Одной из важнейших технических характеристик выключателя является его номинальное напряжение, т. е. наивысшее из стандартных напряжений (линейное), при котором гарантируется работа выключателя.
В настоящее время в СССР принят следующий ряд стандартных напряжений (в киловольтах): 3; 6; 10; 15; 20; 35; 110; 150; 220. Кроме того, в связи со строительством тепловых и гидравлических электростанций большой мощности и длинных линий электропередачи, связывающих эти станции с промышленными центрами и между собой, в последние годы начато применение напряжений 330 и 500 кВ и намечается в дальнейшем применение еще более высоких напряжений.
Выключатель, рассчитанный на определенное номинальное напряжение, должен выдерживать длительное приложение не только этого напряжения, но и напряжения, увеличенного на 10—15% (так называемого «наибольшего рабочего напряжения» — см. табл. 1), которое может оказаться в сети в связи с особенностями работы электропередачи. Кроме того, как указано выше, выключатель должен выдерживать и кратковременные перенапряжения.
Указанные требования относятся, естественно, как к включенному, так и к отключенному положению выключателя. Для этого должна быть обеспечена соответствующая электрическая изоляция:
а) между частями, находящимися под напряжением, и заземленными частями — во включенном и отключенном положениях;
б) между разомкнутыми частями каждого полюса, находящимися под напряжением, при отключенном положении;
в) между частями соседних полюсов, находящимися под напряжением, во включенном и отключенном положениях.
В качестве изоляционных материалов (диэлектриков) применяются в зависимости от конструкции выключателя:
а) газообразные (воздух или другие газы при нормальном давлении или сжатые);
б) жидкие (трансформаторное масло и др.);
в) твердые (фарфор и другие керамические материалы и различные виды органической изоляции, например, бакелизированная бумага, гетинакс, текстолит, лигнофоль, пропитанное дерево и пр.), а также различные синтетические материалы.
Изоляция между частями, находящимися под напряжением, или между ними и землей, может быть осуществлена, в зависимости от условий, либо одним из указанных материалов, либо комбинацией из двух или нескольких.
В соответствии с этим могут встретиться
- Изоляционные промежутки:
а) чистый воздушный;
б) чистый жидкостный;
в) из однородного твердого диэлектрика;
г) из нескольких слоев разных твердых диэлектриков;
д) жидкостный с промежуточными слоями твердого диэлектрика (барьерами).
- Изоляционные расстояния:
а) по поверхности твердого диэлектрика в воздухе;
б) по поверхности твердого диэлектрика в жидкости.
Размеры изоляции — ее толщина или расстояние по поверхности, или расстояние по воздуху (так называемые электрические расстояния) — определяются на основании следующих соображений.
Как уже указывалось, выключатель должен выдерживать не только длительно приложенное наибольшее рабочее напряжение, но и кратковременные перенапряжения. Последние могут быть двух видов:
а) коммутационные перенапряжения, т. е. перенапряжения, возникающие в результате операций включения и отключения, производимых в сети, в которой установлен выключатель. Они могут оказаться в 2—4 раза больше, чем рабочее напряжение (фазовое);
б) атмосферные перенапряжения, т. е. перенапряжения, возникающие в результате грозовых разрядов на трассе линии электропередачи. Они носят характер кратковременных всплесков (импульсов) напряжения, и их амплитуда (мгновенное значение) может во много раз превосходить амплитуду рабочего напряжения.
Отсюда видно, что изоляция выключателя должна обладать значительным запасом «электрической прочности», т. е. пробой твердой изоляции или разряд в воздухе или жидкости, или разряд по поверхности твердой изоляции в воздухе или жидкости должны происходить при напряжении, значительно превышающем номинальное. К этому следует добавить, что и сама изоляция с течением времени может отсыреть, загрязниться и пр., что может снизить ее электрические характеристики.
