3. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ НАГРУЗКИ НА ПОВЕРХНОСТИ ПРОТЯЖЁННОЙ ИЗОЛЯЦИОННОЙ КОНСТРУКЦИИ
3.1. Допустимая напряженность электрического поля на поверхности твердого диэлектрика
Для высоковольтных конструкций электроэнергетической системы характерна наружная подвесная и опорная изоляция.
Подвесные изоляционные конструкции имеют вид гирлянд тарельчаты изоляторов для поддержания или натяжения проводов; взамен гирлянд возможно применение стержневых и палочных изоляторов.
Опорные изоляционные конструкции в виде колонок являются элементами разъединителей, выключателей и других устройств подстанций высокого на пряжения; колонки могут быть сплошными и полыми, с различной системе ребер для увеличения длины пути утечки по наружной, а иногда и по внутренней поверхности.
Подвесные и опорные изоляционные конструкции обязательно удовлетворяют требованию обеспечения надежной работы при расчетных механических и электрических нагрузках, воздействующих одновременно. Механические электрические нагрузки обычно нормированы. В данном случае речь идет с электрических нагрузках, определяемых напряжением перекрытия или при дельной наибольшей напряженностью. Предельная напряженность при расчетном напряжении на конструкции связана с уровнем частичных разрядов или радиопомех.
Электрический разряд по поверхности твердого диэлектрика в воздушной среде между двумя разнопотенциальными электродами наблюдается при напряженностях более низких, чем в эквивалентном по длине собственно воздушно промежутке. Причина этого различия электрической прочности по поверхности диэлектрика и пробоя в газе в искажении поля загрязнениями поверхности, местными дефектами типа трещин с усилением их увлажнения из-за подсоса из воздуха молекул воды с высоким значением диэлектрической проницаемости
Sr =81 Существенным является прижатие к диэлектрику электрических зарядов в поверхностном разряде нормальной составляющей Е
электрического поля электродов: чем Е
больше, тем относительно выше температура канала разряда, тем больше его электропроводность, тем дальше канал отходит с электрода при условии поддержания на его конце критической напряженности. На напряженность EN влияет удельная поверхностная емкость С
между элементом поверхности диэлектрика с развивающимся разрядом и противоположным электродом. С увеличением Сп относительная длина скользящего по поверхности разряда возрастает,
Скользящий разряд количественно описывается эмпирическими формулами. В простом примере модели проходного изолятора /рис. 3.1/ между электродами 1 и 2 к изоляционному телу 3 приложено напряжение 
.По мере повышения напряжения рабочей частоты при 
у фланца 2 появляется слабое свечение. Этот разряд по интенсивности отличается от тлеющего разряда в газе и имеет лавинную структуру. Напряжение /действующее/, кВ;
/3.1/
где Сп - удельная поверхностная емкость /при ее расчете используется
Ф/см/,Ф/см
Дальнейшее повышение напряжения (
вызывает проскакивание на фоне сине-фиолетового свечения разряда отдельных желтых искр /так называемых скользящих разрядов/, и напряжение этой формы разряда, кВ;
/3.2/
Удовлетворительное совпадение расчета по /2.2/ и эксперимента наблюдается при С
> 0,28 пф/см
.
* Сканави Г.И. Физика диэлектриков. - М.,
1958.
Приведенные формулы для U
и U
получены применительно к острым металлическим краям электродов; рекомендуемое снижение кривизны на этих краях приведет к относительному спаду напряженности поля в этих участках и поверхностный разряд возникнет при более высоких напряжениях. Мероприятия по ограничению поверхностного разряда v краев электродов основаны именно на отмеченной рекомендации. Широко применяется регулирование электрического поля нанесением на края.
