Общая характеристика внешней изоляции

Внешняя изоляция. Особенности внешней изоляции. Регулирование электрических полей во внешней изоляции

Особенности внешней изоляции

К внешней изоляции установок высокого напряжения относят изоляционные промежутки между электродами (проводами линий, шинами распределительных устройств и т. д.), в которых роль основного диэлектрика выполняет воздух.

Целесообразность использования диэлектрических свойств воздуха в энергетических установках разных классов напряжения объясняется меньшей стоимостью и сравнительной простотой создания изоляции. Для ее выполнения изолируемые электроды (провода, шины и др.) располагаются на определенных расстояниях друг от друга и от земли и закрепляются с помощью изоляционных конструкций из твердых диэлектриков — изоляторов. При этом чисто воздушные промежутки и промежутки в воздухе вдоль поверхностей изоляторов образуют внешнюю изоляцию установки. Сами изоляторы в состав внешней изоляции не входят, так как они имеют еще и свою внутреннюю изоляцию, свойства которой существенно иные.

Для внешней изоляции характерна зависимость электрической прочности от метеорологических условий, определяющих состояние основного диэлектрика — воздуха, а также состояние поверхностей изоляторов, т. е. количество и свойства загрязнений на них. Так, на разрядные напряжения чисто воздушных промежутков и вдоль изоляторов внутренней установки оказывают влияние давление p, температура T и абсолютная влажность H воздуха, а на разрядные напряжения вдоль изоляторов наружной установки — кроме того, вид и интенсивность атмосферных осадков, количество и состав загрязнений в атмосфере и ветровые условия.

Показатели метеорологических условий непрерывно меняются во времени: на относительно регулярные суточные и сезонные колебания накладываются случайные изменения, скорость и размах которых могут быть весьма большими.

В связи с этим воздушные изоляционные промежутки выбирают так, чтобы они имели требуемую электрическую прочность и при таких неблагоприятных сочетаниях давления, температуры и влажности воздуха, вероятность появления которых мала, но достаточна, чтобы влиять на надежностные и, следовательно, на экономические показатели установок высокого напряжения. Для определения расчетных значений p, T и H используются данные метеонаблюдений за длительные периоды времени (десятки лет).

В некоторых случаях смена метеорологических условий (например, появление мокрых осадков) может качественно изменять состояние поверхностей изоляторов наружной установки и механизм развития разрядов вдоль них, что сильно сказывается на значениях разрядных напряжений. Чтобы учесть это, электрическую прочность промежутков вдоль изоляторов наружной установки измеряют в условиях, соответствующих разным механизмам разрядных процессов, а именно, когда поверхности изоляторов чистые и сухие, чистые и смачиваются дождем, загрязнены и увлажнены. Разрядные напряжения, измеренные при указанных состояниях поверхностей изоляторов, называют соответственно сухоразрядными, мокроразрядными и грязе- или влагоразрядными.

Влияние метеорологических условий на электрическую прочность внешней изоляции учитывается и при проведении испытаний. Для этого контролируются давление, температура и абсолютная влажность воздуха, а измеренные значения разрядных напряжений с помощью специальных поправочных коэффициентов пересчитываются или, как говорят, приводятся к нормальным условиям: р = 1,013·10 5 Па, или 760 мм рт. ст., Т = 20°C и Н = 11 г/м 3 (ГОСТ 1516-73). При измерениях мокро- и влагоразрядных напряжений изоляторов искусственный дождь (ГОСТ 1516-73) и увлажненные загрязнения (ГОСТ 10390-71) создаются строго регламентированными способами. Эти меры обеспечивают не только правильную имитацию соответствующих эксплуатационных условий, но и возможность сравнения результатов, полученных в разных лабораториях или в разное время.

