Типичные примеры изоляционных конструкций
К классическим изоляционным конструкциям принадлежат подвесные и опорные изоляторы линий электропередачи и распределительных устройств высокого напряжения [1.1].
На рис. 1.1 изображены подвесные изоляторы различных типов. Тарельчатые изоляторы были разработаны в то время, когда технологически еще не представлялось возможным достигнуть высоких допустимых нагрузок фарфора на растяжение; в этих изоляторах силовые нагрузки между металлическими стержнем и шапкой распределены так, что на фарфоровое тело действует сжимающая сила. Вследствие малой толщины изоляции между стержнем и шапкой тарельчатые изоляторы относятся к категории «пробиваемых» изоляторов.
Рис. 1.1. Подвесные изоляторы: а — цепочка из тарельчатых изоляторов; б — фарфоровый стержневой изолятор и гирлянда из таких изоляторов с защитной арматурой; в — участок крепления пластмассового изолятора (фирма Hoechst Ceram Тес); 1 — стальная арматура; 2 — клин; 3 — стеклотекстолитовый стержень; 4 — силиконовый экран; 5 — граничный слой
Рис. 1.2. Опорные изоляторы: а — эпоксидный изолятор для внутренней установки с залитыми электродами для подсоединения указателя напряжения; б — фарфоровый изолятор наружной установки
Как раньше, так и теперь гирлянды из тарельчатых изоляторов имеют большое техническое значение; в настоящее время такие гирлянды часто комплектуются из стеклянных изоляторов.
С тех пор как появилась возможность изготавливать фарфоровые изделия, выдерживающие продольную нагрузку более 105 Н, для воздушных линий электропередачи все большее значение стали приобретать стержневые изоляторы. С их помощью удается получать более короткие гирлянды вследствие меньшего вклада в их длину металлической арматуры.
Большие строительные длины могут быть достигнуты в пластмассовых подвесных изоляторах. Растягивающие усилия в них воспринимаются металлической арматурой и стеклотекстолитовым стержнем, окруженным экраном из пластмассы, стойкой к атмосферным воздействиям (силиконового каучука или фторопласта) [1.9].
Внешняя форма изоляторов наружной установки, их число, размер ребер и конфигурация экрана зависят от напряжения перекрытия в условиях загрязнения, воздействия тумана и дождя. Для проведения испытаний в условиях искусственных загрязнений в настоящее время разработаны специальные лабораторные методы [1.10].
Размеры опорных изоляторов наружной установки, показанных на рис. 1.2, также определяются с учетом влияния загрязнения их поверхности. Определяющими механическими нагрузками таких изоляторов являются изгибающие электродинамические силы, возникающие при коротких замыканиях.
Поверхности литых пластмассовых изоляторов являются условно стойкими к атмосферным воздействиям. Лучшими свойствами эти изоляторы обладают при их установке внутри сухих помещений. Литые изоляторы без дополнительной механической обработки могут иметь сложную форму, а их металлическая арматура, играющая одновременно роль внутренних экранов, легко размещается в форме, которая затем заливается изоляционным материалом [1.7, 1.8].
Закрытые элегазовые устройства высокого напряжения выполняются преимущественно в виде коаксиальных проводников. Поскольку в таких устройствах исключается загрязнение извне, а сжатый элегаз обладает значительно более высокой электрической прочностью по сравнению с атмосферным воздухом, принципы выполнения их изоляции оказываются совершенно иными, чем обычных устройств. На рис. 1.3 показаны основные формы опорных изоляторов, применяемых в элегазовых устройствах.
В этих устройствах преимущественно используются литые изоляторы. С учетом того, что при разложении элегаза в присутствии воды возможно образование плавиковой кислоты, в качестве наполнителя используется Αl2Ο3, а не обычный кварцевый порошок.
