Изоляция аппаратов высокого напряжения - Опорные изоляторы для наружной установки

До последнего времени наибольшим распространением пользовалась штыревая конструкция опорных изоляторов для наружной установки (опорно-штыревые изоляторы).
Опорно-штыревые изоляторы состоят из фарфора с «юбками», и представляют собою либо одно целое, либо конструкцию, склеенную на цементе из нескольких частей. Их арматура — металлический колпачок и металлический штырь, входящий внутрь фарфора и образующий опору для всего изолятора (рис. 7-9). Колпачок и штырь скрепляются с фарфором при помощи цемента. Для компенсации различного расширения или сжатия металлической арматуры и фарфора при повышении или понижении температуры принимаются специальные меры (битумная смазка, см. гл. 12).

Таблица 7-3
Фактические разрядные и пробивные напряжения некоторых отечественных опорных изоляторов для внутренней установки (данные лаборатории завода «Электроаппарат» и ЛПИ)

Примечание. Первое число означает минимальное разрядное или пробивное напряжение, второе — среднее.

Опорно-штыревые изоляторы обладают следующими преимуществами:

1. фарфоровые элементы этих изоляторов сравнительно тонки и удобны для обжига;
2. штырь и колпачок могут быть так взаимно расположены, что фарфор будет работать больше на сжатие, чем на изгиб или срез, что является для него благоприятным.

Поэтому изоляторы могут быть спроектированы на весьма высокие разрушающие нагрузки.
С другой стороны, опорно-штыревые изоляторы обладают следующими недостатками:

1. большие размеры (особенно — диаметральные);
2. большой вес;
3.  при недостаточно высоком качестве фарфора они могут быть пробиты напряжением;
4.  наличие цемента для скрепления фарфоровых элементов изолятора вносит не только усложнение, но и известную дополнительную опасность снижения механической прочности из-за каких-либо технологических неполадок.

Рис. 7-9. Опорно-штыревой изолятор типа ШН-6, ШН-10.
Недостатки опорно-штыревых изоляторов привели к разработке и широкому внедрению нового типа опорных изоляторов для наружных установок — стержневых.

Стержневой опорный изолятор (рис. 7-10) состоит из цилиндрического ребристого сплошного фарфора с арматурами вверху и внизу, посаженными на цементе. Верхняя и нижняя арматура обычно одинаковы — это колпачки с отверстиями для крепления.
Вследствие того что расстояние между колпачками по воздуху и пр толщине фарфора примерно одинаково, у этих изоляторов при повышении напряжения может произойти лишь разряд по поверхности и не может быть пробоя по фарфору (кроме случаев явного брака — трещин в фарфоре).

Рис. 7-10. Стержневой опорный изолятор типа КО-400.

Рис. 7-11. Опорно-штыревой изолятор типа ШТ-35.

Рис. 7-12. Опорно-штыревой изолятор типа ИШД-35.

Как опорно-штыревые, так и стержневые изоляторы могут быть соединены по нескольку штук в одну колонку с соответствующим повышением эксплуатационного напряжения для такого составного изолятора.

Нашей промышленностью выпускаются аппаратные опорноштыревые изоляторы на напряжения 6, 10 и 35 кВ (рис. 7-9, 7-11, 7-12).
Стержневые опорные аппаратные изоляторы выпускаются на напряжение 35 кВ, в производство внедряются также подобные изоляторы на другие напряжения, в частности на 110 кВ (рис. 7-13, 7-14).
Технические и конструктивные данные опорно-штыревых и стержневых изоляторов приведены в табл. 7-4, 7-5.
Для напряжения 110, 154 и 220 кВ в настоящее время применяются также колонны, составленные из нескольких изоляторов согласно напряжению (рис. 7-15).

Таблица 7-4
Конструктивные размеры и вес опорно-штыревых изоляторов для наружных установок

При повышении напряжения соответственно увеличивается высота опорной изолирующей конструкции; одновременно, как правило, увеличивается абсолютное значение усилия тяжения провода или шинного спуска, приложенного к верхушке изолирующей колонны (вследствие применения проводов с большим наружным диаметром, большей протяженности спусков, а также, как следствие большей ветровой и гололедной нагрузки). 

В результате этого изгибающий момент, который должен выдерживать нижний элемент колонны, резко возрастает.
Создание необходимой в этих условиях механической прочности изоляционной конструкции является довольно сложной задачей.

Рис. 7-13. Стержневой опорный изолятор типа СТ-110.

