Изоляция высоковольтных элементов электрической системы - Выбор изоляции ВЛ и подстанций в районах с повышенной загрязненностью

                   
4. ВЫБОР ИЗОЛЯЦИИ ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ И ПОДСТАНЦИЙ В РАЙОНАХ С ПОВЫШЕННОЙ ЗАГРЯЗНЕННОСТЬЮ АТМОСФЕРЫ
4.1. Условия работы наружной изоляции в загрязненной атмосфере
В основе выбора наружной изоляции находится требование обеспечения заданной надежности при определенных условиях эксплуатации, которые характеризуются механическими и электрическими нагрузками изоляционных конструкций, а также уровнями выдерживаемых изоляцией нагрузок Очевидно, изоляция будет надежной в случае, когда выдерживаемые нагрузки превышают эксплуатационные. Нагрузки эксплуатационные электрические обусловлены рабочим напряжением весьма длительного времени приложения /десятки лет/, а также внутренними и атмосферными перенапряжениями. Длительность перенапряжений атмосферного характера находится в пределах от единиц до сотен микросекунд. Продолжительность внутренних коммутационных перенапряжений - доли секунды, а резонансных - десятки минут Электрическая прочность изоляции увеличивается при уменьшении времени воздействия напряжения. Изоляция, выбранная по рабочему напряжению с необходимой надежностью, как правило, удовлетворительно противостоит перенапряжениям при условии использования известных мер ограничения перенапряжений.
При заданном рабочем напряжении число отказов вследствие перекрытия наружной изоляции определяется числом ситуаций значительного понижения уровня изоляции, что наблюдается при атмосферных воздействиях. Напряжение поверхностного перекрытия для наружно сухой и чистой изоляции, соответствующее сухоразрядному напряжению Uc.p , по крайней мере для конструкций с изоляционной длиной до 3 м, превышает напряжение поверхностного перекрытия Um.p в условиях чистой поверхности под дождём капельной структуры и интенсивности на уровне ливневого дождя /порядка 3...5 мм/мин /. Однако еще более низкая электрическая прочность будет у изоляции предварительно запыленной и затем увлажненной без смыва грязи; напряжение перекрытия определено в этом случае как грязеразрядное  или влагоразрядное  Изоляция, выбранная по напряжению Ub.p с учетом требований экономически обоснованного ограничения числа отказов /перекрытий/, надежна в других менее жестких условиях эксплуатации.
Выбор наружной изоляции для ее надежной эксплуатации в загрязненной атмосфере возможен при условии, что интенсивность и химические характеристики загрязнения в месте предполагаемой установки изоляции известны и существует возможность оценить напряжение Ub.p намечаемых к установке изоляторов при расчетном загрязнении.
Исследование химического состава атмосферной пыли и ее слоя на поверхности изоляции представляет собой самостоятельную задачу, актуальную также в связи с экологическими проблемами. Массовые наблюдения позволили рекомендовать для различных территорий градацию степени загрязненности изоляции от незначительной / I / до очень тяжелой /IV/ Так, незначительная загрязненность характерна для сельскохозяйственных районов с интенсивной обработкой почвы и чистых промышленных центров Крупные промышленные центры с интенсивным выделением смога, близость предприятий типа электростанций, химических комбинатов и т.п. дают тяжелую / III / степень загрязненности.
Напряжения Ub.p заданного изолятора при известных загрязнениях оцениваются экспериментально либо рассчитываются.
Сближение результата экспериментального определения с наблюдаемым в эксплуатации напряжением поверхностного перекрытия загрязненной изоляции возможно, если в обоих случаях загрязнения идентичны и одинаковы условия протекания предразрядных процессов. Последнее обстоятельство требует использования мощных испытательных установок с номинальным током до 10 А. Сложность организации и проведения отдельного эксперимента для некоторого варианта по составу и удельной массе загрязнения проявляет себя при создании условий увлажнения поверхности, подсушивания слоя загрязнения из-за различий влажности слоя грязи и окружающей воздушной среды и подогрева его током утечки по поверхности изолятора. Все это оправдывает проведение экспериментов для критических условий загрязнений, которые соответствуют предельно большим эксплуатационным загрязнениям и тяжелым для изоляции увлажнениям поверхности по типу тумана и мелкого дождя.
4.2. Приближенный расчет влагоразрядного  напряжения изолятора
наружной установки
Расчет напряжения Ub.p подтвержденный удовлетворительным совпадением с результатом эксперимента в контролируемых условиях, является эффективным средством обоснования выбора изоляции и основан на описании процесса поверхностного перекрытия, т.е. рассматривает модель процесса перекрытия. Мелкие /до 20 мкм/ и более крупные частицы из загрязненного воздуха оседают и закрепляются на поверхности подвесных и опорных изоляторов. Когда слой пыли увлажняется мелкокапельной влагой /туман, роса, дождь моросящий/, на поверхности образуется слой электролита вследствие частичного растворения в воде слоя загрязнения. Как правило, изоляторы обладают осевой симметрией с переменным диаметром по длине пути утечки и отдельные кольцевые участки слоя электролита имеют различные сопротивления. Под действием рабочего напряжения  приложенного к изолятору, в слое электролита протекает ток поверхностной утечки, достигающий десятков миллиампер и способный значительно перегревать тонкий слой электролита. В месте случайного утоньшения слоя и последующего возрастания его сопротивления при сохранении неизменным тока утечки на этом участке возрастает вероятность испарения влаги, образуется сухая кольцевая зона высотой 2....3 мм.
Возникшая кольцевая сухая зона будет перекрыта вследствие перераспределения падений рабочего напряжения  по длине пути утечки изолятора с повышением напряжения на подсушенном участке Перекрытие наблюдается в форме короткой дуги, сопротивление на единицу длины такой дуги определяется ее вольт-амперной характеристикой.
Средняя напряженность электрического поля вдоль дуги
                                       /4 .1/

