Изоляция выключателей с газовым дутьем

Важным элементом конструкции выключателей с газовым дутьем (ВГД) высокого напряжения, предназначенных для работы в ОРУ, является наружная изоляция. В качестве опорной и продольной изоляции ВГД обычно используются изоляционные покрышки (вводы). При больших давлениях воздуха, подаваемого в дугогасительные камеры (3 — 4 МПа и более), механическая прочность фарфора недостаточна. Поэтому воздуховоды высокого давления изготавливаются из стеклопластиковых труб, обладающих высокой механической прочностью, но недостаточной атмосферостойкостью и стойкостью к частичным дуговым разрядам, возникающим при увлажнениях. Для обеспечения работоспособности этих труб применяются фарфоровые покрышки.
В последние годы успешно ведутся разработки аппаратных полимерных изоляторов (покрышек), у которых на стеклопластиковую трубу наносится защитное покрытие с ребрами необходимой конфигурации. Защитное покрытие изготовляется на основе кремнийорганических резин или фторопластовых композиций, обладающих высокой стойкостью к неблагоприятным атмосферным воздействиям. Такие изоляторы являются наиболее перспективными для ВГД высокого и сверхвысокого напряжения. Внутренняя полость опорных и проходных изоляторов надежно герметизируется, так что практически исключается проникновение влаги. Использование же полимерных материалов позволяет оптимизировать форму наружной поверхности изоляторов за счет уменьшения толщины ребра, увеличения его вылета и резко повысить средние разрядные напряженности по строительной высоте при увлажнениях и загрязнениях (> > 2,0 кВ/см).
Проблемы выбора и оптимизации опорной изоляции аппаратов высокого напряжения при рабочем напряжении подробно рассмотрены в специализированной литературе. Для надежной работы влагоразрядное напряжение (50 %-ное значение) изоляционной конструкции должно быть значительно выше, чем наибольшее фазовое рабочее напряжение:

где к3 — коэффициент запаса; для сетей с заземленной нейтралью 110 кВ и выше к3 = 1,5 1,6. Влагоразрядное напряжение линейно возрастает с увеличением длины изоляции. Поэтому удобно пользоваться средней влагоразрядной напряженностью по строительной высоте изолятора Нт:

Средняя влагоразрядная напряженность по строительной высоте зависит от параметров изоляторов (диаметра, размеров  и конфигурации ребер, длины пути тока утечки L„) и удельной поверхностной проводимости изоляторов уи. Категориям исполнения изоляторов по их работоспособности при загрязнении и увлажнении примерно соответствуют значения уи = 5 мкСм (А), 10 мкСм (Б) и 10 мкСм (В). При этом высота опорной изоляции выключателя

При выборе продольной изоляции обычно в качестве расчетного режима принимается тот случай, когда к одному выводу ВГД прикладывается напряжение промышленной частоты при заземленном противоположном контакте; размеры выводов выбираются также исходя из Ни.
Выбор изоляционных расстояний ВГД по условию надежной работы при перенапряжениях производят исходя из нормированных испытательных напряжений. В России и за рубежом принята следующая методика: для наружной изоляции ВГД на номинальное напряжение до 300 кВ нормируются выдерживаемое напряжение для грязевых импульсов (1,2/50 мкс) и выдерживаемое напряжение промышленной частоты (плавный подъем со скоростью 2 — 3 % в секунду и далее плавное снижение). Последнее воздействие должно имитировать коммутационные перенапряжения в электропередачах (табл. 6.6). Для ВГД на 330 кВ и выше коммутационные перенапряжения иммитируются апериодическим импульсом с длительностью фронта = = 250-5- 500 мкс и длительностью до полуспада fncn = 2500 мкс.
В табл. 6.7 приведены испытательные напряжения для ВГД по ГОСТ 1516.1-76 и техническим условиям, а также испытательные напряжения при глубоком ограничении коммутационных и грозовых перенапряжений. В отличие от отечественной практики стандартами МЭК для электрооборудования СВН каждой ступени номинального напряжения соответствуют различные выдерживаемые напряжения при коммутационном и грозовом импульсах, выбранные из ряда напряжений: 650, 750, 850, 950, 1050, 1175, 1300, 1435, 1550, 1675, 1800, 1950, 2100, 2250, 2400, 2550, 2700 и 2900 кВ.

