Конструкции и характеристики станционных и линейных изоляторов

Изоляторы для закрытых установок. Опорные и проходные изоляторы ЗРУ изготавливаются из электротехнического фарфора. На напряжения 6-10 кВ опорные изоляторы изготавливаются с внутренней герметизированной полостью (рис. 2.1а), или сплошными с внутренней заделкой арматуры (рис. 2.1б). Внутренняя заделка арматуры выравнивает электрическое поле, а, следовательно, улучшает электрические характеристики изолятора. Кроме того, внутренняя заделка позволяет снизить вес и высоту изолятора.

Металлическая арматура в виде шапок и фланцев в конструкции (рис. 2.1а) или закладных деталей (рис. 2.1б) скрепляются с фарфором цементом. Крепление токоведущих частей к изоляторам и изоляторов к несущим конструкциям осуществляется с помощью болтовых соединений.

Механическая прочность изолятора определяется силой, приложенной к головке изолятора, или изгибающим моментом. Эти величины зависят от диаметра  и высоты изделия .

Основными электрическими характеристиками изоляторов являются: сухоразрядное напряжение перекрытия по поверхности  и напряжение пробоя диэлектрика . При пробое диэлектрика изолятор теряет свои изоляционные свойства и не пригоден для дальнейшего использования. При перекрытии изолятора по поверхности изоляционные свойства восстанавливаются после отключения напряжения. Поэтому напряжения пробоя должно быть значительно больше напряжения перекрытия .

Электрическое поле опорного изолятора неоднородное, имеет значительную тангенциальную составляющую . Кроме того на распределение напряжения по высоте изолятора сильно влияет увлажнение и смачиваемость поверхности. Поэтому разрядное напряжение вдоль поверхности в 1,5–2 раза ниже разрядных напряжений в воздухе.

Для выравнивания электрического поля в области высоких напряженностей верхняя часть изолятора имеет небольшое ребро. На напряжении
20–35 кВ изоляторы могут иметь несколько таких ребер.

Основными каталожным параметрами опорных изоляторов для закрытых установок являются: номинальное напряжение , сухоразрядное напряжение по поверхности при частоте 50 Гц , импульсное напряжение перекрытия , изгибающий момент , наибольший диаметр диэлектрика , высота изолятора  и длина пути утечки по поверхности .

Проходные изоляторы для закрытых установок (рис. 2.2) выполняются цилиндрической формы с небольшими ребрами у торцов. Торцы изоляционного цилиндра 1 армированы металлическими колпаками 4 для крепления шины или токоведущего стержня 3. Фланец 2, с помощью которого изолятор крепится к строительной конструкции или крышке аппарата, и колпаки 4 закрепляются на фарфоровом цилиндре цементом.

Диаметр изоляционного цилиндра выбирается под фланцем выбирается исходя из допустимой механической прочности, т.к. при протекании токов короткого замыкания в этом сечении возникают наиболее опасные механические напряжения.

Электрическое поле проходного изолятора весьма неоднородно и имеет значительную нормальную составляющую  в области сечения под фланцем. Поэтому, при наличии воздушной прослойки между токоведущим стержнем и диэлектриком возможно возникновение короны. При напряжениях до 10 кВ специальных мер по устранению короны не требуется, однако при напряжениях 20 кВ и выше возможно возникновение короны у токоведущего стержня в области сильного поля напротив фланца.

Для предотвращения короны внутренняя поверхность изолятора металлизируется и ей сообщается потенциал стержня. Кроме этого в проходных изоляторах на напряжения 20 кВ и выше стремятся исключить воздушную прослойку, заполняя внутреннюю полость между стержнем и фарфором твердым или жидким диэлектриком.

Наибольшее значение тангенциальной составляющей электрического поля  будет иметь место у фланца. Здесь возможно первоначальное возникновение короны, а при дальнейшем увеличении напряжения, развитие скользящего разряда по поверхности изолятора. Такое неравномерное распределение напряженности поля по внешней поверхности объясняется влиянием распределенной (удельной) емкости  относительно токоведущего стержня и удельного поверхностного сопротивления  (рис. 1.21). Как видно из рисунка 1.21 через сопротивление , расположенное ближе к фланцу 2, будет протекать наибольший ток, а наименьший через сопротивление расположенное ближе к торцу изолятора. Следовательно, и напряжение вдоль поверхности распределяется неравномерно.

Для выравнивания напряжения по поверхности необходимо уменьшить емкость . Т.к. величина емкости зависит от диэлектрической проницаемости  и толщины диэлектрика, то уменьшить неравномерность распределения напряжения по поверхности изолятора можно уменьшив значение  и увеличив толщину стенок изолятора.

Напряжения перекрытия по поверхности приближенно можно определить по выражению

,                                (2.1)

где  – коэффициент, зависящий от рода напряжения;

 – длина изолирующей поверхности.

Напряжение возникновения скользящего разряда может быть увеличено за счет снижения напряженности поля у фланца путем металлизации средней части наружной поверхности. В каталогах для проходных изоляторов указываются такие же параметры, что и для опорных, но дополнительно указывается номинальный ток, если изолятор имеет встроенный токоведущий стержень.

Походные изоляторы для наружной установки в большинстве случаев являются высоковольтными вводами различной аппаратуры.

Изоляторы для открытых установок. Для открытых установок применяются штыревые, опорные и подвесные изоляторы. Они используются не только для крепления токоведущих частей ОРУ и ВЛ, но также как неотъемлемые элементы высоковольтных аппаратов, например разъединителей. Изоляторы наружной установки имеют сильно развитую поверхность (юбки), что позволяет сохранить сухие участки поверхности при дожде и тем самым увеличить разрядное напряжение.