Для конкретных подвесных конструкций типа подвесных изоляторов
напряжение поверхностного разряда некоторой допустимой интенсивности /по
уровню радиопомех химическому воздействию озона/ ориентировочно составляет 20 кВ уточнения этого значения требуются соответствующие эксперименты
В общем случае у изолятора существуют два разнопотенциальных металлических электрода, механически связанных и электрически разделенных изоляционным телом из твердого диэлектрика Наибольшие напряженности электрического поля наблюдаются у краев металлических электродов, и для исключения появления коронных разрядов напряженность по данным наблюдений не должна достигать следующих рекомендуемых значений
электроды металлические или с полупроводящим покрытием /в масле/, Е=1,65 кВ/см
Изоляционная конструкция характеризуется определенным распределением напряжения /соответственно, напряженности/ по высоте /или длине/ конструкции возможно также влияние значения приложенного напряжения на отмеченных распределений, в частности, при наличии пленок поверхностных загрязнений.
На рис 3.2показана конструкция в виде диэлектрика цилиндрической формы длиной L с верхним и нижним металлическими оконцевателями
Конструкция /рис. 3.2, а/ нижним концом установлена на земле, к верхнем концу подано напряжение Uo Распределение потенциалов U(x) показано нарис. 3.2. б; неравномерность такого распределения потенциалов иллюстрируется соответствующим распределением /рис.3.2, в/ напряженности Е(х) с повышением Е у краев. Улучшение равномерности распределения е(х) при
сохранении значения Етах показано на рис. 3.2, г. Поскольку
очевидна целесообразность улучшения использования изоляционной конструкции или увеличение допустимого напряжения U о выравниванием распределения Е(х).
Перечислим задачи для практического применения:
1. Заданы габариты изоляционного объекта и требуется создать определенный закон распределения Е(х) .
- Изоляционный объект задан и требуется определить распределени Е(X)
по длине /высоте/ объекта при определенном напряжении, что в более общей форме соответствует определению зависимости E(x)LU
, - Для данного изоляционного объекта дополнительными мероприятиями изменить в заданном направлении существующее распределение Е(х),
Задача 1 считается наиболее сложной, и возможное решение можно получить перебором вариантов в объеме задачи 2. Задача 1 - основа для использования в задаче 3,
Распределение Е(х) для заданной конструкции изолятора можно определить расчетом или экспериментально.
3.2. Приближенный расчет падений напряжения по схеме замещения протяженной изоляционной конструкции
Расчеты электрических полей изоляционных конструкций приближенно поскольку существует много взаимозависимых факторов влияния на электриче ское поле и на емкостно-активную проводимость изолятора. При выполнении расчетов квазистационарного электрического поля применяют метод конечных элементов, метод эквивалентных зарядов, а по оценкам разработчиков изоляционных конструкций наиболее распространен метод интегральных уравнен Для отдельных случаев удовлетворительные результаты дает применение метода расчета схем замещения с распределенными параметрами и при дальнейшем упрощении - метод расчета схемы замещения изоляционного объекта с сосредоточенными элементами.
Расчет схем замещения рассматривается в теории электрических цепей. Погрешность результата закладывается уже на стадии подготовки схемы замещения с ограничением по числу ее ячеек, неучету предположительно второстепенно влияющих факторов, приближенным определением вводимых в схему замещения электрических параметров отдельной ячейки.
Расчет распределения Е(х) или U(x) для объекта, показанного на рис. 3.2, и в конкретной ситуации его расположения относительно заземленных и находящихся под напряжением соседних элементов начинается с составления цепочной схемы замещения. Как показано на рис. 3.3, некоторый участок по длине конструкции 
приближенно представляется частичными емкостями относительно земли 
и относительно потенциального электрода 
а также "собственной" емкостью 
между воображаемыми плоскостями торцов участка. Соответственно для объекта в целом применяется емкостная схема замещения, показанная на рис. 3.4, причем выбор числа к разбиений 
учитывает увеличение объема вычислений при росте числа разбиений и сохранение характерных точек на поверхности конструкции.
Рис. 3.3 Рис. 3.4
Обычно емкости 
С
и 
С3 определены при допущении, что только высоковольтный электрод и земля отражены в схеме замещения; учет взаимных емкостей для отдельных элементов гирлянды /например, шапка г-го и шапка /с-го изоляторов/ существенно усложняет конфигурацию схемы замещения и оценки ее параметров; практически в схеме замещения этими емкостями обычно пренебрегают с учетом малости их величины /0.1 ...0.3 п$/.