С учетом этих соображений, а также опыта эксплуатации, для выключателей на различные номинальные напряжения установлен определенный «уровень изоляции». Этот уровень изоляции определяется нижеследующим установленным стандартом (ГОСТ 1516-60) комплексом напряжений, которые должен выдерживать выключатель при определенных стандартных условиях испытания готового аппарата:
- испытательное напряжение промышленной частоты — величина переменного напряжения частоты 50 гц, которую должна выдерживать изоляция аппарата в течение 1 мин (при наличии воздушной, керамической или жидкой изоляции) или 5 мин (при наличии органической изоляции);
- выдерживаемое напряжение промышленной частоты — величина переменного напряжения частоты 50 гц, которую должна выдерживать при плавном подъеме внешняя изоляция аппарата;
- импульсное испытательное напряжение — амплитуда импульсного напряжения заданной формы (см. ниже), которую должна выдерживать изоляция аппарата при определенных условиях испытания.
Указанные в пп. 1 и 2 испытания при промышленной частоте выявляют в той или иной степени надежность изоляции при длительном приложении к выключателю рабочего напряжения и при воздействии коммутационных перенапряжений.
Испытания, указанные в п. 3, определяют характеристики изоляции при воздействии кратковременных импульсов напряжения, близких к тем, которые могут возникнуть при атмосферных перенапряжениях. Стандарт предусматривает как количество импульсов, подаваемых на аппарат при испытании, так и их амплитуды и формы.
Предусматриваются две основные формы импульса: полная волна и срезанная волна. Полная волна графически изображается кривой, имеющей сравнительно крутой подъем до амплитудного значения (фронт волны), и последующее плавное снижение (хвост волны). Кривая срезанной волны также имеет крутой фронт, но резко снижается до нуля после достижения амплитудного значения.
Полная волна определяется:
а) амплитудой (см. табл. 1);
б) временем нарастания напряжения до амплитудного значения или так называемой длиной фронта волны (стандартная величина 1,5±0,2 мксек)·,
в) временем от начала нарастания напряжения до момента, когда оно уменьшится в два раза против амплитудного значения, или так называемой длиной волны (стандартная величина 40±4 мксек).
Срезанная волна определяется:
а) амплитудой (см. табл. 1);
б) временем от начала нарастания напряжения до момента, когда оно начинает резко снижаться, или так называемым предразрядным временем (стандартная величина 2+1 мксек).
Установленные стандартом (ГОСТ 1516-60) испытательные напряжения для выключателей на различные номинальные напряжения приведены в табл. 1.
Таблица 1
Испытательные напряжения изоляции выключателей, кВ
Для того чтобы выключатель выдерживал соответствующее испытательное напряжение, размеры изоляционных деталей и электрические расстояния выбирают с таким расчетом, чтобы разряд по наружной поверхности керамической изоляции или по воздуху мог произойти при напряжении, превосходящем испытательное не менее, чем на 10—15%, а пробой или разряд по поверхности органической изоляции или в масле — при еще большем напряжении.
К внешним изоляционным частям выключателей для наружных установок предъявляются еще дополнительные требования, связанные с их работой в условиях атмосферных воздействий. В частности, в случае применения изоляторов из органической изоляции, которая от атмосферных воздействий портится, требуется покрывать их снаружи фарфоровыми покрышками, внутренняя полость которых, во избежание отпотевания стенок, должна либо вентилироваться, либо заполняться трансформаторным маслом или изоляционной компаундной массой.
Форма наружной поверхности фарфоровых покрышек (и вообще изоляторов наружной установки) должна быть выполнена с учетом того, что она будет смачиваться водой. Такое смачивание делает поверхность проводящей. Поэтому должны быть приняты меры для того, чтобы хотя бы часть этой поверхности не смачивалась. Это достигается тем, что изоляторы снаружи снабжаются рядом ребер («юбок»), нижние поверхности которых защищены от дождя. Размеры и количество ребер Выбираются с таким расчетом, чтобы суммарная сухая поверхность была достаточной для выдерживания установленного стандартом напряжения под дождем, что проверяется испытанием при искусственном дожде при определенных, заданных стандартом, условиях.
Величины испытательных напряжений промышленной частоты под дождем для подстанционных выключателей (эффективные значения) даны в табл. 2.
