ГЛАВА ПЯТАЯ
МОКРОРАЗРЯДНОЕ НАПРЯЖЕНИЕ ИЗОЛЯТОРОВ
1. Основные зависимости
Одной из важнейших характеристик изоляторов, в значительной мере определяющей их поведение в эксплуатации, является мокроразрядное напряжение. Особенно большую роль играет мокроразрядное напряжение изоляторов при наивысших номинальных напряжениях, когда уровень изоляции электрических установок начинает определяться в основном коммутационными перенапряжениями. Однако и при напряжениях до 220 кВ, когда уровень изоляции определяется в основном грозовыми перенапряжениями, низкое мокроразрядное напряжение изоляторов при наличии загрязнений может существенно влиять на качество эксплуатации линий электропередачи и подстанций, вызывая частые разряды.
Мокроразрядное напряжение изоляторов зависит от типа и формы изоляторов, а также от характеристик дождя. Оно зависит и от рода воздействующего напряжения (постоянное напряжение, переменное напряжение промышленной частоты, высокочастотное напряжение, импульсное напряжение). До сего времени как работников эксплуатации, так и конструкторов интересовало почти исключительно мокроразрядное напряжение при воздействии переменного напряжения промышленной частоты и импульсного напряжения. Повышение напряжения электрических установок сверх 220 кВ, с одной стороны, и внедрение в практику электропередачи постоянным током, с другой стороны, заставляет нас интересоваться мокроразрядным напряжением при повышенной частоте (коммутационные перенапряжения) и при постоянном напряжении. Поэтому в дальнейшем мы должны будем ознакомиться с имеющимися данными при всех указанных выше видах воздействий.
Существующий ГОСТ 1516-60 предусматривает определение мокроразрядного напряжения изоляторов при промышленной частоте и при импульсах. Количественные требования к мокроразрядному напряжению изоляторов и аппаратов по этому ГОСТ приведены в табл. 1-1 и 1-2. Определение мокроразрядного напряжения производится при нормальном рабочем положении изолятора. Дождь должен падать на изолятор под углом 45° к горизонту, сила дождя должна быть равна 3 мм/мин., удельное сопротивление дождевой воды должно быть в пределах 9500—10 500 ом·см. По поводу этих требований ГОСТ следует сделать некоторые замечания.
Чем вызвано требование, чтобы сила дождя была равна 3 мм/мин? Объяснение этому дает рис. 5-1, из которого видно, что с увеличением силы дождя мокроразрядное напряжение падает сначала быстро, а затем все медленнее и, начиная примерно с 5 мм/мин, становится постоянным. Такая зависимость дала в свое время основание для того, чтобы принять силу дождя при испытании равной именно 5 мм/мин.
Рис. 5-2. Зависимость длительности дождя в природе от его силы (данные Берга и Протодьяконова).
1 — центр; 2 — юго-запад.
Но испытание при такой силе дождя не оправдывается реальными условиями работы изоляторов. По сведениям, собранным П. Н. Апушкинским (НИИПТ), сила дождя в 5 мм/мин за последние 50 лет была зарегистрирована в СССР 2 раза, причем один раз это было среднее значение за 5 мин, а второй раз за 1 мин. Сила дождя в 3 мм/мин и более за этот же период была зарегистрирована 7 раз. Очевидно, что даже сила дождя в 3 мм/мин представляет крайне редкое явление. По современным данным, в северных районах Европейской части СССР максимальная сила дождя (средняя за 5 мин) составляет 1—1,2 мм/мин, в центральных районах оно равно 2— 2,5 мм/мин, на юго-западе (бассейн Черного моря) достигает 2,5— 3 мм/мин. Важно еще и то, что дожди такой исключительной силы весьма кратковременны и выпадают узкой полосой. Зависимость максимальной силы дождя от длительности его действия приведена на рис. 5-2. Из него видно, что в центральном районе Европейской части СССР возможен дождь силою 3,5 мм/мин, однако это, как сказано выше, исключительно редкое явление, наблюдаемое один раз за 7—10 лет. Дождь силою 5 мм/мин возможен в районе Черного моря, но это еще более редкое явление. Очевидно, что вероятность такого события в данном месте и вероятность совпадения с ним перенапряжения достаточно большой величины совершенно ничтожна. Таким образом, даже испытание при силе дождя 3 мм/мин, рекомендуемое всеми европейскими нормами и нормами Международной электротехнической комиссии (МЭК), соответствует условиям, являющимся в эксплуатации совершенно исключительными. Поэтому в настоящее время в ГОСТ принято мокроразрядное испытание при силе дождя в 3 мм/мин. В пользу уменьшения испытательной силы дождя говорит еще и следующее соображение. При крупных опорных и проходных изоляторах, применяемых в аппаратуре на 220 кВ и 500 кВ, на поверхность их при силе дождя 5 мм/мин выпадает такое количество воды, что она стекает с ребер, расположенных в нижней части изолятора, не отдельными каплями, а целыми струями. Они шунтируют нижнюю часть изолятора, падение напряжения на ней уменьшается, а на верхней части изолятора увеличивается, что приводит к понижению разрядного напряжения. Переход к силе дождя 3 мм/мин несколько выправляет это положение.
