей самоочистке от загрязнений (воздействие дождя, ветра). Как отмечалось выше, улучшенные влагоразрядные характеристики изоляторов достигаются за счет повышения аэродинамичности, т. е. создания гидрофобной поверхности (эффективный способ - глазурирование) [2, 3]. Для полимерных изоляторов может использоваться покрытие поверхности специальными видами пластиков (например, специальная напресовка полимерных пленок с высокой гидрофобностью) [4, 5]. Изоляторы по их назначению подразделяются на линейные и аппаратные. Линейными называют изоляторы, предназначенные преимущественно для работы на линиях электропередачи и электростанциях, относятся к категории 1, то есть их условия работы - от6 крытый воздух. Изоляторы этой категории подвергаются действию всего комплекса атмосферных воздействий, имеющих место при работе на открытом воздухе. Они могут работать в районах с нормальным уровнем загрязнения и с повышенным количеством загрязнений в атмосфере. Наличие загрязнений в сочетании с повышенной влажностью снижают напряжение перекрытия изолятора [2]. Особенно сильное влияние на напряжение перекрытие оказывают загрязнения, которые в сочетании с влагой образуют электролит. Аппаратными называют изоляторы, предназначенные для работы в электрических установках. К аппаратным изоляторам относятся опорные и проходные. Условия работы это категории 2 – 5, то есть работа в помещениях при различных условиях температуры и влажности. У изоляторов этих категорий можно допустить меньшую развитость ребер, так как они не подвергаются действию атмосферных осадков. Изоляторы категории 4 и частично 3 имеют облегченные условия работы, с учетом невысокой влажности окружающей среды, требования к герметизации их внутренней изоляции предъявляются не столь жесткие, как в изоляторах категорий 1 и 2. Аппаратные изоляторы категории 5 обычно изготавливаются на напряжение до 10 кВ. Особенно высокой надежностью должны обладать изоляторы категории 5, если в помещении находятся взрывоопасные или горючие газы и пыль. Укрупненные категории даны в «Приложении». КЛАССИФИКАЦИЯ ИЗОЛЯТОРОВ В настоящее время применяется следующая классификация электрических изоляторов: по своему НАЗНАЧЕНИЮ - опорными (опорно-стержневыми) называют изоляторы, используемые в качестве жесткой опоры для электротехнического устройства или отдельных его частей, находящихся под различными электрическими потенциалами. Изоляторы могут выполняться, как нормального исполнения, так и с усиленной изоляцией для работы в районах с повышенными загрязнениями. 7 - опорно-штыревые изоляторы применяются для наружных установок в тех случаях, когда требуется высокая механическая прочность при изгибающих усилиях. - проходные изоляторы применяются для изоляции токоведущих частей при прохождении их через преграду, например, стену, потолки, стенку бака трансформатора и другие элементы конструкций распределительных устройств и аппаратов. Проходные изоляторы, имеющие сложную конструкцию (наличие нескольких барьеров изоляции, масляное наполнение, конденсаторные обкладки и т. д.) и предназначенные для напряжений выше 35 кВ обычно называются вводы. - подвесные изоляторы предназначены для подвижного крепления токоведущих элементов к несущим конструкциям и объектам см. рис. 1. а) б) Рис. 1. Линейные подвесные изоляторы а) стержневой; б) тарельчатые. По МАТЕРИАЛУ ИЗГОТОВЛЕНИЯ изоляторы подразделяются на фарфоровые, стеклянные, полимерные, керамические: Фарфоровые изоляторы имеют изоляционные элементы, изготовленные из высокопрочного электротехнического фарфора, кото8 рый представляет собой твердое вещество белого цвета. Фарфор получают из строго дозированного набора неорганических компонентов в результате определенного техпроцесса, основной стадией которого является термообработка, длящаяся десятки часов. Поверхность изоляторов покрывается слоем глазури и обжигается в печах. Глазурь не только улучшает декоративные свойства, но заплавляя микродефекты улучшает механические свойства фарфора. Широкое применение фарфора объясняется комплексом его отличительных свойств: твердость, механическая прочность (особенно при сжатии), термостойкость, изменяемость