Введение различных емкостей 
отражает только пути емкостных токов для напряжения, например рабочей частоты. Однако в общем случае поверхность изолятора может иметь полупроводящий слой водорастворимой пыли и параллельно емкости 
следует ввести омический эквивалент этой проводимости
. Для сухого и чистого изолятора остаются только емкости.
Под действием напряжения Uo/см. рис. 3.4/ по элементам схемы протекают емкостные токи, обозначенные стрелками с индексами частичной емкости и направления тока для составляющих узлов (1... к) схемы. Расчет схемы на рис. 3.4 означает определение потенциалов в узловых точках в долях от заданного Uо, а также всех обозначенных токов через U
известные параметры схемы.
Емкостная схема замещения изоляционного объекта /см. рис. 3.3/ однородна, и это позволяет представить схему на рис. 3.4. состоящей из эквивалентных по сопротивлениям резисторов (
и т.д.). Такая схема изображена на рис. 3.5. Расчет не имеет ограничений в связи с изменениями параметров схемы замещения по направлению х. Расчет выполним с конца схемы, т.е. задав буквенно ток i в соединенном с нулем /0/ элементе. Тогда ток в каждом из элементов схемы между обозначенными узлами оказывается выраженным через потенциал U и величины сопротивлений:
 |
и т.д.
Рис 3.5
Очевидно 
. Выразим приложенное напряжение икак сумму падений 
U на отдельных резисторах между узлами; поскольку эта сумма представлена выражениями с единственным неизвестным /ток 
/ и известными резисторами, легко находим выражение для тока 
через приложенное к цепи напряжение и и резисторы. Далее подстановка 
в уже полученные выражения для AU и токов в элементах позволяет считать расчет схемы выполненным. Определенные сложности могут представить расчетные выражения для отдельных частичных емкостей, а также введение в емкостную схему активных элементов, эквивалентирующих токи утечки и коронирование. Расчетные выражения для емкостей приведены в работе Ю.Я.Иосселя*; с учетом электростатической аналогии используются также расчетные формулы для индуктивностей.
* Иоссель Ю.Я. и др. Расчет электрической емкости. - Л.: Энергоиздат, 1981.-288 с.
3.3. Особенности измерения распределения падений напряжения на
поверхности диэлектрика
Экспериментальные исследования распределения падений напряжения по
поверхности /длине х / изоляционной конструкции могут выполняться в полном
объеме задачи для получения Е(х) или U(x) , либо решают узкую задачу опре
деления отсутствия /или наличия/ местного превышения заданного значения
. Последняя задача характерна для выявления дефектного изолятора в гирлянде. При выполнении эксперимента следует учитывать, что введение элементов измерения напряжения 
в цепь изоляционной конструкции
обязательно создает искажения естественного распределения и(х) ; стремление
уменьшить эти искажения отражается в том или ином методе измерений 
.
Оценка погрешности результата измерения представляет собой непростую самостоятельную задачу.
Экспериментаторы используют несколько известных методов для получения Ех или Ux.
Метод искрового промежутка /ИП/ с фиксированным напряжением пробоя ипр.ип пригоден для измерения относительных значений падений напряжения на элементах гирлянды при условии, что в отдельных опытах напряжение на гирлянде может изменяться. Устанавливая /рис. 3.6/ промежуток ИП параллельно к - му изолятору гирлянды, повышаем приложенное в целом к гирлянде напряжение U до тех пор, пока не возникает электрический пробой ИП. Очевидно, в момент пробоя ИП напряжение на изоляторе равно напряжению пробоя промежутка ИП, и в зтот момент фиксируем напряжение UK на гирлянде. Переместив ИП на другой изолятор, повторим опыт.