К этим соображениям необходимо добавить следующее. Дожди большой силы быстро смывают с поверхности изоляторов проводящие частицы, содержащиеся в покрывающих поверхность изоляторов осадках, при слабо моросящих дождях или при росе значительно снижающих мокроразрядное напряжение изоляторов. Поэтому вероятность разряда на изоляторах при сильных дождях существенно уменьшается. Это положение можно характеризовать следующими эксплуатационными данными. По статистике за 1955—1957 гг. в Северной французской энергосистеме (около 90000 км сетей 225 и 150 кВ) произошло 18 аварий при дожде (0,03 на 100 км в год) и 923 аварии при утренних туманах и росе (1,5 на 100 км в год). Таким образом, разряды при дожде составляют менее 2% от суммарного числа разрядов при дожде и росе.
Отсюда ясно, что испытания при силе дождя 5 мм/мин и даже 3 мм/мин не характеризуют поведение изоляторов в эксплуатации. Значительно лучшую и более правильную характеристику дали бы испытания изоляторов, покрытых росой. Такие испытания не предусмотрены ни ГОСТ, ни нормами МЭК, но на них необходимо обратить самое серьезное внимание. К сожалению, опытные данные о разрядном напряжении изоляторов при росе в настоящее время почти отсутствуют. Их необходимо накапливать.
Рис. 5-3. Зависимость мокроразрядного напряжения изоляторов от проводимости дождевой воды (данные НИИПТ).
Проводимость воды при мокроразрядных испытаниях по ГОСТ должна быть 95—105 мксим/см (9500—10 500 ом·см). Если мы снова обратимся к природным данным, то окажется, что проводимость дождя при чистой атмосфере имеет величину около 20 мксам/см, а при загрязненной атмосфере — до 50 мксим/см. Тем не менее, в нормах большинства стран принята проводимость воды искусственного дождя, применяемого при испытаниях, равная 100 мксим/см (обычно с допуском ±5%). Это связано с тем, что в эксплуатации поверхность изолятора всегда бывает покрыта пылью, копотью и т. п., и дождевая вода, попадая на эту поверхность, увеличивает свою проводимость. Это увеличение зависит от степени запыления или загрязнения поверхности изолятора и может колебаться в широких пределах.
Рис. 5-4. Зависимость мокроразрядного напряжения изоляторов от угла наклона струй дождя к вертикали.
Рис. 5-5. Зависимость мокроразрядного напряжения изоляторов от угла наклона струй дождя к вертикали при разных вылетах ребер (данные Штейера).
1 — штыревые изоляторы (данные Вейкера); 2 — проходные изоляторы (данные ВЭИ).
1 — а =2 см; 2 — а = 4 см; 3 — a = 6 см; I = 10 см.
Рис. 5-6. Зависимость мокроразрядного напряжения изоляторов от давления воздуха. 1 — изоляторы П-4,5, ШН-б; 2 — изоляторы ОСН-10 (данные Лебедева).
Поэтому чисто условно принято, что при обычном сравнительно небольшом загрязнении поверхности изоляторов можно считать проводимость дождевой воды на поверхности изолятора порядка 100 мксим/см. Проводимость дождевой воды оказывает существенное влияние на мокроразрядное напряжение изоляторов; влияние это различно для 3 разных типов изоляторов. Для аппаратных изоляторов зависимость мокроразрядного напряжения от проводимости воды можно представить кривой рис. 5-3. Мокроразрядное напряжение изоляторов зависит еще от наклона струй дождя к вертикали. Эта зависимость также различна для разных типов изоляторов. На рис. 5-4 приведены две кривые, из которых кривая 1 характерна для изоляторов опорно-штыревого типа, а кривая 2 — для проходных изоляторов. По-видимому, значительную роль в поведении изоляторов разных типов в этом отношении играет вылет ребер изолятора. Это можно проследить по кривым на рис. 5-5.