электрических свойств от, характерных для диэлектрика до полупроводника, высокая коррозийная стойкость и стойкость к климатическим факторам, хорошая электрическая прочность 30 – 40 кВ/мм. Применение фарфоровых изоляторов началось с 19 века, с первых линий электропередачи. Недостатком фарфоровых изоляторов является прогрессирующее старение фарфора – появление микротрещин в теле изолятора и как следствие выход из строя. Микротрещины невозможно визуально фиксировать. Тем не менее, фарфоровые изоляторы эксплуатируются более 30 лет. В настоящее время стеклянные изоляторы потеснили фарфоровые на линиях электропередачи напряжением 10 – 500 кВ. Созданные стеклянные изоляторы навсегда вытеснили подвесные фарфоровые, а принятая в 2005 году техническая политика ЕЭС прямо указывает на запрет применения подвесных фарфоровых изоляторов. Однако широкий ассортимент фарфоровых изоляторов (более 300 видов) объясняет их широкое применение. На линиях 10 кВ наиболее широко применяются штыревые фарфоровые изоляторы. Стекло по механической прочности не уступает фарфору. Стеклянные изоляторы в процессе изготовления подвергаются закалке, в результате наружные слои стекла твердеют значительно раньше внутренних, поэтому при последующей усадке внутренних слоев в толще стекла образуются растягивающие усилия. Уже первые годы производства и эксплуатации изоляторов выявили ряд преимуществ: 9 - сырьевые материалы, используемые при изготовлении стеклянных изоляторов, более постоянны по своему составу, создаются благоприятные условия для стабилизации технических характеристик стекла и технологических процессов; -технологический процесс стеклянных изоляторов в значительной степени поддается механизации и автоматизации, что минимизирует влияние человеческого фактора на характеристики изоляторов; - электромеханические характеристики закаленного стекла намного выше, чем у фарфоровых, что позволяет применять стеклянные изоляторы с необходимой механической прочностью меньших размеров и массой; - контроль изоляторов из закаленного стекла в производстве и, особенно в эксплуатации значительно проще; - прозрачность стекла позволяет легко обнаруживать мелкие трещины и дефекты при внешнем осмотре эксплуатационным персоналом. Полимерные изоляторы привлекали внимание сравнительно давно, с тех пор как из полимеров стали получать реальные изделия пригодные для эксплуатации. Первоначально применялись эпоксидные компаунды, смолы на основе циклоолифатических полимеров, кремний органической резины, полиэфирных смол с различными наполнителями. Такие изоляторы имеют высокую электрическую и механическую прочность и достаточную трекингостойкость, существенное снижение массы. В закрытых помещениях изоляторы не подвержены влиянию атмосферных осадков, что упрощает поверхностное покрытие, например, применяется бакелитизированная бумага, влагостойкие лаки. В качестве основных преимуществ [6] выделяют следующие: - высокие разрядные характеристики; - высокая гидрофобность поверхности даже в загрязненном состоянии; - высокая стойкость к ударным нагрузкам; - сейсмостойкость и вибростойкость; 10 - отсутствие необходимости в регламентных работах по защите швов от влаги; - малый вес ; - высокая надежность и долговечность, нормируемый срок эксплуатации 30 лет. Несмотря на указанные преимущества энергетики все еще опасаются массового применения полимерных изоляторов на линиях напряжением более 220 кВ. И возможно не зря. Зафиксированы случаи, когда на линиях свыше 110 кВ оконцеватели просто обрывались, а на линиях 35 – 110 кВ случалось их возгорание. Положение ухудшается тем, что в действующих нормативных документах на полимерные изоляторы, отсутствуют требования, к материалам их которых изготавливаются составные части изоляторов. Высокая степень загрязненности промышленных районов с токопроводящей пылью могут образовывать довольно толстый слой проводящих отложений. Прибрежные районы подвержены воздействию морских брызг и солей. Засушливые территории в течение длительного отсутствия дождей подвержены воздействию пыли и песка. Для устранения указанных факторов применяют обмывку изоляторов под напряжением или прерывистой струей