Стеклянные изоляторы - Выбор типа изоляторов при проектировании электроустановок

Выбор изоляции и типа изоляторов является одним из разделов проектов распредустройств и линий электропередачи и производится на основе технического задания, в котором должны быть указаны: номинальное напряжение, примятые уровни изоляции, расчетные механические нагрузки (для ЛЭП отдельно: на поддерживающие и натяжные гирлянды), климатические и атмосферные условия, высота расположения над уровнем моря, материал опор ЛЭП.

Выбор изоляторов для электроустановок до 35 кВ.

Выбор опорных, опорно-штыревых и штыревых линейных стеклянных изоляторов до 35 кВ сводится к определению (по каталогам) типа изолятора с соответствующими номинальным напряжением и механической прочностью. При выборе линейной изоляции необходимо учитывать материал опор и местонахождение линии электропередачи.
Так, для металлических и железобетонных опор нашей промышленностью выпускается специальный стеклянный штыревой изолятор на 10 кВ ШЖБ-10с.
Для напряжения выше 10 кВ нашей промышленностью еще не выпускаются стеклянные линейные и аппаратные изоляторы. При выборе линейных штыревых стеклянных изоляторов на 20—35 кВ необходимо учитывать технико-экономические соображения, так как возможны разные варианты применения изоляторов.
Например, на промежуточных опорах ЛЭП 35 кВ возможно применение стеклянных штыревых изоляторов, а на анкерных (угловых) опорах — штыревых или подвесных изоляторов в зависимости от марки провода.

Выбор изоляторов линий 110 кВ и выше.

Как указывалось выше разрядная прочность подвесного изолятора зависит от габаритных размеров, количества и формы ребер и разрядного расстояния.
Разрядная характеристика гирлянды подвесных изоляторов не представляет собой сумму разрядных характеристик отдельных элементов, так как разряд по гирлянде развивается не так, как на отдельном элементе, что видно из рис. 3-9 (см. расстояние Lр).
Что касается разрядных расстояний подвесных изоляторов, то из рис. 3-9 видно, что lр изолятора в гирлянде также несколько отличается от l'р одиночного подвесного изолятора.
Величина средней разрядной напряженности гирляндыиз тарелочных подвесных стеклянных изоляторов современной конструкции определяется отношением суммы разрядных расстояний отдельных изоляторов гирляндык конструктивной высоте гирлянды Н, причем наибольшая Еср соответствует наибольшему отношению

Как указывалось выше, величина этого отношения для подвесных изоляторов тарелочного типа должна быть не ниже 1,3.
В табл. 3-6 приведены значения Ег в зависимости от а также удельная длина пути утечки гирлянды, где
Как видно из табл. 3-6, наиболее высокие значения удельных показателей средней разрядной напряженности и удельной длины пути утечки имеют те изоляторы, у которых наиболее высокие отношения LP/Н (следует сравнивать гирлянды примерно одинаковой длины).
При выборе изоляции для районов с сильно загрязненной атмосферой СИГРЭ [Л. 4] рекомендуется принимать отношение= 3,5 см/кВ, при более слабых загрязненияхсм/кВ, в особо чистых районах 1,3—1,35 см/кВ, в особо неблагоприятных районах (прибрежье морей и др.) 4—4,4 см/кВ.
В Советском Союзе при выборе изоляции рекомендуется пользоваться величинами Ly, указанными в табл. 3-7.

Рис. 3-9. Разрядные расстояния и путь утечки подвесных стеклянных изоляторов.
Z'p — разрядное расстояние одиночного подвесного изолятора; Zp — разрядное расстояние подвесного изолятора в гирлянде; ABCD' — разрядное расстояние гирлянды подвесных изоляторов Lp; ly — путь утечки по поверхности подвесного изолятора; H — длина гирлянды; h — высота шапки; а — вылет тарелки; D — диаметр тарелки.

Размеры гирлянды, см

При выборе типа подвесного изолятора и количества элементов в гирлянде необходимо учитывать то обстоятельство, что изоляторы в гирлянде электрически нагружены неравномерно. Подвесной стеклянный изолятор тарельчатого типа, как и фарфоровый, представляет собой конденсатор, у которого шапка и стержень являются электродами, а стекло — диэлектриком, заключенным между ними. Гирлянда из подвесных изоляторов представляет собой цепочку из конденсаторов примерно одинаковой емкости С, соединенных последовательно. Кроме собственной емкости изоляторов С имеются также емкости C1 — между каждым изолятором и землей и емкости С2 — между каждым изолятором и проводом.

Таблица 3-7

Емкости С изоляторов—величины постоянные для всех подвесных изоляторов данного типа по всей гирлянде и составляют 30—60 пф в зависимости от размеров шапки, свойств диэлектрика и др. [Л. 7, 12]. Емкости С1 также примерно одинаковы и составляют 4—10 пф, т. е. значительно меньше С, емкости же но отношению к проводу С2=0,7-0,9 пф различны по длине гирлянды и зависят от места расположения изолятора в гирлянде. 

Рис. 3-10. Распределение напряжения по гирлянде из подвесных стеклянных изоляторов.
а — емкостная схема замещения гирлянды изоляторов; б — распределение напряжения по гирлянде.