где    / - ток в дуге. А; С, В*А • м   и п - постоянные, причем их значения слабо зависят от длины дуги lg и атмосферного давления :
.
Ориентировочно в расчетах можно принимать   или  
Возникшая короткая дуга в последующие моменты времени имеет две возможности: погаснуть или удлиняться вплоть до полного перекрытия изолятора. Соответственно критичным оказывается соотношение сопротивление единицы длины дугии погонного сопротивления увлажненной перекрываемой дугой поверхности . Полагают, что удлинение дуги возможно при <, а критичное условие перекрытия для анализа влияющих на напряжение факторов формулируется как
Для цилиндрического изолятора /рис. 4.1/диаметр d изоляционного элемента постоянен по текущей длине пути утечки Ly (Ly ly>0), а полная длина пути утечки  равна длине изоляционной части изолятор . Предполагаемая равномерная по толщине пленка электролита харктеризуется погонной проводимостью . Тогда сопротивление Сопротивление на всей длине  пути утечки  равномерно загрязненного цилиндрического изолятора
                                                                       /4.2/ ток поверхности утечки

          

         Сила тока достигает критического значения /так называемого предельного тока/  по условию возможного удлинения дуги вплоть до полного перекрытия изолятора при Поскольку из /4.1/

/4.3/
Напряжение, создающее этот критический ток через полное сопротивление Rn, соответствует влагоразрядному напряжению
 /4.4/
Изоляционная конструкция выполняет свою функцию при условии
,/4.5/
причем к >1и степень превышения единицы характеризует надежность изоляции при заданном рабочем напряжении  и в определенных условиях поверхностной загрязненности.
Возможности повышения следуют из анализа выражения /4.4/:
50

• увеличение длины пути утечки Ly ;
• уменьшение диаметра d изоляционной части,
• снижение проводимости поверхностного