воды. Эффективным средством является применение гидрофобных покрытий противодействующих возникновению проводящих ток дорожек при увлажнении поверхности. Упрочняющим элементом полимерных изоляторов является стеклопластиковая труба (стержень) покрываемая защитным гидрофобным слоем, например, из кремнийорганической резины, гидрофобной смазкой. Возможна напресовка на стеклопластиковую поверхность изоляционной трубы фторопластовой пленки. Для очистки изоляторов требуется значительное время. Кремнийорганика и фторопластовое покрытие обладают высокой стойкостью к ультрафиолетовому излучению солнца и длительному воздействию влаги. Указанные покрытия существенно увеличивают срок эксплуатации. 11 В последнее время, в связи с разработкой новых материалов и технологий для изготовления линейных подвесных изоляторов, стала применятся высокопрочная керамика, основном марок С – 130 или С – 120. Изоляторы из такой керамики применяются для напряжений 110, 220, 400 кВ, а также в гирляндах. Ранее разработанные стержневые изоляторы из фарфора не нашли применения, из–за невысокой механической прочности и возможности полного разрушения. ОБОЗНАЧЕНИЕ ИЗОЛЯТОРОВ В обозначение изоляторов входят: - буквы, которые указывают на их конструкцию: Ш – штыревой, П – подвесной - материал: Ф – фарфор, С – стекло, П – полимер - назначение: Т – телеграфный, Н – низковольтный, Г - грязестойкий (для подвесных), Д – двухъюбочный (для подвесных), О - ответвительный, Р – для радиотрансляционной сети (проводного радио) - типоразмер: А, Б, В, Г (для штыревых) цифры, которые у штыревых изоляторов указывают на номинальное напряжение (10, 20, 35) или диаметр внутренней резьбы (для низковольтных), а у подвесных – на гарантированную механическую прочность в килоньютонах. В старых обозначениях ТФ-1 – самый большой, ТФ-4 – самый маленький. В старых обозначениях у подвесных изоляторов, например П-8.5, цифры обозначают электромеханическую одночасовую нагрузку, буквы конструктивное исполнение изолятора. КОНСТРУКЦИИ ИЗОЛЯТОРОВ По своему назначению изоляторы делятся на опорные, подвесные и проходные. Опорные изоляторы в свою очередь подразделяются на: стержневые и штыревые. Опорно-стержневые изоляторы применяются в закрытых и открытых распределительных устройствах для крепления шин или контактных элементов электротехнических устройств с напряжением до 35 кВ. Изоляторы внутренней установки представляют собой фарфо12 ровое тело в виде цилиндра или расширяющегося к низу бочонка. Сверху и снизу имеется металлическая арматура. Сверху для крепления удерживаемых элементов, снизу для крепления самого изолятора. Арматура имеет закругленные кромки для уменьшения концентраций напряженностей электрических полей. Ребро на теле изолятора заставляет поверхностный разряд развиваться под углом к силовым линиям поля. Перечисленные особенности конструкции позволяют увеличить разрядное напряжение изолятора. Опорно-стержневые изоляторы наружной установки имеют значительно большее количество ребер и могут выполняться, как нормального исполнения, так и с усиленной изоляцией для работы в районах с повышенными загрязнениями [2]. а) б) Рис. 2. Опорно-стержневые фарфоровые изоляторы а) 6 кВ; б) 35 кВ Опорно-стержневые изоляторы серии ОНС для наружной установки выпускаются в единичном исполнении до 110 кВ, а на более высокие напряжения применяются сборные конструкции из нескольких изоляторов. Электрическая прочность таких изоляторов исключительно высока. Однако они не отличаются высокой механической 13 прочностью при изгибающих моментах. Изоляторы 35-110 кВ армированы чугунными фланцами. Обозначение ОНС-35-2000: опорный, наружной установки, стержневой на 35 кВ, 2000 даН разрушающая сила [1]. а) б) Рис. 3. Внешний вид опорных изоляторов: а) полимерные; б) фарфоровый Для наружных установок, когда требуется высокая механическая прочность и опорно-стержневые изоляторы не могут использоваться, из-за больших изгибающих усилий, применяются опорно-штыревые изоляторы (см. рис. 4.) из фарфора или стекла (2). В центре изолирующего элемента располагается металлический стержень (1) который и воспринимает боковые нагрузки. Наверху находится