Штыревые изоляторы применяются для крепления проводов линий до 35 кВ. Они изготавливаются из фарфора, стекла или полимеров. Последние широко применяются на напряжении 0,4 кВ.

Типичные конструкции опорных штыревых изоляторов приведены на рисунке 2.3. Изолятор навертывается на металлический штырь, с помощью которого крепится на опоре или на траверсе опоры. Для плотного крепления штырь обматывается синтетической лентой или обеспечивается специальной втулкой. Крепление проводов осуществляется в верхней канавке к шейке изолятора с помощью проволочной вязки.

 

Опорные изоляторы в свою очередь подразделяются на опорно-штыревые и стержневые. Они применяются для крепления жесткой ошиновки ОРУ, когда необходимо обеспечить высокую механическую прочность, а также как элементы разъединителей и выключателей.

Опорно-штыревой фарфоровый изолятор на 35 кВ (рис. 2.4) состоит из трех диэлектрических элементов, скрепленных между собой и с арматурой цементом. На напряжение 10 кВ изолятор имеет один диэлектрический элемент. На напряжение 110– 220 кВ изоляционная колонка собирается из нескольких изоляторов 35 кВ.

 

На рисунке 2.5 представлены стержневые фарфоровые изоляторы на 35 и 110 кВ. Высокое разрядное напряжение по поверхности стержневой конструкции достигается за счет большого количества ребер. При этом наибольшее разрядное напряжение по поверхности получается при отношении вылета ребра к расстоянию между ребрами равном 0,5.

Для увеличения механической прочности стержневые изоляторы на напряжение 110 кВ и выше выполняют большого диаметра с внутренней полостью. Однако такие конструкции имеют низкие разрядные напряжения по внутренней поверхности. Для устранения этого недостатка внутренняя полость герметизируется и заливается компаундом.

На напряжение 330 кВ и выше изоляционные конструкции на основе опорных изоляторов получаются очень высокими и не обладают достаточной прочностью на изгиб. Поэтому используются конструкции в виде треноги из трех колонок. В этом случае при изгибающих усилиях фарфор работает не только на изгиб, но и на сжатие.

Наряду с производством опорных изоляторов из фарфора широкое распространение получили полимерные изоляторы с кремнийорганическим или полиолефиновым покрытием. Изготавливаются также и гибридные конструкции, у которых стержень изготавливается из фарфора, а ребра из кремнийорганической резины (рис. 2.6). Полимерные изоляторы изготавливаются на напряжения до 110 кВ включительно как в обычном исполнении, так и для районов с повышенным загрязнением и используются как для крепления проводов, так и в качестве опорных колонок разъединителей и других конструкций. Они имеют значительно меньшую массу, чем фарфоровые, при тех же значениях электрических параметров.

Подвесные изоляторы, тарельчатые и стержневые, предназначены для крепления гибких токопроводов ОРУ и ВЛ.

Тарельчатые изоляторы (рис. 2.7) выполняются из фарфора или стекла, армируются сверху металлической шапкой, а снизу металлическим стержнем. Арматура крепится с помощью цемента. Внутренняя и внешняя поверхность головки, где скрепляется арматура, покрываются слоем битума, что позволяет избежать опасных механических напряжений при резких колебаниях температуры.

Благодаря конической форме внутренней полости, растягивающие усилия, которые действуют на стержень и шапку, вследствие расклинивающего эффекта, приводят к тому, что диэлектрик работает на сжатие. Это обеспечивает высокие прочностные характеристики. Размеры, форма тарелки и количество ребер выбираются с учетом климатических условий, чтобы обеспечить высокое значение мокроразрядного напряжения и высокую устойчивость к механическим воздействиям.

Так в изоляторе типа ПСД 70Е (рис. 2.8в) наружная и внутренняя поверхности головки изоляционной детали выполнены в виде конических выступов, а тарелка имеет вытянутое нижнее ребро, что обеспечивает наибольшую длину пути утечки. Изоляторы со сферической и сферическо-конической поверхностью имеют хорошие аэродинамические свойства, что обеспечивает минимальную загрязненность и хорошую самоочистку под действием ветра и дождя. Изоляторы типа ПСА 70 (рис. 2.8б) обладают высокой прочностью тарелки даже при обстрелах (антивандальные изоляторы).

Стеклянные изоляторы по сравнению с фарфоровыми имеют меньшие габариты, лучшие характеристики и более простую технологию изготовления.

Подвесные полимерные стержневые изоляторы изготавливаются на напряжения от 35 до 500 кВ включительно для районов с различной степенью загрязнения и районов 1–4 степени гололеда и ветровых нагрузок. Для ЛЭП 750 кВ и выше из этих изоляторов комплектуются гирлянды. Масса полимерных изоляторов в 15–18 раз, а строительная высота на 50 % меньше эквивалентных гирлянд тарельчатых изоляторов, что позволяет снизить нагрузки на опоры, уменьшить габариты ВЛ или увеличить пролет.

На основе полимерных изоляторов изготавливают также различные распорки, траверсы, растяжки и другие изолирующие элементы ВЛ.

На рис. 2.9 представлен полимерный изолятор нормального исполнения (330, 500 кВ). Такие изоляторы состоят из стеклопластикового стержня, ребристой кремнийорганической или полиолефиновой оболочки и металлических оконцевателей. Металлические оконцеватели комплектуются экранной арматурой (кольцами), что снижает напряженность электрического поля в стеклопластиковом стержне, уровень радиопомех при рабочем напряжении, увеличивает напряжение короны и дугостойкость.