Средние значения параметров, характеризующих метеорологические условия, и вероятности их отклонения для различных местностей могут быть существенно разными. Наряду с относительным постоянством этих показателей на больших территориях могут наблюдаться и резкие местные изменения. Например, вблизи некоторых крупных промышленных предприятий, в районах с солончаковыми почвами и на морских побережьях резко увеличивается концентрация загрязняющих веществ в воздухе, снижающих влагоразрядные напряжения изоляторов. Поэтому на территории страны выделяются климатические зоны, отдельные районы классифицируются по степени и характеру загрязненности атмосферы, а внешняя изоляция оборудования проектируется для этих зон или районов с учетом их особенностей.

Внешняя изоляция, как правило, обладает способностью быстро восстанавливать свою электрическую прочность до исходного уровня после пробоя и отключения ее от источника напряжения.

В тех случаях, когда допустимы отключения установки на короткое время (доли секунды), это обстоятельство позволяет существенно снизить требования к электрической прочности внешней изоляции, уменьшить ее габариты и стоимость. Достигается это за счет того, что допускаются пробои изоляции при наиболее высоких, но редких электрических воздействиях, но, однако, предусматривается их быстрое устранение путем отключения напряжения на короткий интервал времени с последующим автоматическим повторным включением (АПВ) установки.

Способность внешней изоляции восстанавливать электрическую прочность позволяет без необратимого разрушения измерить фактическое разрядное напряжение у каждого экземпляра изоляционной конструкции и многократно испытывать одну и ту же конструкцию, что значительно облегчает накопление статистических данных, необходимых для проектирования изоляции.

Основной диэлектрик внешней изоляции — атмосферный воздух — не подвержен старению, т. е. независимо от воздействующих на изоляцию напряжений и режимов работы оборудования его средние характеристики остаются неизменными во времени. Поэтому для чисто воздушных промежутков, составляющих основу внешней изоляции, не существует проблемы сроков службы, которая при создании внутренней изоляции является одной из наиболее сложных.

Регулирование электрических полей во внешней изоляции

Электрическая прочность воздуха при нормальных условиях относительно невелика: при расстояниях между электродами более 1 см она не превосходит 25…30 кВ/см, т. е. в 10…30 раз меньше, чем у твердых диэлектриков. Поэтому изоляционные расстояния по воздуху в установках высокого и особенно сверхвысокого напряжения получаются большими, достигая нескольких метров. Размеры же электродов (проводов, шин и др.), выбранных по плотности тока, механической прочности и другим соображениям, оказываются сравнительно небольшими, и радиусы кривизны их поверхностей составляют не более единиц сантиметров. При таких соотношениях размеров электродов и межэлектродных расстояний электрические поля во внешней изоляции получаются резконеоднородными, для которых коэффициент неоднородности k_н, равный отношению наибольшей напряженности Е_max к средней Е_ср в промежутке, превышает 3.

Создание внешней изоляции в таких условиях сильно затрудняется. Во-первых, при резконеоднородных полях во внешней изоляции возможен коронный разряд, т. е. разряд, распространяющийся на часть изоляционного промежутка. Появление короны не нарушает работу установок высокого напряжения, однако вызывает дополнительные потери энергии и интенсивные радиопомехи. Во-вторых, электрическая прочность воздуха в таких полях значительно ниже: при расстоянии около 1 м она составляет 5…6 кВ/см, а при расстояниях около 10 м снижается еще приблизительно в 2 раза и продолжает падать при дальнейшем увеличении межэлектродных расстояний. Поэтому с ростом номинального напряжения габариты и стоимость внешней изоляции возрастают настолько, что сооружение установок с внешней изоляцией на напряжения выше некоторого предельного становится экономически нецелесообразным.

В связи с этим большое значение имеют меры по уменьшению степени неоднородности электрических полей, которые позволяют ограничить мощность потерь на корону до экономически оправданного уровня, снизить интенсивность радиопомех до допустимых значений, а также дают некоторое увеличение разрядных напряжений.

Неоднородность электрических полей во внешней изоляции уменьшается главным образом путем увеличения радиусов кривизны поверхностей электродов. С этой целью на воздушных линиях высоких классов напряжений используются расщепленные и расширенные провода, а на арматуре изоляторов устанавливаются специальные экраны.