металлический фланец (3), к которому крепится удерживаемая деталь или элемент. Элементы изолятора соединяются с помощью цементной замазки (4). При напряжении 35 кВ устанавливают (один на другой) 2 или 3 изолирующие элементы. Рис.4. Опорно-штыревой изолятор на 35 кВ 14 На линиях электропередачи применяются штыревые линейные изоляторы и изоляторы тарельчатого типа. Вид и разрез таких изоляторов представлен на рис. 5. а) б) Рис. 5. Штыревой линейный изолятор: а) общий вид б) разрез-вид Штыревой линейный изолятор, изоляционное тело которого состоит из нескольких изоляционных элементов соединенных цементной замазкой, представлен на рис. 6. Такой штыревой изолятор рассчитан на напряжение 35 кВ Рис. 6. Линейный штыревой изолятор на напряжение 35 кВ Подвесные изоляторы 15 тарельчатого типа широко применяются на воздушных линиях электропередачи 35кВ и выше. Они состоят из изолирующей детали (фарфоровой или стеклянной), на которой при помощи цемента укрепляется металлическая арматура – шапка и стержень, см. рис. 7. а) б) Рис.7. Подвесные изоляторы тарельчатого типа: а) внешний вид стеклянного изолятора, б) разрез изолятора Рис. 8. Показано крепление проводов электропередачи к порталу открытого распределительного устройства с помощью стеклянных изоляторов тарельчатого типа Подвесные изоляторы предназначены для подвижного крепления токоведущих элементов к несущим конструкциям или объектам. Требуемый уровень напряжений достигается соединением в гирлянду необходимого количества изоляторов. Соединение изоляторов в гир16 лянду осуществляется путем введения головки стержня в гнездо на шапке другого изолятора и закрепления его замком. Благодаря шарнирному соединению изоляторы работают только на растяжение. Однако изоляторы сконструированы так, что внешнее растягивающее усилие создает в изоляционном теле в основном напряжения сжатия. Тем самым используется высокая прочность фарфора и стекла на сжатие. Поверхность фарфоровых изоляторов покрыта глазурью, что обеспечивает значительное упрочнение (заливаются дефекты фарфорового элемента), а гладкая поверхность способствует смыванию загрязнений. В стеклянных изоляторах проводится закалка поверхности изолятора. Для компенсации температурных деформаций применяются эластичные промазки, которыми покрываются все элементы изоляторов, соприкасающихся с цементом [1]. Верхняя часть тарелки тарельчатого изолятора имеет поверхность, наклоненную под углом 5 – 100 к горизонтали, что обеспечивает стекание воды во время дождя и смывание загрязнений. Конец ребра (край тарелки) оттягивают вниз, чтобы устроить так называемую «капельницу», благодаря которой разрывается дождевая струя по поверхности изолятора и уменьшается вероятность попадания воды на нижнюю сторону ребра [2]. Наиболее частой причиной выхода из строя изоляторов является пробой изоляционного элемента между шапкой и стержнем, но механическая прочность изоляционного тела при этом не нарушается и падение провода не происходит. Тарельчатые изоляторы предназначены для работы в составе гирлянд и по одному используются редко, например, для подвески грозозащитных тросов. Поэтому тарельчатые изоляторы не имеют номинального напряжения. Действующее рабочее напряжение зависит от номинального напряжения сети и местоположения изолятора в гирлянде. 17 Рабочее напряжение тарельчатого изолятора находится в пределах 20 – 40 кВ. При этом возникает некоторая неопределенность значения сухоразрядного напряжения Uc = 63 – 110 кВ, а Uд = 38 – 55 кВ. Атмосферные перенапряжения, возникающие при прямом ударе молнии в линию, непосредственно воспринимаются линейной изоляцией. Перекрытие изоляторов приводит к действию на них электрической дуги тока короткого замыкания на землю. Термическое действие токовой дуги вызывает ожег изолятора, а температурные механические напряжения могут привести к растрескиванию. Ток утечки по поверхности изолятора вызывает неравномерное подсушивание и появление «перемежающихся дуг». Тяжелые условия работы подвесных изоляторов в эксплуатации предъявляют жесткие требования к их конструкции и материалам. К ним относятся: высокая механическая прочность, стойкость к действию