Содержание материала

Раздел I
ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ИЗОЛЯЦИОННЫЕ УСТРОЙСТВА
Глава 1
ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К ИЗОЛЯЦИИ

Основной задачей техники высоких напряжений является обеспечение электрической изоляции проводов и элементов аппаратов, находящихся под напряжением. Изоляция является существенной составной частью конструкций устройств высокого напряжения и обычно помимо изоляционных задач выполняет еще и другие функции, в частности восприятие или передачу механических сил, отвод тепла или герметизацию от окружающей среды.
Обеспечение требований, предъявляемых к изоляции, и предопределяет концепцию ее выполнения, конструкцию и форму конкретного изоляционного устройства, а также используемое изоляционное вещество [1.1, 1.2]. Свойства и поведение газообразных, жидких и твердых веществ подробно изложены в гл. 7 и 8.
При реализации технической изоляции следует иметь в виду, что довольно редко удается найти оптимальное со всех точек зрения решение. Поэтому часто необходимо добиваться компромиссов, которые обеспечивают нормальное функционирование и требуемый срок жизни при наиболее экономичном решении.

Требования к электрической прочности

Чтобы изолировать токоведущие провода относительно друг друга и земли, необходимо обеспечить в течение всего срока службы изоляции достаточную прочность изоляционных устройств, которая должна превышать уровни как рабочего напряжения, так и воздействующих кратковременных перенапряжении.
В значительной степени электрическая прочность изоляционной конструкции определяется прочностью использованного диэлектрического материала. Однако прочность последнего не

является постоянной величиной, она зависит от многочисленных факторов, таких, например, как толщина изоляции, конфигурация электродов, форма кривой напряжения, его частота и длительность воздействия, температура, влажность, давление. Этими факторами и определяется, будет ли электрический пробой происходить в объеме изоляции или на границе различных изоляционных веществ; от них зависит, произойдет ли спонтанный разряд под действием высокого напряжения или он будет развиваться постепенно в результате увеличения дефектов или нормального старения изоляции. На процесс старения изоляции сильное влияние оказывает рабочая температура, связанная с диэлектрическими потерями в изоляции. Особые механизмы повреждения изоляции наблюдаются при ЧР в газовых включениях внутри твердой или жидкой изоляции, а также при токах утечки по поверхности изоляции. Частичные разряды и токи утечки приводят к увеличению потерь, но прежде всего вызывают локальное термическое и химическое разрушение изоляционного материала.
Наряду с электрической прочностью изоляции необходимо учитывать и электрические воздействия на нее. Если рассматривать в качестве примера линии и устройства для передачи и распределения электроэнергии, то наряду с длительным воздействием переменного напряжения промышленной частоты в результате повреждений в сети или работы систем регулирования возможны кратковременные повышения напряжения промышленной частоты.
При коммутациях или повреждениях изоляции возникают переходные процессы, вызывающие коммутационные перенапряжения в сети. Наибольшие значения имеют так называемые внешние перенапряжения, к которым относятся прежде всего грозовые перенапряжения, обусловленные воздействием молнии (см. также гл. 2).

1.2. Механическая прочность

Изоляция часто является конструктивной частью устройств, несущей механические нагрузки, и поэтому она должна выполнять ряд разнообразных механических задач. На изоляцию воздействуют растягивающие силы, например на подвесные изоляторы линий электропередачи или на приводные штанги аппаратов высокого напряжения [1.3]. Опорные изоляторы аппаратов и шин на подстанциях должны воспринимать без повреждений в течение всего срока эксплуатации воздействия сжимающих сил. Электродинамические силы, возникающие при коротких замыканиях (КЗ), могут вызвать появление на опорных изоляторах изгибающих нагрузок [1.4]. На обмотки силовых трансформаторов, трансформаторов тока, токоограничительных реакторов и электрических машин и прежде всего на их лобовые части воздействуют при коротких замыканиях радиальные и аксиальные силы, которые должны восприниматься их изоляцией [1.5, 1.6].
Крутящие силы возникают, например, в приводных штангах разъединителей. Фарфоровые корпуса выключателей мощности, вводов и конденсаторов с газом под давлением испытывают разрывающие усилия. У некоторых трансформаторов напряжения и испытательных трансформаторов, а также у проходных изоляторов внешний изолятор выполняет функции корпуса.
При средних напряжениях (до 72,5 кВ) можно изготавливать очень рациональные конструкционные детали на основе эпоксидных смол, которые воспринимают электрические и механические нагрузки и одновременно являются корпусом [1.7, 1.8].
Во всех этих случаях, естественно, имеют значение наряду с электрическими и механические параметры (прочность на разрыв, сжатие и изгиб, модуль упругости, жесткость, ударная вязкость).

1.3. Термические воздействия

В электрических проводах и аппаратах имеют место потери энергии, а именно джоулевы потери в токопроводах, потери в стали магнитных сердечников и диэлектрические потери в изоляции.         
Обычно эти потери должны отводиться в окружающую среду через электрическую изоляцию, а температура изоляции при этом не должна превышать границу, определяемую ее сроком службы. Допустимые тепловые расширения и сохранение конфигураций изоляции накладывают дополнительные ограничения [1.1].
Как правило, изоляционные материалы обладают малой теплопроводностью, причем у аморфных веществ она ниже, чем у веществ с кристаллическими структурами. Поэтому за счет теплопроводности изоляции может быть отведена относительно небольшая тепловая мощность. При большей мощности потерь необходимо обеспечить отвод тепла с помощью естественной или принудительной конвекции газа или изоляционной жидкости (например, конвекцией в щелях распределительных элегазовых устройств, водородным охлаждением крупных генераторов и масляным охлаждением силовых трансформаторов). В особых случаях прибегают к непосредственному водяному охлаждению внутри проводников, например в обмотках генераторов и жилах кабелей. Для того чтобы выдерживалось напряжение между проводом и землей, вода должна быть деионизованной [1.13].

Химическая стойкость и устойчивость к воздействиям окружающей среды

Изоляционные материалы находятся в постоянном контакте с другими веществами, в том числе и с изоляционными, а также с окружающей средой. Вследствие образования поверхностных слоев, химического разложения или диффузии могут существенно измениться электрические свойства изоляционной конструкции. Особо сильное влияние на свойства изоляции оказывает влажность.
Все органические материалы поглощают путем диффузии влагу [1.1, 1.2], в результате чего возрастают как проводимость и потери энергии, так и диэлектрическая постоянная, ответственная за емкостное распределение электрического поля. Обычно оба эффекта вызывают снижение разрядного напряжения.
Изоляционные устройства наружной установки часто имеют внешнюю поверхность в виде глазурованной керамики или стекла, которые практически непроницаемы для других веществ. Уменьшение электрической прочности в этом случае наступает прежде всего из-за осаждения на поверхности проводящих загрязнений. Противодействием этому явлению служит выбор достаточной длины пути утечки, а также способность изолятора к «самоочищению» [1.10].
Электрические разряды могут специфически воздействовать на поверхность изолятора. Под действием тепла, образования озона или ультрафиолетового излучения разрушается поверхностный слой или изоляционное вещество и возникают следы разрядов, обладающих меньшей прочностью. При разрядах во влажном элегазе образуется сильноагрессивная плавиковая кислота.