Принципиальные возможности пп. I и 2 реализуются в конструкции изолятора во взаимосвязи. Длина изолятора во многих случаях ограничивается общим конструктивным решением объекта. Например, увеличение длины цилиндрического линейного изолятора по рис. 4.1 в конечном счете вызовет рост габаритных размеров опоры воздушной линии электропередачи, что нежелательно. Сечение изолятора /т.е. его диаметр d/ определяется в соответствии с допустимой механической нагрузкой диэлектрика на сжатие /опорные изоляторы/ или на растяжение /подвесной изолятор/, поэтому желание уменьшать диаметр d может привести, например, к новой конструкции изолятора из системы тонких параллельных изоляционных стержней при условии специального выравнивания распределения механических усилий между ними. Рассматриваемые возможности пп. 1 и 2 реализуются и в других технических решениях. Например, удлинение пути утечки характерно для изолятора типа ПФГ-60-А /рис. 4.2/ У изолятора типа ПС70-В /рис. 4.3/тарелка из стекла имеет упрощенную форму, что улучшает самоочистку изолятора и реализует возможность п.З. Фарфоровый стержневой линейный изолятор /рис. 4.4/ имеет относительно малый диаметр по сравнению со строительной высотой; наклон ребер и капельницы на их краях позволяет ограничить сплошное смачивание поверхности дождем. Опорный аппаратный изолятор типа ОНС-20-500 /рис. 4.5/ имеет большой диаметр и характерные особенности стержневого изолятора.
Изоляторы и конструкции из отдельных изоляторов /гирлянды, колонки/ имеют много общего несмотря на различия конструкций.
Ток утечки протекает по поверхности тела вращения с внешней границей по линии пути утечки Ly Распределение напряженности электрического поля вдоль пути утечки Ly зависит от текущего диаметра изолятора d и распределения загрязнения; наблюдения позволяют отметить большую загрязнённость нижней поверхности ребра относительно обмываемой дождём верхней поверхности, увлажнение верхней поверхности бывает большим чем нижней. Падение напряжения вдоль пути утечки Lv может вызвать пробой диэлектрика в основании ребра, поэтому толщина основания выбрана как по соображениям механической прочности, так и по условию исключения пробоя у основания.
Очевидно, именно на цилиндрической части изолятора /см.рис. 4.5/с наименьшим диаметром по длине Ly падение напряжения от тока утечки может оказаться достаточным для возникновения электрических дуг, возникнув на этой цилиндрической части изолятора, дуга развивается при наличии соответствующих условий /основное условие < / на поверхность рёбер и в пределе возникает полное перекрытие изолятора. С ростом наибольшего диаметра /габарита/ изолятора d  удлинение дуги затрудняется.
Расчет влагоразрядного напряжения изоляторов с ребрами и юбками /т.е. изоляторов с отношением /и >1/ представляет интерес в первую очередь для разработчиков изоляторов при оптимизации конструкции, которая касается длин вылета ребер, юбок, числа ребер. Для практики эксплуатации интересно знать влагоразрядное напряжение конкретного типа изолятора при определенной проводимости загрязнения. Обычно в соответствующих справочных материалах для изоляторов указываются, помимо габаритов, разрушающая эл. тромеханическая нагрузка, коэффициент формы Кф и коэффициент эффективности использования длины изоляционной части изолятора
Изоляторы для районов с относительно чистой атмосферой обычно име соотношение длины пути утечки Ly к строительной высоте Ни на уровне 2 Загрязнение атмосферы увеличивает поверхностную проводимость , что оправдывает рост соотношения до 2,7...3,2. При дальнейшем увеличен этого соотношения в соответствии с экспериментами повышается вероятность частичных перекрытий уже не непосредственно по поверхности изолятора, а воздушным промежуткам между ребрами или юбками. Таким образом, фактическая длина пути разряда. становится меньше или равной Ly , cooтношение этих длин соответствует коэффициенту эффективности

Рис 4.4                                                                   Рис 4.5
Чем проще форма изоляционной поверхности, тем ближе значение 
единице
Расчет влагоразрядного напряжения изолятора сложной формы, отличь от  цилиндрической,  возможен  при  использовании   выражения /4.4/ для цилиндрического изолятора при некоторых допущениях.

Для гладкого цилиндрического изолятора с однородным слоем загрязнения проводимостью согласно /4.2/ сопротивление поверхностной утечки
/4.2/
Для изолятора в виде тела вращения с ди; метром, изменяющимся по длине дуги утечки Ly /m.e.d(l) /, и в общем случае заменяющейся вдоль пути утечки проводимостью  полное сопротивление
./4.7/
В частном случае в расчет можно ввести некоторую усредненную проводимость уп , тогда /4.7/ можно записать как /4.2 / при условии введения понятия 1ивалентного диаметра d3: диаметр d3 равен диаметру гладкого цилиндрического изолятора, эквивалентного по сопротивлению Rn и длине пути утечки Ly  реальному изолятору, т.е.
                          /4.8/
Коэффициент формы изолятора
\/4.9/
Зная Кф , можно рассчитать для изолятора напряжение Uep для заданного значения  /4.4/, предварительно найдя диаметр d3 по /4.9/.
Коэффициенты для некоторых типов линейных тарельчатых изоляторов приведенывтабл.4.1.                                                                                          Таблица 4.1

Расчет коэффициента Кф     для некоторого заданного изолятора довольно труден на уровне определения эквивалентного диаметра dпо причине сложности определения интеграла
. Возможны два варианта установления связи   от : аналитический и графический. При аналитической связи d(l)  в свою очередь в отдельных случаях можно использовать табличные интегралы; в о щем случае, как и при задании графической связи d от 1У , применяется численное интегрирование.
Далее рассмотрим примеры расчета и
„                                                                                                                              

4.2.1Рассчитать напряжение ивр для изоляционной  конструкции  по  рис.   4.6: стержень /металл, диаметр dc / прижат в центре  к  поверхности  плоского  диэлектрика квадратной формы со стороной а и ограниченного    металлической    полосой. Напряжение       прикладывается       между стержнем  и  полосой.  Поверхностное загрязнение имеет проводимость . Очевидно, перекрытие идет по кратчайшему расстоянию и Ly=0.5(a-dc). Эквивалентный диаметр найдем следующим  образом. Поскольку отсчет изменения пути разряда радиуса 0,5d, то
        

 Подстановка выражения для в /4.4/позволяет непосредственно рассчитать
4.2.2. Изолятор имеет диэлектрикв виде
тела вращения с сечением, показанным штри
ховкой на рис 4.7  Преобразуем заданное  в зависимость d(l),  также изображенную  на рис. 4.7.
Построим инверсную функцию, как это показано на рис. 4.8. Интеграл для расчет из /4.8/ определим, например, по формул трапеций.    Обозначим