Таблица 1

Таблица 2

Примечание. В числителе приведены данные по действующим нормам, в знаменателе — при глубоком ограничении перенапряженнй. * — прогнозируемые значения.
Причем каждому значению UBK (выдерживаемые коммутационные перенапряжения) могут соответствовать различные выдерживаемые напряжения при грозовом импульсе.

Как следует из сопоставления данных табл. 1 и 2, при грозовых импульсах изоляция относительно земли и между контактами выбирается исходя из одинаковых значений выдерживаемых напряжений, т.е. без учета наличия напряжения 50 Гц на одном из контактов ВГД.
Аналогично, испытательные напряжения промышленной частоты (плавный подъем) для выключателей 10 — 220 кВ относительно земли и в отключенном положении одинаковы (см. табл. 1). Для ВГД сверхвысокого напряжения продольная изоляция выбирается с учетом возможного совпадения максимума коммутационного перенапряжения с амплитудным значением напряжения 50 Гц на противоположном выводе выключателя.
В самом простом случае наружная изоляция ВГД высокого напряжения представляет собой систему из двух промежутков — изоляционного промежутка относительно земли Н (относительно заземленного основания выключателя Я„) и между выводами в отключенном положении (рис. 1). При этом следует учитывать, что эти промежутки являются "связанными", т.е. электрическая прочность системы в целом зависит от обоих изоляционных расстояний. Однако для ВГД на напряжение до 220 кВ включительно выбирать изоляционные расстояния Н и / по условию надежной работы аппарата при перенапряжениях можно независимо одно от другого без существенной погрешности, так как при сравнительно малых изоляционных расстояниях пробой промежутка происходит в стримерной форме.


Рис. 1. Многоразрывный выключатель (а), система эквивалентных электродов (б) и эпюра распределения напряжений по разрывам (в)
Установка ВГД на фундаменте (подножнике) приводит к повышению разрядных напряжений по сравнению с разрядными напряжениями промежутка экран (стержень) — плоскость, который иногда используется для оценки необходимых изоляционных расстояний ВГД. При высоте подножника h > 2 м, что соответствует реальным условиям монтажа аппаратов в ОРУ, и изоляционных расстояниях Я„ < 2 м, относительное увеличение разрядных напряжений при грозовых импульсах положительной полярности t/0.5;ft /t/0_5;ft=0 = 1,25. При отрицательной полярности грозовых импульсов разрядные напряжения промежутка электрод — подножник ниже, чем промежутка электрод — земля, но выше, чем промежутка экран — плоскость при положительной полярности грозовых импульсов.
При Нп > 3 м искровой разряд развивается в лидерной форме при образовании вблизи высоковольтного электрода протяженной (около 1 м) области высокой напряженности поля (=0,5 МВ/м при положительной полярности), создаваемой зарядом электрода и объемным зарядом. Поэтому, когда при заданном напряжении заряд на электроде уменьшается, разрядное напряжение увеличивается, и наоборот.
Электрическая прочность системы воздушных промежутков зависит от большого числа факторов, в частности от высоты экранов над землей, высоты h и размеров заземленного фундамента, размеров подводящей ошиновки, расстояния между экраном ввода и баком модуля выключателя llt и др. (см. рис. 1).
Изоляционные расстояния для ВГД выбирают исходя из двух расчетных положений аппарата: включенного и отключенного. При включенном положении многоразрывный выключатель может быть эквивалентирован системой электродов экран с подводящей ошиновкой над заземленным фундаментом высотой.