Электрические поля вдоль поверхностей изоляторов выравнивают иногда и с помощью полупроводящих покрытий. На поля у поверхностей изоляторов сильное влияние оказывает устройство их внутренней изоляции. Поэтому для регулирования этих полей используют также дополнительные электроды, располагаемые внутри изоляторов.

Источник

Изоляция электрических установок

Изоляция электрических установок разделяется на внешнюю и внутреннюю.

К внешней изоляции установок высокого напряжения относят изоляционные промежутки между электродами (проводами линий электропередачи (ЛЭП), шинами распределительных устройств (РУ), наружными токоведущими частями электрических аппаратов и т.д.), в которых роль основного диэлектрика выполняет атмосферный воздух. Изолируемые электроды располагаются на определенных расстояниях друг от друга и от земли (или заземленных частей электроустановок) и укрепляются в заданном положении с помощью изоляторов.

К внутренней изоляции относится изоляция обмоток трансформаторов и электрических машин, изоляция кабелей, конденсаторов, герметизированная изоляция вводов, изоляция между контактами выключателя в отключенном состоянии, т.е. изоляция герметически изолированная от воздействия окружающей среды корпусом, оболочкой, баком и т.д. Внутренняя изоляция как правило представляет собой комбинацию различных диэлектриков (жидких и твердых, газообразных и твердых).

Важной особенностью внешней изоляции является ее способность восстанавливать свою электрическую прочность после устранения причины пробоя. Однако электрическая прочность внешней изоляции зависит от атмосферных условий: давления, температуры и влажности воздуха. На электрическую прочность изоляторов наружной установки влияют также загрязнения их поверхности и атмосферные осадки.

Особенностью внутренней изоляции электрооборудования является старение, т.е. ухудшение электрических характеристик в процессе эксплуатации. Вследствие диэлектрических потерь изоляция нагревается. Может произойти чрезмерный нагрев изоляции, который приведет к ее тепловому пробою. Под действием частичных разрядов, возникающих в газовых включениях, изоляция разрушается и загрязняется продуктами разложения.

Внешняя изоляция электроустановок

При нормальных атмосферных условиях электрическая прочность воздушных промежутков относительно невелика (в однородном поле при межэлектродных расстояниях около 1 см ≤ 30 кВ/см). В большинстве изоляционных конструкций при приложении высокого напряжения создается резконеоднородное электрическое поле. Электрическая прочность в таких полях при расстоянии между электродами 1-2 м составляет приблизительно 5 кВ/см, а при расстояниях 10-20 м снижается до 2,5-1,5 кВ/см. В связи с этим габариты воздушных ЛЭП и РУ при увеличении номинального напряжения быстро возрастают.

Целесообразность использования диэлектрических свойств воздуха в энергетических установках разных классов напряжения объясняется меньшей стоимостью и сравнительной простотой создания изоляции, а также способностью воздушной изоляции полностью восстанавливать электрическую прочность после устранения причины пробоя разрядного промежутка.

Электрическую прочность вдоль изоляторов наружной установки измеряют в условиях, соответствующих разным механизмам разрядных процессов, а именно, когда поверхности изоляторов чистые и сухие, чистые и смачиваются дождем, загрязнены и увлажнены. Разрядные напряжения, измеренные при указанных состояниях, называю соответственно сухоразрядными, мокроразрядными и грязе- или влагоразрядными.

Регулирование электрических полей во внешней изоляции

При резконеоднородных полях во внешней изоляции возможен коронный разряд у электродов с малым радиусом кривизны. Появление короны вызывает дополнительные потери энергии и интенсивные радиопомехи. В связи с этим большое значение имеют меры по уменьшению степени неоднородности электрических полей, которые позволяют ограничить возможность возникновения короны, а также несколько увеличить разрядные напряжения внешней изоляции.