Тогда при шаге интегрирования   С уменьшением h погрешность определения А уменьшается.
4.2.3.  При равномерном загрязнении по
ерхности, когда проводимостьне зависит
от Ly, , развитие дуги частичнго перекрытия наблюдается  преимущественно  на  участке с
54

 наименьшим диаметром d вследствие наибольшей плотности тока утечки в та-
 ком месте и практически должна иметь место каскадная форма перекрытия по изоляционной поверхности. Это соображение ограничивает возможности надежной оценки напряжения по некоторому эквивалентному диаметру для изоляторов с существенно различающимися диаметрами d по длине пути утечки Ly ставит вопрос об учете в расчете напря- тельного перекрытия участков изолятора, особе
Для изолятора с огибающей тела вращения по рис. 4.9 представляется возможным выделить ряд характерных участков /например, 1-2, 2-3 и т.д./. В пределах участка каскадное перекрытие маловероятно. Для отдельного участка определим соответствующие d3l.2 d32.3 и т.д.
Тогда с позиции описания процесса перекрытия исходный изолятор представим системой изоляционных дисков с диаметрами  и т.д. и с плоскими электродами по торцам дисков /рис. 4.10/. Каждый из дисков /определенная высота приравненная к длине пути утечки  и т.д., определенная проводимость   и т.д.в схеме замещения набора дисков можно представить соответствующими резисторами и т.д. рассчитанными по /4.2/. Для каждого из дисков существует критический ток  и т.д., рассчитанный по /4.3/. Напряжение перекрытия системы дисков определим следующим образом. При плавном увеличении приложенного к системе дисков напряжения ток утечки изменяется сперва пропорционально напряжению; при достижении наименьшего из критических токов Iкр вследствие перекрытия диска в схеме замещения исключается соответствующий резистор и при сохранении достигнутого напряжения ток утечки повышается скачкообразно до нового значения. Оно может либо оказаться достаточным для перекрытия очередного диска со следующим уже теперь минимальным значением тока из числа оставшихся дисков , либо потребуется дальнейшее повышение приложенного напряжения для перекрытия диска с оказавшимся минимальным током. Минимальное напряжение перекрытия всей системы дисков приравнивается к искомому напряжению Uep изолятора и соответствует протеканию в цепи перекрываемого изолятора тока не меньше наибольшего из критических токов отдельных участков.

4.3. Ток поверхностной утечки загрязненной изоляции
Токи утечки и влагоразрядное напряжение, как подтверждают лаборатор ные эксперименты, взаимно зависимы по крайней мере при равномерном слое поверхностного загрязнения. Персонал, ответственный за эксплуатацию изоля торов, заинтересован в получении информации о соотношении рабочего на пряжения установки и ожидаемого напряжения ее перекрытия. Получение такой информации в общем виде следует отнести к диагностике изоляции.
Сравнивая фактические токи утечки с принятыми опасными по приближе нию к напряжению перекрытия значениями, можно судить об ожидаемой вероятности перекрытия. Отметим, что в среде соленого тумана проводимость поверхностного слоя загрязнения увеличивается постепенно и хорошо разли чимы частичные перекрытия участков изолятора. В среде соленого тумана ре гистрируется ток утечки практически установившейся составляющей промышленной частоты; в токе хорошо различимы группы импульсов. Число импульсов и их амплитуда зависят от солености тумана и формы изоляторов По данным одного из опытов отношение времени, в котором ток утечки пре вышал 0,16 А, по времени всего испытания составляло, т.е. наблюдалаа высокая скважность.
Отмечено, что для возникновения перекрытия поверхностные разряды должны продолжаться от 4 до 10 периодов, так как для перекрытия необходимо удлинение исходнодно короткой дуги частичного перекрытия последовательно в течение нескольких полупериодов рабочего напряжения. В условиях лаборатории при подаче скачком напряжения на предварительно загрязненный /метилцеллюлоза, мел, соль, вода/ изолятор отмечено, что значительный ток утечки возникает с самого начала опыта. При испытании изоляторов с предварительным загрязнением ток утечки имеет выраженную составляющую промышленной частотой со случайными небольшими выбросами.
Регистрация токов утечки на множестве изоляторов, например ОРУ ПСТ, и их сопоставление с допустимыми токами, учитывая характер самих токов утечки, является мероприятием, сложным для реализации в техническом и организационном планах.
Несмотря на определенные сложности, исследования по диагностированию состояния загрязнения в его сухой фазе, а тем более в фазе увлажнения до насыщения для установления связи тока утечки с ожидаемым минимальным по данному фактическому загрязнению напряжением Uep следует оценить как полезные и перспективные для практического применения.