На рис. 3-10,а представлена емкостная схема замещения гирлянды подвесных изоляторов тарельчатого типа, из которой видно, что наибольшее падение напряжения происходит на изоляторах у провода и затем постепенно уменьшается по направлению к траверсе (земле). Графически распределение напряжения по гирлянде из подвесных изоляторов изображено на рис. 3-10,б. При выборе изоляции приходится считаться с тем обстоятельством, что в гирлянде на первый и второй элементы от провода падает значительная часть фазного напряжения. Например, для 7-элементной гирлянды из стеклянных изоляторов типа ПС6-А при фазном напряжении 72,8 кВ на первый элемент от провода падает 14,2 кВ, или 19,5%, на последний 10% фазного напряжения, или 7,2 кВ. Коэффициент неравномерности К составляет в этом случае 14,2/7,2 ≈2; для 12-элементной гирлянды К=2,12 и т. д.
На рис. 3-11 представлено перераспределение напряжения па гирлянде из семи подвесных изоляторов при пробое третьего изолятора, считая от провода: вместо нормального напряжения на соседнем четвертом изоляторе 5 кВ напряжение перераспределилось и составило 8,5 кВ.
В табл. 3-8 приведены измеренные методом шарового разрядника величины напряжений, падающих на 1-й и 2-й изоляторы гирлянд (считая от провода), для номинальных напряжений 110— 220 кВ.

Рис. 3-11. Перераспределение напряжения на гирлянде из семиподвесных изоляторов при пробое третьего изолятора, считая от провода.

Учитывая то обстоятельство, что коронное напряжение изоляторов ПС6-А составляет 21—22 кВ, можно считать, что радиопомех от коронирования на этих изоляторах при напряжении до 150 кВ включительно не будет. Что же касается напряжения выше 150 кВ, то наличие на линии электропередачи быстродействующих систем защиты (разрядники, АПВ и пр.), мгновенное снятие напряжения при перенапряжениях (сотые доли секунды) обеспечивают отсутствие короны.

Таблица 3-8

Примечание. Таблица составлена поданным Η. Л. Николаева [Л. 12].

Наибольшая неравномерность и большие значения К наблюдаются в длинных гирляндах из 20 и более элементов.
При отсутствии каких-либо мер по улучшению неравномерности распределения напряжения значениях достигают 3—4 и выше в гирляндах 330, 500 и 750 кВ. Выравнивания напряжения по гирлянде можно добиться применением подвесных изоляторов различной емкости, установкой на первых элементах от провода защитных устройств, увеличивающих емкость изоляторов, применением полупроводящих покрытий, целью которых является увеличение проводимости отдельных изоляторов.
Однако применение в гирляндах изоляторов различной емкости технологически неприемлемо и для эксплуатации представляло бы значительные трудности по сортировке изоляторов, и поэтому практически этот метод не применяется. Полупроводящие покрытия или поверхностные полупроводящие слои для стеклянных изоляторов еще не разработаны, хотя этот метод может оказаться перспективным.
По мнению Н. А. Николаева [Л. 12], распределение напряжения по гирлянде из стеклянных изоляторов типа ПС из щелочного стекла более равномерно, чем по гирлянде из фарфоровых изоляторов. Автор считает, что эго происходит за счет повышенного tgδ и нагрева изоляторов в допустимых пределах, что даже полезно для изоляторов при напряжениях 330 кВ и выше. Д. Ривьер также доказывает [Л. 7], что высокая удельная емкость стеклянных подвесных изоляторов влияет на лучшее распределение напряжения по гирлянде, а также повышает сухоразрядное напряжение.
Наиболее эффективным средством для выравнивания напряжения по гирлянде является применение защитных устройств на конце гирлянды (у провода). Такие устройства в виде различных конструкций защитной арматуры имеют целью увеличить емкость первых изоляторов от провода, вследствие чего на этот изолятор падает меньшее напряжение. Одновременно защитная арматура защищает изоляторы в длинных гирляндах от воздействия каскадирующих разрядов при атмосферных и коммутационных перенапряжениях.
Расчет и конструирование защитной арматуры являются специальным разделом при проектировании электрооборудования и линий электропередачи и в настоящей книге не рассматриваются.
Следует отметить, что в практике эксплуатации в СССР в настоящее время пришли к заключению о том, что в связи с наличием высокоэффективных способов защиты линий электропередачи от атмосферных и коммутационных перенапряжений имеется возможность отказаться от защитной арматуры, что уже практически осуществляется и себя оправдало.
К таким способам защиты относятся вентильные и трубчатые разрядники, грозозащитные тросы, мощные реакторы, выключатели с АПВ с временем отключения линии до сотых долей секунды и др.
ПУЭ дает рекомендации по количеству подвесных изоляторов в гирлянде для всех классов изоляции. Эти данные приведены в табл. 3-9.

Таблица 3-9

Примечания: 1. Количество изоляторов в гирлянде указано для металлических и железобетонных опор, при деревянных опорах—можно уменьшить на один элемент.

1. В числителе дроби указано количество изоляторов для поддерживающей гирлянды, в знаменателе — для натяжной.
2. Количество изоляторов указано для районов с нормальной атмосферой.

При высоте 1 000—2 500 м над уровнем моря для линий до 150 кВ и больше, 1000—-2 000 м над уровнем моря для линий 220—500 кВ к указанному в табл. 3-9 количеству изоляторов прибавляется по одному изолятору.
Также прибавляется к гирляндам по одному изолятору на каждые 10 м высоты опоры на переходах с высотой опоры больше 40 м.
Кроме технических расчетов выбора гирлянд и типа подвесного изолятора для каждой гирлянды, необходимо также учитывать методы технико-экономических расчетов выбора изоляции в зависимости от различных факторов, как-то: надежность работы изоляции в расчетных различных режимах эксплуатации и минимум затрат при строительстве и эксплуатации [Л. 22].
Эти расчеты производятся при проектировании ВЛ и в настоящей книге не рассматриваются.