Некоторое влияние на мокроразрядное напряжение оказывает длительность пребывания изолятора под дождем.
Рис. 5-7. Поправочный коэффициент на температуру воды при мокроразрядном испытании.
Рис. 5-8. Зависимость мокроразрядного напряжения от длительности действия напряжения в случае фарфоровой пластины, смачиваемой дождем (данные Лебедева).
Поэтому ГОСТ 1516-60 требует, чтобы напряжение прикладывалось к изолятору после предварительного пребывания изолятора под дождем в течение 5 мин. Это связано с тем, что состояние смоченной поверхности изолятора, имеющего несколько ребер, устанавливается не сразу. Сначала покрываются пленкой воды верхние части ребер изолятора, а затем постепенно в большей или меньшей степени покрывается отраженными брызгами и нижняя часть ребер.
Рис. 5-9. Зависимость мокроразрядного напряжения изоляторов от длительности действия напряжения.
1 — изолятор СО-10; 2 — изолятор ШН-6 (данные Лебедева).
Первые опыты, произведенные с целью выяснения влияния длительности смачивания, были выполнены Бейкером еще в 1910 г. Более подробно он исследовал этот вопрос в 1923 г. [Л. 5-1]. Этими опытами было установлено, что при длительности смачивания свыше 5 мин мокроразрядное напряжение изоляторов перестает уменьшаться. Однако в 1927 г. Лингард [Л. 5-2] выяснил, что снижение разрядного напряжения в опытах Бейкера вызывалось не действием длительности смачивания, а действием повторных разрядов. Он определял мокроразрядное напряжение через различные промежутки после начала смачивания (например, через 30 сек и через 30 мин) и получал при этом одну и ту же величину его. Если же вести определение разрядного напряжения через небольшие промежутки (10—20 сек) после начала дождя, то наблюдается уменьшение мокроразрядного напряжения, которое устанавливается примерно через 5 мин.
Вывод Лингарда был подтвержден Штейером в 1943 г. [Л. 5-3], который объяснил снижение мокроразрядного напряжения при повторных разрядах образованием азотистой и азотной кислот из окислов азота, создаваемых разрядами, которые увеличивают проводимость воды.
Некоторое влияние на мокроразрядное напряжение изоляторов оказывает положение изолятора (вертикальное, горизонтальное или наклонное). Объясняется это влияние тем, что при вертикальном положении изолятора капли и струйки воды, стекающие с его верхних ребер, частично шунтируют воздушный промежуток между ребрами. Вследствие этого разрядное напряжение уменьшается, что особенно заметно при большой силе дождя. При горизонтальном положении изолятора стекающие с ребер струйки воды не шунтируют промежуток между ребрами. Поэтому, хотя при таком положении изолятора вся его поверхность покрыта пленкой воды, его разрядное напряжение относительно повышается. Оно оказывается выше, чем при вертикальном положении изолятора, так как в этом случае оно определяется длиной пути утечки, который значительно больше сухоразрядного расстояния. Например, у изолятора ИШД-35 путь утечки приблизительно в 2 раза больше сухоразрядного расстояния. Поэтому при вертикальном положении он имеет мокроразрядное напряжение, равное 85 кВ, а при горизонтальном — свыше 100 кВ.
Влияние атмосферных условий (давление и температура воздуха) на мокроразрядное напряжение меньше, чем на сухоразрядное. Это можно видеть из сравнения рис. 5-6 с рис. 4-15 и 4-16. В том случае, когда разряд идет в основном по поверхности фарфора (изоляторы опорно-штыревого типа) влияние давления воздуха особенно мало. Если разряд идет в значительной части по воздуху (опорно-стержневые изоляторы, покрышки, вводы), это влияние несколько больше.
По данным ВЭИ, температура воздуха практически не влияет на мокроразрядное напряжение изоляторов. Наоборот, температура воды дождя оказывает заметное влияние на него, поскольку с температурой меняется удельное сопротивление воды. Поэтому, например, в ГОСТ 6490-53 на подвесные изоляторы введено требование производить пересчет сопротивления воды, пользуясь кривой рис. 5-7, если температура воды отличается от 20°.
Пересчет следует делать по формуле:
(5-1) где Ru — сопротивление воды при опыте, a k — коэффициент из рис. 5-7.
Существенна зависимость мокроразрядного напряжения от времени действия напряжения. В особенности сильна она в случае, когда вся поверхность смочена водой. Это видно из рис. 5-8.
При нормальном (вертикальном) расположении изоляторов эта зависимость меньше, но все же значительна, как видно по кривым рис. 5-9.