Регулирование электрических полей во внешней изоляции осуществляется с помощью экранов на арматуре изоляторов, которые увеличивают радиус кривизны электродов, что и повышает разрядные напряжения воздушных промежутков. На воздушных ЛЭП высоких классов напряжений используются расщепленные провода.

Внутренняя изоляция электроустановок

Внутренней изоляцией называются части изоляционной конструкции, в которых изолирующей средой являются жидкие, твердые или газообразные диэлектрики или их комбинации, не имеющие прямых контактов с атмосферным воздухом.

Целесообразность или необходимость применения внутренней изоляции, а не окружающего нас воздуха обусловлена рядом причин. Во-первых, материалы для внутренней изоляции обладают значительно более высокой электрической прочностью (в 5-10 раз и более), что позволяет резко сократить изоляционные расстояния между проводниками и уменьшить габариты оборудования. Это важно с экономической точки зрения. Во-вторых, отдельные элементы внутренней изоляции выполняют функцию механического крепления проводников, жидкие диэлектрики в ряде случает значительно улучшают условия охлаждения всей конструкции.

Элементы внутренней изоляции в высоковольтных конструкциях в процессе эксплуатации подвергаются сильным электрическим, тепловым и механическим воздействиям. Под влиянием этих воздействий диэлектрические свойства изоляции ухудшаются, изоляция “стареет” и утрачивает свою электрическую прочность.

Механические нагрузки опасны для внутренней изоляции тем, что в твердых диэлектриках, входящих в ее состав, могут появиться микротрещины, в которых затем под действие сильного электрического поля возникнут частичные разряды и ускорится старение изоляции.

Особая форма внешнего воздействия на внутреннюю изоляцию обусловлена контактами с окружающей средой и возможностью загрязнения и увлажнения изоляции при нарушении герметичности установки. Увлажнение изоляции ведет к резкому уменьшению сопротивления утечки и росту диэлектрических потерь.

Необратимость повреждения внутренней изоляции сильно осложняет накопление экспериментальных данных для новых видов внутренней изоляции и для вновь разрабатываемых крупных изоляционных конструкций оборудования высокого и сверхвысокого напряжения. Ведь каждый экземпляр крупной дорогостоящей изоляции можно испытать на пробой только один раз.

Диэлектрические материалы должны также:

обладать хорошими технологическими свойствами, т.е. должны быть пригодными для высокопроизводительных процессов изготовления внутренней изоляции;

удовлетворять экологическим требованиям, т.е. не должны содержать или образовывать в процессе эксплуатации токсичные продукты, а после отработки всего ресурса они должны поддаваться переработке или уничтожению без загрязнения окружающей среды;

не быть дефицитными и иметь такую стоимость, при которой изоляционная конструкция получается экономически целесообразной.

Длительная практика создания и эксплуатации различного высоковольтного оборудования показывает, что во многих случаях весь комплекс требований наилучшим образом удовлетворяется при использовании в составе внутренней изоляции комбинации из нескольких материалов, дополняющих друг друга и выполняющих несколько различные функции.

Так, только твердые диэлектрические материалы обеспечивают механическую прочность изоляционной конструкции. Обычно они имеют и наиболее высокую электрическую прочность. Детали из твердого диэлектрика, обладающего высокой механической прочностью, могут выполнять функцию механического крепления проводников.

Использование жидких диэлектриков позволяет в ряде случаев значительно улучшить условия охлаждения за счет естественной или принудительной циркуляции изоляционной жидкости.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник

Изоляция внешняя и внутренняя

В любом изоляторе или изоляционной конструкции можно выделить:

внешнюю изоляцию – участки, электрическая прочность которых определяется пробоем промежутков в атмосферном воздухе или перекрытием в воздухе по поверх-ности изоляционных деталей;

внутреннюю изоляцию – участки, электрическая прочность которых определяется пробоем промежутков, заполненных газом (не атмосферным воздухом), жидким или твёрдым изоляционным материалом, или перекрытием в газообразном или жидком диэлектрике по изолирующим поверхностям.