Рис. 1.3. Изоляторы для герметичных элегазовых распределительных устройств:
а — конусный изолятор; б — воронкообразный изолятор; в — изолятор трехфазного устройства; г — воронкообразные изоляторы в устройстве двойных сборных шин 300 кВ (фирма AEG)
Рис. 1.4. Изоляционные корпуса устройств с газом под давлением:
а — измерительный конденсатор (фирма Н&В); б — вывод элегазового устройства (фирма ВВС); в — полюс элегазового выключателя наружной установки (фирма AEG)
Рис. 1.5. Изоляция электрических машин и трансформаторов:
« — статор генератора переменного тока (фирма KWU); б — изоляция ярма трансформатора высокого напряжения с угловыми шайбами с профилем, близким к эквипотенциалям (фирма Weiamann); I — обмотка НН; II — обмотка ВН; III — регулировочная обмотка; 1 — пакет стали; 2 — шпоночный клин; 3 — пазовая пластина; 4 — бумажнослюдяная изоляция; 5 — массивные проводники; 6 — полые проводники
Рис. 1.6. Эпоксидная литая изоляция с внешними выводами:
а — литой трансформатор тока — опорный изолятор на 12 кВ (фирма AEG); 1 — первичная обмотка; 2 — вторичная обмотка и сердечник; 3 — клеммная коробка; б — трансформатор напряжения на 123 кВ (для элегазовых устройств (фирма Messwandlerbau); 1 — внешний корпус из эпоксидной смолы; 2 — залитая первичная обмотка; 3 — вторичная обмотка
Конусные изоляторы за счет придания им определенной формы и использования материалов с высокой диэлектрической постоянной позволяют снизить электрическое поле у внутреннего проводника и получить приблизительно одинаковую тангенциальную составляющую напряженности электрического поля на всей поверхности изолятора [1.11].
Изоляторы, выполненные в виде раструба, позволяют изготавливать отдельные устройства особенно компактными. Из-за большой длины пути утечки между внутренним и внешним электродами тангенциальная составляющая напряженности электрического поля у таких изоляторов незначительна.
Если сборные шины или все устройство выполнены по трехфазной схеме с общим корпусом, то можно применить нормальные цилиндрические опорные изоляторы для крепления проводников к заземленному корпусу. Однако если изолятор одновременно должен служить стенкой, разделяющей соседние отсеки с газом, то он выполняется в виде шайбы (рис. 1.3,в), при этом необходимо учесть электрические воздействия между проводами фаз.
На рис. 1.4 показаны устройства, в которых внешние изоляторы помимо своих электрических функций выполняют также функции сосудов под давлением. Конденсаторы со сжатым газом обычно применяются при измерениях внутри помещений. Внутри изоляционной трубы из бакелита или более прочного стеклотекстолита на фланцах с уплотнениями размещаются электроды измерительного конденсатора. Формой электродов задается распределение тангенциальной составляющей напряженности электрического поля на поверхности изолятора.
При создании газонаполненных вводов элегазовых распределительных устройств возникают аналогичные проблемы, а при установке вводов на открытом воздухе применяются фарфоровые покрышки с ребрами.
В выключателях наружной установки с элегазом в качестве изоляционной дугогасящей среды используются фарфоровые покрышки. Роль резервуаров высокого давления, дугогасящих камер и опорных изоляторов выполняют фарфоровые покрышки. Внутри них размещаются приводные штанги — трубы из стеклотекстолита, которые служат для передачи механических сил от заземленного привода к подвижным контактам и для подвода дугогасящего газа [1.12].
Кабели сверхвысокого напряжения выполняются в виде однофазных коаксиальных конструкций [1.13]. В пластмассовых кабелях изоляция экструдируется в виде сплошного слоя. Кабели на напряжение 420 кВ до сих пор изготавливались с изоляцией из мягкой бумаги с масляной пропиткой.
Омические потери энергии в жиле и диэлектрические потери в изоляции должны быть переданы окружающей среде через изоляцию. Для кабелей с большой нагрузкой естественного охлаждения недостаточно, в этом случае используют водяное охлаждение внутреннего либо внешнего провода.
Изоляция электрических машин и кабелей очень сложная, однако и ее можно свести к простейшим моделям. Стержни обмоток статоров крупных машин изолируются по принципу одножильного кабеля (рис. 1.5). С учетом электрических, термических и механических воздействий используется изоляция на основе слюды. Обмотки статоров машин большой мощности охлаждаются водой, циркулирующей внутри стержней. Особое внимание уделяется регулированию напряжения на изоляции в лобовой части обмоток при выходе из пазов [1.14, 1.15].
В силовых трансформаторах функции пропитки бумажной изоляции и отвода тепла выполняет масло, при этом взаимно скоординированы размеры каналов и участков бумажной изоляции. Для образования барьеров в масле между обмоткой высокого напряжения и сердечником в настоящее время используются исключительно профильные шайбы из прессованной целлюлозы, конфигурация которых согласована с направлением силовых линий поля [1.16].
Техника литья позволяет одновременно изготавливать внутреннюю и внешнюю изоляцию аппаратов. Впрочем, эта технология ограничена относительно невысокими напряжениями и мощностями, так как нельзя изготавливать толстые слои изоляции, не содержащие пустот, и теплопроводность такой изоляции ограничена. Она применяется обычно для изготовления маломощных трансформаторов тока и напряжения внутренней установки (рис. 1.6) в диапазоне средних напряжений [1.1, 1.17].