Рис. 7-15. Колонна изоляторов ШТ-35 на 110 кВ.

Рис. 7-14. Стержневой опорный изолятор типа КО-110.

Как показывает табл. 7-5, при увеличении высоты колонны соответственно* уменьшается абсолютное значение ломающего усилия, прилагаемого к верхушке колонны, хотя, согласно приведенным выше соображениям, при переходе к более высоким напряжениям фактическое тяжение провода должно возрастать.
При увеличении высоты колонки, составленной из нескольких опорных изоляторов, в п раз, ломающее усилие уменьшается более, чем в п раз, что и показывают цифры, приведенные в табл. 7-4. Это объясняется тем, что наибольшие изгибающие моменты в высокой колонке могут воздействовать на слабые в механическом отношении места изолятора. Таким слабым местом, например, часто является заделка арматуры.

 *Другими словами, прочность колонны становится меньше, тогда как механическая нагрузка становится больше.

Таблица 7-5
Технические характеристики некоторых опорных изоляторов для наружных установок

Существует несколько методов для преодоления этой трудности.

1. При переходе к более высоким колонкам их набирают из изоляторов с более высокой механической прочностью на изгиб, разрабатывают для этого случая специальные, особо тяжелые опорно-штыревые или стержневые изоляторы. Пример: переход от изоляторов ШТ-35 к изоляторам ИШД-35.
2. Особо тяжелые изоляторы ставят только в нижней части колонны, где изгибающие моменты являются наибольшими, в верхней же части — изоляторы более легкого типа.
3. Применяют цилиндрические полые изоляторы, кольцевое сечение которых обеспечивает достаточно высокий момент сопротивления (эти изоляторы сходны по конструкции с покрышками и опорными колоннами — см. гл. 8). Так, завод VEB им. К. Либкнехта (ГДР) применяет в конструкции разъединителей на 400 ха полые цилиндрические изоляторы, заполненные азотом. При высоте колонны около шести метров ее ломающая нагрузка равна приблизительно 1000 кГ [Л. 7-5].
4. Широко применяются сдвоенные и строенные колонны, каждая из которых набирается из опорных изоляторов по одному из приведенных выше способов.
5. При переходе к более высоким напряжениям наряду с одиночными фарфоровыми изоляторами (например СТ-110 на 110 кВ) или набором в колонку опорных изоляторов того или иного типа находят применение также более сложные ферменные изоляционные конструкции.

В этом случае каждый отдельный изоляционный элемент фермы (при рациональной ее конструкции) работает уже не на изгиб, а на растяжение или сжатие; распределение усилий по элементам конструкции может быть более определенным, чем, например, при простых сдвоенных или строенных колоннах. Таким образом, механическая прочность ферменной конструкции в принципе выше прочности конструкций, составленных из такого же числа параллельно стоящих колонок.
С другой стороны, в ферменных конструкциях возникают дополнительные трудности, обусловленные большими допусками на фарфор, наклонным положением изоляционных элементов в ферме и необходимостью точного сопряжения стержней в узлах фермы. Эти трудности, однако, преодолимы при рациональной конструкции фермы.
Ферменные конструкции опорных изоляторов известны уже довольно давно; они применялись при особо высоких механических нагрузках.
На заводе «Электроаппарат» в довоенное время была разработана конструкция разъединителя на 380 кВ, опорные изоляторы которого представляли собой пирамиды из трех колонок опорных изоляторов типа ИШД-35, по 10 штук в каждой колонке.
В 1953 г. в СССР началось производство разъединителей на 400 кВ типа РОНЗ-400 с опорными изоляционными фермами конструкции завода «Электроаппарат» [Л. 7-4, 7-5]. Эти фермы состоят из трех наклонно поставленных колонн изоляторов, а последние составлены из стержневых опорных изоляторов типа КО-400. Некоторые характеристики этих ферменных изоляторов приведены в табл. 7-5. Разъединитель на 400 кВ с указанными ферменными изоляторами показан на рис. 7-16.
Своеобразной особенностью ферменных изоляторов по рис. 7-16 является то, что при поломке одного из фарфоровых элементов конструкции ферма в целом и части разъединителя не падают, а продолжают оставаться в рабочем положении; при этом не происходит самопроизвольного включения или отключения разъединителя.

Рис. 7-16. Полюс разъединителя РОНЗ-400 на 400 кВ с опорными изоляторами ферменного типа.