дуги, влагостойкость, малая гигроскопичность, стойкость к действию агрессивных сред, высокая электрическая прочность, экономичность [2]. Материалы, применяемые для изоляторов и краткие их характеристики, указаны выше. С точки зрения механической прочности и термической стойкости перспективны ситаллы, но они обладают высокой стоимостью и большой сложностью технологического процесса. Подвесные стержневые изоляторы представляют собой стержень из изоляционного материала с выступающими ребрами. Подвесные изоляторы служат для подвешивания проводов к опорам воздушных линий и шин распределительных устройств к металлическим и железобетонным конструкциям подстанций. Стержневые подвесные изоляторы имеют следующие достоинства: высокое пробивное напряжение (изоляторы относятся к типу «непробиваемых», так как напряженность поля в твердом теле мала); малая нормальная составляющая напряженности поля к поверхности изолятора, что повышает выдерживаемую напряженность поля; меньшую массу по сравнению с гирляндой изоляторов. Недостатки стержневых изоляторов следу18 ющие: работа хрупкой изоляции на растяжение, фарфор в этих случаях имеет невысокую прочность; при разрушении изолятора провод линии электропередачи падает на землю; появление продольных трещин, трудно выявляемых при эксплуатации [2]. Причиной разрушения стеклянных изоляторов является также попадание в стекломассу кусочков шихты, огнеупорных материалов; в этих местах возникают местные напряжения, приводящие к разрушению изоляторов при колебаниях температуры. Существенно улучшилось качество стержневых подвесных изоляторов с применением, как ранее указывалось, высокопрочной керамики типов С – 120 и С – 130. Полимерные стержневые изоляторы представляют собой комбинированную конструкцию, состоящую из высокопрочных армированных стекловолокнами стержней с полимерным покрытием, полимерных ребер (оболочки) и металлических наконечников. Стержень защищают от внешних воздействий полимерными покрытиями стойкими к внешним воздействиям. Выбор профиля внешней оболочки (угла наклона ребер) также будет иметь важное значения для стекания воды, смыва проводящих загрязнений. Изоляторы представлены на рис. 9. а) б) Рис.9. Подвесные стержневые изоляторы а) фарфоровый б) полимерный 19 Рис. 10. Применение изоляторов на подстанции Выбор материала для поверхности полимерного изолятора, величина неровностей на поверхности изолятора имеет существенное значение. Высота неровностей влияет на степень загрязнения, время нахождения водяной пленки на поверхности изолятора (следовательно, время его просыхания), образование путей поверхностных токов. Выбор материала и исследование состояния его поверхности во время дождя путем испытания стандартными способами – приложением напряжений разной формы и длительности, весьма трудоемкий процесс, кроме того имеет место значительный разброс результатов. В работе [5] предложен метод оценки состояния поверхности полимерной пластины, с напресованной разно профильной фторопластовой пленкой, путем пропускания через неё СВЧ излучения. Данный способ значительно сокращает оценку состояния полимерного покрытия, а кроме того позволяет оценить как влияют углы наклона ребер изолятора на состояние водяной пленки и время ее удаления. Сравнительные результаты в виде графиков представлены на рис. 11. 20 Ên, äÁ 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0 .1 0 10 20 30 40 , ãðàä 50 g Рис. 11. Зависимость потерь энергии электромагнитной волны в диэлектрической композиционной мембране при воздействии осадков. Поверхность мембраны - - - - - без пленки Ф-4МБ; ______ с пленкой Ф-4МБ. Интенсивность дождя: V - 5 мм/мин, □ - 10 мм/мин; ∆ - 5 мм/мин,○ - 10 мм/мин. Кп – коэффициент потерь электромагнитной волны. γ – угол падения капель дождя к поверхности мембраны. Коэффициент Кп потерь электромагнитной волны характеризует интегральное количество влаги на поверхности мембраны. Меньший коэффициент потерь электромагнитной волны в мембране свидетельствует о меньшем количестве влаги на поверхности мембраны. Интегральное количество влаги оценивается по той причине, что при испытаниях применялось покрытие из фторопластовой пленки, а фторопласт имеет гидрофобную поверхность, практически не смачиваемую водой. Поэтому распределение тонкого слоя влаги в ряде случаев было неравномерным, порой в виде отдельных капель на исследуемой поверхности. 