Доля от приложенного напряжения U на гирлянде для произвольного изолятора составляет
очевидно, что сумма
и
Зная UK , рассчитаем напряжение пробоя искрового промежутка 
, a затем каждое из значений ак . Этот метод предполагает, что относительное падение напряжения на отдельном изоляторе ак не зависит от напряжения на всей гирлянде UK.
Метод искрового промежутка ИП с регулируемым напряжением его пробоя применяется для гирлянд под фиксированным приложенным напряжением U, т.е. и для гирлянд линий электропередачи. На конце изоляционной штанги закреплена система из двух электродов сферической формы, один - неподвижный, второй - при повороте штанги вокруг оси смещается относительно неподвижного. Расстояние в момент пробоя между электродами или напряжение пробоя можно наблюдать по шкале Электроды посредством гибких металлических "усов" подсоединяются поочередно оператором параллельно отдельным изоляторам. При пробое ИП электрическая прочность гирлянды снижается из-за исключения шунтированного дугой в ИП изолятора.
Измерение падений напряжения на изоляторах гирлянды, находящейся под воздействием рабочего напряжения, необходимо для выявления изоляторов с пониженным против нормального падением напряжения. Упрощенно ответить на этот вопрос можно, используя разрядник ИП с фиксированным разрядным промежутком, который установлен на конце изоляционной штанги. Напряжение пробоя ИП следует выбрать не менее наименьшего падения на изоляторе нормальной гирлянды. Тогда на дефектном изоляторе пробой ИП не наблюдается, что является сигналом для проведения ремонтных работ на гирлянде.
Измерение распределения напряжения 
по длине изоляционной конструкции позволяет обнаружить преимущественно местные сосредоточенные дефекты изоляции сопоставлением результатов измерений на нормальной и на обследуемой конструкции.
На рис. 3.7 показано распределение падение напряжения 
вдоль гирлянды воздушной ли нии с 
=110 кВ. и 
= 65 кВ, пунктиром - для той же гирлянды с дефектом на изоляторе № 5.
Измерение распределения напряжения /или
/вдоль стержневого подвесного или опорного изолятора также позволяет выявить дефекты типа продольных трещин. Применяются также из мерительные штанги с переменным искровым промежутком и охватывающими изолятор щупами специальной конструкции.
Известны методы диагностики изоляторов
гирлянды по току утечки, изменению уровня радиопомех на элементах гирлянды. Существующий метод диагностики не полностью удовлетворяет эксплуатацию, поэтому необходим поиск боле эффективных методов.
В лабораторных условиях можно получит результаты эксперимента по определению 
или Е(х) с повышенной точностью, используя методы экстраполяции на малые искажения от измерителя. Исходная задача предусматривает измерение потенциалов или разности потенциале на поверхности изоляционной конструкции, которая по своей сути как изолятор обладает весьма высоким сопротивлением при расчетном приложенном напряжении. Схема замещения объект. /см. рис. 3.2, а/ при измерении потенциала и(Х) на некотором расстоянии х измерителем с внутренним сопротивлением 
показана на рис.3.8.
Очевидно, истинное значение и(х) будет получено при
или
44
>>
/З.4/ Реализовать такой измеритель очень сложно, так как любой технически реальный измеритель оказывает шунтирующее действие на сопротивление Z
и тем самым понижает потенциал и(х). Компенсационные схемы также не дают желаемого результата из-за ограничений по чувствительности, нуль-индикатора и емкостных связей на цепи измерителя. По методу экстраполяции значения и(х) находятся с помощью измерителей с различиями 
; результаты наносятся на график /рис. 3.9/. Результат экстраполяции на 
зависит от того, на сколько удачно она выполняется. Применительно к гирлянде измерения можно выполнять шаровым измерительным промежутком, изменяя диаметры шаров и экстраполируя на нулевой диаметр шара.