К внешней изоляции относятся воздушные промежутки (например, между проводами различных фаз линий электропередачи), внешние поверхности твёрдой изоляции (изоляторов), промежутки между контактами разъединителя и т.п. К внутренней изо-ляции относятся изоляции обмоток трансформаторов и электрических машин, изоляции кабелей, герметизированная изоляция вводов, изоляция между контактами выключа-теля в отключённом состоянии и т.д. Внутренняя изоляция представляет собой комби-нацию твёрдого и жидкого диэлектриков (например, в трансформаторах) или твёрдого и газообразного диэлектриков (например, в герметизированных распределительных устройствах с элегазовой изоляцией).

Основной особенностью внешней (воздушной) изоляции является зависимость её электрической прочности от атмосферных условий: давления, температуры и влаж-ности воздуха. На электрическую прочность изоляторов наружной установки сущест-венно влияют также загрязнения их поверхности и атмосферные осадки.

Электрическая прочность внутренней изоляции электрооборудования практически не подвержена влиянию атмосферных условий. Её особенностью является старение, т.е. ухудшение электрических характеристик в процессе эксплуатации.

Особенностью внешнеё изоляции является то, что её электрическая прочность после пробоя или перекрытия и быстрого отключения может через короткое время полностью восстанавливаться до исходного уровня.

Механизм пробоя внутренней изоляции изолятора может быть разным при электри-ческих воздействиях разной длительности. Соответственно разными будут и пробив-ные напряжения.

Пробой твёрдоё и комбинированной изоляции – явление необратимое, приводящее к выходу электрооборудования из строя. Жидкая и внутренняя газовая изоляция, как правило, после пробоя полностью не восстанавливают свои свойства, пробои приводят к ухудшению их характеристик. Вследствие этого состояние внутренней изоляции контролируется во время эксплуатации, чтобы выявить развивающиеся в ней дефекты и предотвратить аварийный отказ электрооборудования.

Требования к электрической прочности изоляторов.

Изоляторы и изоляционные конструкции должны выдерживать без пробоя или перекрытия возможные в эксплуатации грозовые (внешние) и внутренние перенап-ряжения. Конкретные требования к уровню электрической прочности изоляторов и изоляционных конструкций по отношению к перенапряжениям – это значения испы- тательных напряжений. Последние устанавливаются с учётом используемых в сетях разных классов напряжения средств ограничения перенапряжений и нормируются ГОСТом.

Требования к электрической прочности внешней изоляции изоляторов наружной установки по отношению к рабочему напряжению в условиях загрязнения и увлаж-нения определяются нормами на удельные, т.е. отнесённые к 1кВ наибольшего рабо-чего линейного напряжения, длины пути утечки по поверхности изолятора.

Принято, что удельные длины пути утечки для изоляторов сетей с изолированной нейтралью должны быть несколько большими, чем для сетей с заземлённой нейтралью. Объясняется это тем, что в сетях с изолированной нейтралью возможна длительная работа с замыканием одной фазы на землю, когда на изоляцию «здоровых» фаз дей-ствует полное линейное напряжение.

При проектировании воздушных линий и открытых распределительных устройств изоляторы выбирают с внешней изоляцией, удовлетворяющей требованиям «Руководя-щие указания по выбору и эксплуатации изоляции в районах с загрязнённой атмосфе-рой».

Лекция 6. Электрическая прочность типовых электроизоляционных проме-жутков. Газовые промежутки. Воздушные промежутки вдоль поверхности изоляторов. Изоляционные промежутки в масле. Промежутки в масле вдоль поверхности твёрдого диэлектрика.

Электрическая прочность типовых электроизоляционных промежутков.