21 Проходные изоляторы предназначены для изоляции токопроводящих элементов при прохождении их через различные преграды. Такими преградами могут быть стены и потолки зданий, стенки баков трансформаторов, различных (масляных, газонаполненных, вакуумных) выключателей. При необходимости проброса токоведущих частей с определенным потенциалом через плоскость, имеющую другой потенциал, используются проходные изоляторы. Обязательными элементами проходных изоляторов являются: токопроводящий стержень, средний фланец и внутренняя изоляция. Токопроводящий стержень служит для подачи энергии к электрическому аппарату, на котором установлен проходной изолятор. При силе тока до двух тысяч ампер проводящие стержни изготавливают из алюминия или меди, с устройствами крепления на концах, предназначенных для возможности соединения с проводящими частями электрических аппаратов. С помощью среднего металлического фланца осуществляется крепление изолятора на крышке бака (трансформатора) или на стене. Фланец соединён с изоляционным телом изолятора при помощи цементно-песчаного состава. Нижний и верхний фланцы закрывают внутреннюю полость изоляции, центрируют токоведущий стержень, служат для установки вспомогательных устройств изолятора, их изготавливают их различных немагнитных материалов (см. рис. 12). Рис. 12. Конструкция проходного изолятора с воздушной полостью 22 Аппараты, предназначенные для наружной установки, снабжаются изоляторами с более развитой поверхностью (большими ребрами) той части изолятора, которая располагается вне бака трансформатора (вне помещения). Изоляторы с пределами номинального напряжения 0 – 35 кВ выпускаются, как правило, с воздушной полостью между изоляционным телом и стержнем (см. рис. 12), поэтому должны выполняться условия: 1) отсутствие короны у токопроводящего стержня при рабочем напряжении; 2) при пробое воздушной полости фарфоровая стенка должна выдерживать приложенное к ней напряжение. Проходные аппаратные изоляторы (вводы) на напряжение 110 кВ и выше имеют значительно более сложную конструкцию. Такие вводы выполняются только заполненными маслом, т. е. с маслобарьерной или бумажно - масляной внутренней изоляцией. Основой внутренней изоляции является масляный промежуток с цилиндрическими барьерами из картона (3). Для регулирования электрического поля на барьерах располагаются дополнительные электроды из фольги (4). Разрядные напряжения определяются размерами фарфоровых покрышек. Рис. 13. Ввод на напряжение 110 кВ 23 На рис. 14, 15, 16 показаны примеры расположения проходных и подвесных изоляторов, а также элементы крепления троса к изоляторам. Рис. 14. Расположение проходного изолятора на баке трансформатора Проходной изолятор расположен на верхней стенке бака трансформатора и отчетливо видно, что нижняя половина изолятора погружена в бак с маслом и её поверхность не требует больших ребер. 24 Рис. 15. Подвеска провода электропередачи с помощью птицезащищённого изолятора Рис. 16. Элементы крепления проводов и тросов к изоляторам. 25 ИСПЫТАНИЯ ИЗОЛЯТОРОВ Для всех видов изоляторов устанавливается наибольшее рабочее напряжение, которое изолятор должен выдержать без перекрытия при сухой и чистой поверхности на частоте переменного тока 50 Гц, UC. Для изоляторов категории 1 (на открытом воздухе) кроме UC определяется выдерживаемое напряжение под дождем Uд. Испытание под дождем проводят при плавном подъеме испытательного напряжения частотой 50 Гц до Uд, выдержке при нем в течение 1 минуты и действии на изолятор дождя интенсивностью 3 мм/мин, направленного под углом 450 к горизонту. Атмосферные перенапряжения воспроизводят испытанием импульсным напряжением стандартной формы (1,2/50 мкс) и срезанным импульсом. Испытания проводят по ГОСТ 1516.1-76. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ Для закрепления рассмотренного материала предлагается выполнение практической части в виде лабораторной работы. Характер и порядок выполнения даётся в практической части пособия. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 7 Цель работы – закрепление материала по электрическим изоляторам и совершенствование навыков работы с информационно справочной литературой, включая Интернет. 1. Описание лабораторной установки Лабораторная база представляет собой набор изоляторов различных типов, которые студенты должны изучить. Далее каждый студент выбирает любой изолятора для более детального изучения. Следует определить тип выбранного изолятора, рассмотреть его конструкцию и определить назначение, описать элементы изоляторов 26 по представляемому эскизу. Эскиз составляется, используя фактический изолятор или по согласованию с преподавателем по рисункам из источников информации. 2. Порядок выполнения работы 1. Выбрав желаемый тип изолятора, студент делает эскиз изолятора, который используется при составлении отчета. На эскизе изолятора обозначаются цифрами элементы изолятора, которые подлежат описанию. 2. Для того чтобы дать исчерпывающее описание изолятора, согласно заданию, студент использует дополнительные источники информации. 3. С разрешения преподавателя, показав ему предварительно эскиз, студент направляется в медиатеку (или компьютерный класс, где имеется Интернет), что предпочтительнее. Обращаясь в Интернете к различным сайтам (которые в отчете должны быть представлены в списке использованной литературы) собирает необходимую информацию по выбранному типу изолятора, возможно в виде распечаток, с помощью которых в дальнейшем оформляется отчет по работе. Разрешается, также использовать литературу в библиотеке. Примерный эскиз разреза изолятора представлен на рис. 17, а также эскизы приводятся в тексте теоретической части. Рис. 17. Пример эскиза подвесного тарельчатого изолятора с цифровым обозначением элементов. 3. Содержание отчета При описании конструкций изоляторов следует дать характеристику особенностей конструкции, пример условного обозначения 27 изолятора. Указать область напряжений и применения изолятора данной конструкции. Необходимо привести исчерпывающий эскиз описываемого изолятора, раскрывающий его особенности. На эскизе обозначаются конструктивные элементы изолятора с помощью цифр. Далее по тексту даётся описание каждого элемента, его назначение. Ответы и описания должны быть исчерпывающими и отражать сущность поставленных вопросов. Делается вывод по результатам работы. Эскиз делается с применением чертежных инструментов, можно использовать ксерокопию или компьютерный рисунок. Тот либо иной эскиз изолятора согласуется с преподавателем. Приводится список использованных источников информации. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Назвать способы классификации изоляторов. 2. Назначение высоковольтных изоляторов различных типов. 3. Назвать основные технические характеристики высоковольтных изоляторов. 4. Привести примеры буквенно-цифрового обозначения изоляторов. 5. Какие материалы используются при изготовлении изоляторов (основные и вспомогательные). 6. Назвать недостатки фарфоровых изоляторов. 7. Перечислить достоинства и недостатки полимерных изоляторов. 8. Недостатки и преимущества стержневых фарфоровых изоляторов. 9. Достоинства стеклянных изоляторов. 10. Области применения изоляторов различного типа. 28 ЗАКЛЮЧЕНИЕ Изложенная в данном пособии учебная информация позволяет составить представление о назначении и применении электрических изоляторов, используемых в устройствах и сетях высокого напряжения. - уделено внимание классификациям электрических высоковольтных изоляторов; - рассмотрены материалы, используемые для изготовления электрических изоляторов, достоинства и недостатки изоляторов из разных материалов; - приводятся принципы условного буквенно-цифрового обозначения; - приводятся примеры поясняющие применение высоковольтных электрических изоляторов в устройствах и объектах электроснабжения; - в практической части пособия даётся материал в виде лабораторной работы, для выполнения которой необходимо детально применять найденную информацию, анализировать (выбирать требуемые сведения), использовать современные источники информации, включая Интернет; - при выполнении практической части необходимо показать умение применять графическую информацию (эскизирование); - для закрепления проделанной работы необходимо сделать выводы. 