Таблица 2 Испытательные напряжения изоляции выключателей под дождем при 50 гц (эффективные значения), кВ
Номинальное напряжение | 35 | 110 | 150 | 220 |
Выдерживаемое напряжение (при плавном подъеме) под дождем........................... | 85 | 215 | 290 | 425 |
Особо сложную задачу представляет собой изолировка токоведущих частей, пропущенных сквозь заземленные металлические части выключателя. Промежуток между токоведущей частью и стенками отверстия, сквозь которое она пропущена, практически не может быть большим. Для сравнительно невысоких напряжений (до 20 кВ) этот промежуток может быть заполнен изоляционным материалом (например, стенкой полого проходного фарфорового изолятора), чем обеспечивается необходимая электрическая прочность. Для более высоких напряжений такой способ оказывается недостаточным, так как простое увеличение толщины изоляции (в соответствии с большим напряжением) не дает необходимого эффекта: материал изоляции оказывается электрически перегруженным главным образом с внутренней стороны, что ограничивает возможность получения большего пробивного напряжения и ухудшает прочие электрические характеристики изолятора (например, напряжение разряда по поверхности).
Одним из основных способов достижения по возможности равномерной электрической нагрузки по толщине изоляции при высоких напряжениях является применение изоляции так называемого конденсаторного типа. Такая изоляция состоит из ряда слоев (примерно одинаковой толщины) плотно намотанной бакелизированной бумаги, между которыми проложены обкладки из тонкой металлической фольги. При этом образуется ряд последовательных концентрических конденсаторов с примерно одинаковой емкостью, в результате чего доля напряжения, приходящаяся на каждый слой изоляции, сохраняется приблизительно постоянной.
Другим типом проходных изоляторов, часто применяемым главным образом в многомасляных (баковых) выключателях на 110 кВ и выше (например в выключателях серии МКП), являются изоляторы с масляным заполнением и рядом концентрических цилиндров (барьеров) из бакелизированной бумаги, назначение которых состоит в том, чтобы затруднить возникновение разрядов в масле. Эти изоляторы в изготовлении проще, чем конденсаторные, однако имеют большие поперечные размеры.
При изолировании частей выключателя, находящихся под напряжением, от земли с помощью опорных изоляторов имеет место неравномерное распределение напряжения по высоте изолятора, а именно: верхняя часть изолятора оказывается электрически более нагруженной, чем нижняя. Это становится особенно заметным при напряжениях 220 кВ и выше, когда высота изолятора превышает 2 м и когда он, обычно, составлен из двух или более элементов. В этих случаях верхний элемент может оказаться сильно перегруженным по сравнению с остальными и разряд по нему может привести к разряду по всему изолятору при относительно низком напряжении.
Для уменьшения указанной неравномерности и разгрузки верхних частей изоляторов применяется установка металлических экранирующих колец, охватывающих изоляторы в их верхней части и находящихся под напряжением. Значительные размеры этих экранов при соответствующей их форме способствуют улучшению распределения напряжения по высоте изоляторов, повышая тем самым выдерживаемое ими напряжение.
В тех случаях, когда выключатель имеет несколько последовательно соединенных дугогасительных элементов (см. § 4 и главу вторую), напряжение между ними в отключенном положении также распределяется неравномерно. Наиболее нагруженными при этом оказываются крайние элементы, и выключатель в целом может не выдержать соответствующих испытательных напряжений. Для уменьшения неравномерности распределения напряжения, если это оказывается необходимым, применяют преимущественно шунтирование дугогасительных элементов емкостями в виде конденсаторов, заключенных обычно в фарфоровые кожухи, или в виде штыревых или других изоляторов, обладающих значительной емкостью. Емкостями могут шунтироваться либо все дугогасительные элементы выключателя, либо отдельные наиболее нагруженные (крайние, а иногда и ближайшие к ним).
Находят также применение для указанной выше цели металлические экраны, аналогичные применяемым для опорных изоляторов, устанавливаемые на концах крайних элементов.