3.4. Результаты экспериментов для оценки падений напряжения вдоль гирлянды изоляторов
В определенном смысле выравнивание распределения напряженности Е(х) или падений напряжений 
на элементах гирлянды является средством повышения расчетного напряжения для конструкции или обоснованием выбора более короткой конструкции при заданном расчетном напряжении. Возможности регулирования Е(х) следуют из рассмотрения схемы замещения /см. рис. 3.4/. Известно, что для изолятора гирлянды ориентировочно значения частичных емкостей составляют 
пФ; 
пФ и 
пФ; соотношение емкостей 
и 
показывает, что именно влияние емкостей 
на землю определит в значительной мере неравномерность распределения падений 
вдоль гирлянды и в то же время возможное увеличение емкостей на высоковольтные цепи 
вызовет улучшение /повышение равномерности/распределения 
В частном случае емкость
образована системой шапка - стержень соседних изолятор
45
проводом фазы; развитие поверхности фазы созданием на потенциальном конце
 |
гирлянды защитной арматуры в виде кольца, овала из металла, электрически связанного с проводом, частично разгружает в электрическом смысле ближайшие к проводу изоляторы. Углубленное размещение ближних к фазе элементов гирлянды в конструкцию расщепленного провода дает тот же эффект кольца.
 |
Характерное распределение "относительных падений напряжения по элементам гирлянды из 22 изоляторов ПС12 /линия 
=500 кВ/ показано на рис. 3.10. Конечно, для каждого из изоляторов с номерами от 1 до п существует определенное значение 
и фактически на рис. 310 следует представить систему точек взамен кривой, напряжение на первых /считая от фазы/ изоляторах достигает 0,1 
, однако корона на изоляторах отсутствует, поскольку для изолятора напряжение UK-p. по уровню радиопомех составляет 35 кВ.
На рис. 3.11 показано распределение падений напряжений ак по гирлянде из 10 изоляторов ПФ6-
А; кривая 1-е защитной арматурой в виде
кольца; кривая 2 - без арматуры.
Экспериментально определено влияние емкости 
Сс изолятора в гирлянде на распределении падений напряжения ак ; на примере гирлянд из 16 стандартных изоляторов с емкостью 
Сс = 30 пФ /рис. 3.12 .кривая 1/ и 
Сс = 60 пФ /кривая 2/ видно малое различие результатов: ак,тах изменяется от 14 до 11%.
Реализация эффекта выравнивания распределе
ния 
ик через усиление различий емкостей 
Сс в
гирлянде на практике не используется, тем более
что емкости фарфоровых изоляторов разных типов
отличаются несущественно 
Сс фарфоро
вого изолятора ПФ6-Л находится в пределах
32...37 пФ, а стеклянного изолятора ПС6-А
47 55 пФ. Распределение ак для гирлянды стек
лянных изоляторов более равномерное, чем для
фарфоровых. Это подтверждают результаты изме
рений падений напряжения ак. на гирляндах 7хПФ6-
А /рис. 3.13, кривая 1/ и 7хПС6-А /кривая 2/.
Профилактическое измерение распределения падений 
UK. на гирляндах стеклянных изоляторов не делают, поскольку результаты дефектов
/трещин/ хорошо выявляются визуально при периодических обходах и осмотрах: стеклянная тарелка рассыпается.
Распределение падений 
UKзависит от состояния поверхности изоляционной конструкции. Влажные загрязнения /дождь, туман, мокрый снег и т.п./ а счет увеличения поверхностей утечки улучшают распределение, обусловленное только емкостями. Однако при интенсивных загрязнениях распределение напряжений 
UK имеет весьма неравномерный, меняющийся и трудно прогнозируемый характер. Особенно неравномерное распределение 
UK наблюдается на конструкциях, покрытых льдом, в основном из-за подтаивания льда на отдельных участках поверхности конструкции.
Контрольные вопросы
- Расчет и измерение распределения падений напряжения по длине протяженной изоляционной конструкции.
- Выравнивание падений напряжения по длине гирлянды изоляторов.
Литература
Расчет и конструирование электрической изоляции: Учеб. пособие для вузов/В.С.Дмитриевский. - М.: Энергоиздат, 1981. - 392 с.
Кучинский Г.С. и др. Изоляция установок высокого напряжения. Учебник для вузов. - М: Энергоатомиздат, 1987. - 367 с.