Инженерные методы расчёта пробивных напряжений разработаны в настоящее время только для газовых промежутков, физика разрядных процессов в которых изучена уже глубоко. Для внутренней изоляции, состоящей из жидких или твёрдых диэлектриков или их комбинации, пригодные для практики расчётные методики отсутствуют, сущ-ность сложных процессов нарушения электрической прочности ещё в должной мере не выяснена. При проектировании изоляционных конструкций приходится использовать экспериментальные данные о величинах пробивных напряжений. Получение подобных данных затруднено из-за высокой стоимости экспериментов, требующих разрушения крупных конструкций или макетов.

Электрическая прочность внутренней изоляции зависит не только от геометрических размеров, но и от ряда других факторов – режимов технологических процессов, свойств исходных материалов, условий работы или проведения опытов, методов измерения.

Пробивное напряжение зависит от: толщины изоляции, площади электродов, неоднородности электрического поля.

Газовые промежутки.

Для воздушных промежутков с однородным электрическим полем и идеально глад-кими электродами пробивное напряжение зависит от: расстояния между электродами, относительной плотности воздуха, давления, температуры. Микронеровности на поверхности электродов приводят к снижению величины пробивного напряжения.

Следует отметить, что на пробивные напряженности газовых промежутков значи-тельное влияние оказывают площадь электродов и чистота обработки.

Разрядные характеристики встречаются в реальных конструкциях промежутков с резконеоднородными полями лежат между характеристиками промежутков стержень- стержень и стержень – плоскость.

Воздушные промежутки вдоль поверхности изолятора.

Разрядные напряжения в воздухе вдоль поверхности твёрдого диэлектрика зависит от степени неоднородности электрического поля, расположения поверхности относитель-но силовых линий поля и состояния поверхности твёрдого диэлектрика.

В однородном поле, когда силовые линии направлены вдоль чистой и сухой поверх-ности, средняя разрядная напряжённость зависит от гигроскопичности диэлектрика, влажности воздуха и, особенно сильно, от плотности прилегания электродов к диэлек-трику. Последнее обстоятельство обусловлено тем, что в узких щелях между диэлект-риком и электродом из-за различия диэлектрических проницаемостей напряжённость возрастает и при относительно низких напряжениях возникают частичные разряды. Они способствуют развитию разряда по поверхности при более низких напряжённо-стях. Разрядные напряжения могут быть в 3 – 6 раз ниже, чем для соответствующего чисто воздушного промежутка. Например, при нормальных условиях и расстояниях между электродами более 100 мм средняя разрядная напряжённость при частоте 50Гц по фарфору в воздухе составляет около 0,5МВ/м.

При резконеоднородном поле с преобладающей нормальной составляющей напря- жённости при напряжении зажигания короны в узкой области у края электрода воз-никает к о р о н н ы й разряд. Затем при напряжении большем напряжения зажигания короны от края электрода начинают развиваться с к о л ь з я щ и е разряды, распро-страняющиеся на значительную часть разрядного расстояния. С ростом приложенного напряжения длина скользящих разрядов быстро увеличивается. Полное перекрытие происходит при напряжении, когда длина скользящего разряда превысит разрядное расстояние.

Длина скользящего разряда пропорциональна пятой степени воздействующего напряжения.

У штыревых и стержневых опорных изоляторов электрическое поле, как правило, получается резконеоднородным с преобладающей тангенциальной составляющей напряжённости. При этом разрядные напряжения зависят от конструкции металли-ческой арматуры, формы изоляционного тела, определяющей длину разряда в воздухе, и состояние поверхности изолятора. При проектировании изоляторов пользуются раз-рядными напряжениями, измеренными при сухом состоянии поверхности и при дожде нормированной интенсивности. При сухом состоянии поверхностей измерения прово-дятся при напряжениях частотой 50Гц и импульсном, под дождём – при напряжениях частотой 50Гц.

При расчётах фарфоровых изоляторов рекомендуются следующие эмпирические формулы:

выдерживаемые напряжения, кВ, при 50Гц в сухом состоянии для изоляторов:

Дата добавления: 2018-04-04 ; просмотров: 713 ; Мы поможем в написании вашей работы!

Источник