29 ПРИЛОЖЕНИЕ Укрупненные категории изготавливаемых изделий в зависимости от места их расположения, характеристик окружающей среды на основе ГОСТ 15150. Условия работы оборудования На открытом воздухе ………………………………………... В помещении, где колебания температуры и влажности воздуха несущественно отличаются от колебаний на открытом воздухе и имеется сравнительно свободный доступ наружного воздуха (отсутствует прямое воздействие солнечной радиации и атмосферных осадков на изделие)……………………………... В закрытых помещениях с естественной вентиляцией без искусственно регулируемых климатических условий, где колебания температуры и влажности воздуха и воздействие песка и пыли существенно меньше, чем на открытом воздухе (существенное уменьшение воздействия солнечной радиации, ветра, атмосферных осадков, отсутствие росы)………………………… В помещениях с искусственно регулируемыми климатическими условиями (отсутствует прямое воздействие солнечной радиации, атмосферных осадков, ветры, песка и пыли, наружного воздуха)………………………………………………….. В помещениях с повышенной влажностью………………… 30 Категория 1 2 3 4 5 БИБЛИОГРАФИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ 1. Базуткин В.В. Техника высоких напряжений: изоляция и перенапряжения в электрических системах: учебник для вузов / В.В. Базуткин, В.П. Ларионов, Ю.С. Пинталь; под общ. ред. В.П. Ларионова. – 3-е изд. – М.: Энергоиздат. – 1986. – 464 с. 2. Дмитревский В.С. Расчет и конструирование электрической изоляции: учеб. пособие для вузов. – М.: Энергоатомиздат. – 1981. – 392 с. 3. Кучинский Г.С. Изоляция установок высокого напряжения: учеб. для вузов / Г.С. Кучинский, В.Е. Кизеветтер, Ю.С. Пинталь; под общ. ред. Г.С. Кучинского. – М.: Энергоатомиздат. – 1987. – 368 с. 4. Родионов Н.Н. Оценка и прогнозирование климатической устойчивости композиции фторопласта с кварцевой тканью /Н.Н. Родионов // Пластические массы. – 2002. - № 11. – С. 22 – 24. 5. Родионов Н.Н. Анализ состояния поверхности электроизоляционных конструкций при воздействии осадков / Н.Н. Родионов // Электротехника. – 2011. № 4. – С. 34 – 37. 6. Узлов О.В. Высоковольтные изоляторы: метод. указания/ О.В. Узлов, Б.Ю. Васильев, М.Ю. Ванеев. – Ухта: УГТУ, 2009. – 22 с. 7. ГОСТ 15150 “Машины, приборы и другие технически изделия. Исполнения для различных климатических районов. Категории, условия эксплуатации, хранения и транспортирования в части воздействия климатических факторов внешней среды». – М.: Стандартинформ – 2006. 31 СОДЕРЖАНИЕ Предисловие……………………………………………………………….3 Введение…………………………………………………………………...4 Теоретическая часть ……………………………………………………6 Цель работы………………………………………………………………..6 Классификация изоляторов…………………………………………….....7 По назначении…………………………………………………………..7 По материалу изготовления……………………………………………8 а) фарфоровые….……………………………………………………….8 б) стеклянные…………………………………………………………...9 в) полимерные…………………………………………………………10 г) керамические………………………………………………………..12 Обозначение изоляторов………………………….……………………..12 Конструкции изоляторов………………………………………………..12 а) опорные………………………………………………………….….12 б) подвесные ………………………………………………………….16 в) проходные ……………………………………………………….....22 Испытания изоляторов…………………………………………………...26 Практическая часть …………………………………………………....26 Лабораторная работа…………………………………………………..26 Заключение……………………………………………………………….29 Приложение ……………………………………………………………...30 Библиографическое описание …………………………………………..31 32 Учебное издание РОДИОНОВ Николай Николаевич Электрические изоляторы Техника высоких напряжений Верстка Н.Н. Родионов Формат 60×84 1/16. Бум. офсетная. Усл. п.л. 1,94 Уч.-изд. Тираж 50 экз. ______________________________________________________________________________________ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Самарский государственный технический университет» 443100 г.Самара, Молодогвардейская, 244. Главный корпус Отпечатано в типографии Самарского государственного технического университета Филиал в г. Сызрани, 446, г. Сызрань, ул. Советская 45 33
