Гирлянды изоляторов. Распределение напряжения по элементам гирлянды

На напряжение 35 кВ и выше подвесные изоляторы собираются в гирлянды (рис. 2.10а). Шарнирное соединение элементов гирлянды обеспечивает гибкость гирлянды, что снижает механические нагрузки на изоляторы при обрыве провода и сильном ветре, а также создает удобства монтажа.

Гирлянды подразделяются на поддерживающие и натяжные. Поддерживающие гирлянды монтируются на промежуточных опорах, их нагрузка определяется весом проводов и возможными осадками, (гололедом). Для подвеса проводов концевых, угловых и анкерных опор используются натяжные гирлянды изоляторов, которые кроме веса провода и гололеда воспринимают нагрузки, определяемые тяжением провода. Поэтому они располагаются почти горизонтально. При использовании проводов больших сечений применяются сдвоенные и строенные гирлянды.

Основными электрическими характеристиками гирлянды являются сухоразрядное и мокроразрядное напряжения перекрытия. Значения этих напряжений зависят от типа и количества используемых изоляторов.

Проведенные исследования и опыт эксплуатации показывают, что величины разрядных напряжений гирлянды не равны сумме разрядных напряжений отдельных изоляторов. Это объясняется тем, что при перекрытии гирлянды дуга может на отдельных участках отрываться от поверхности изолятора. Кроме того, в процессе эксплуатации имеет место загрязнение поверхности изолятора продуктами уноса промышленных предприятий и пылью, что снижает величину поверхностного сопротивления и увеличивает вероятность перекрытия.

Поэтому электрическую прочность гирлянды принято оценивать по величине эффективной длины пути утечки  и коэффициенту удельной эффективной длины утечки

,                              (2.2)

где  – амплитуда линейного напряжения.

Вероятность перекрытия будет тем меньше, чем больше значение .

Значение  зависит от геометрических размеров изолятора  и  и для внешней изоляции может быть определено по выражению

.                                      (2.3)

Коэффициент  зависит от отношения . Значение коэффициента  лежит в пределах 1,0–1,4.  нормируется и приводится в таблицах для районов с различной степенью загрязнения.

Для надежной работы изоляции необходимо, чтобы длина утечки была

,                             (2.4)

где  – наибольшее длительно допустимое напряжение между фазами.

Второй отличительной особенностью работы изоляторов в гирлянде является неравномерность распределения напряжения по отдельным элементам гирлянды.

Электрическая схема замещения гирлянды приведена на рис. 2.1б. Здесь  – собственная емкость изолятора;  – емкость изолятора относительно опоры;  – емкость изолятора относительно провода. Для используемых в эксплуатации тарельчатых изоляторов значения емкостей колеблются в пределах  = 30–70 пФ;  = 4–5 пФ,  = 0,5–1,0 пФ.

Рассмотрим характер изменения напряжения по гирлянде изоляторов для случая, когда провод имеет положительный потенциал относительно опоры. Направление токов для этого случая показано на рис. 2.10б.

Допустим, что , а . Тогда наибольший ток будет протекать через первый от провода изолятор (емкость ). По мере приближения к опоре, токи протекающие через изоляторы, будут уменьшаться в результате шунтирующего влияния емкостей  и через последний изолятор будет протекать минимальный ток. В этом случае характер распределения по элементам гирлянды будет иметь вид кривой 1 (рис. 2.10в).

Для случая  и  наибольший ток будет протекать через изолятор, расположенный у опоры, а наименьший – через первый изолятор за счет шунтирующего влияния емкостей . Поэтому характер распределения напряжения по элементам гирлянды будет иметь вид кривой 2.

При  и  токи, протекающие через изоляторы (емкости ) будут определяться соотношением токов  и . Т.к. , то  и напряжение на первом от провода изоляторе будет больше, чем на последующих.

При значительном количестве изоляторов () ток, протекающий через  изолятор, может быть больше тока через  за счет соотношения токов  и . В этом случае напряжение на  изоляторе может быть больше, чем на -ом., а характер распределения напряжения по гирлянде будет иметь вид кривой 3. Таким образом, причиной неравномерного распределения напряжения по изоляторам является влияние емкостей  и .

При количестве изоляторов 6 и более на первый изолятор от провода приходится 20–25 % полного фазного напряжения. Неравномерность распределения напряжения не снижает электрическую прочность гирлянды, однако при напряжении 154 кВ и более на первом изоляторе возможно возникновение короны. Корона увеличивает потери энергии, вызывает коррозию металла и создает значительные радиопомехи. Поэтому требуются специальные меры по выравниванию напряжения на гирлянде изоляторов.

Наиболее эффективным способом выравнивания напряжения является использование защитной арматуры в виде металлических колец, овалов, восьмерок, укрепленных на обоих концах гирлянды или только на линейном конце. Арматура увеличивает емкость изоляторов относительно провода, что приводит к выравниванию напряжения.

Сравнительно равномерное распределение напряжения имеет место и при использовании расщепленных проводов. При дожде неравномерность распределения напряжения уменьшается за счет увеличения токов утечки по поверхности изоляторов, а при сухой погоде уменьшение неравномерности достигается за счет интенсивной ионизации у наиболее загруженного по напряжению изолятора.

При использовании более массивных изоляторов или сдвоенных гирлянд неравномерность уменьшается за счет увеличения значения сквозного тока, протекающего через собственные емкости изоляторов . Защитная арматура предохраняет фарфоровую поверхность изолятора от повреждения дугой при перекрытиях, так как разряд отводится от поверхности изолятора и дуга горит на кольцах защитной арматуры. Разрядные характеристики гирлянд, снабженных арматурой, практически не отличаются от характеристик гирлянд без арматуры.

 

Выбор изоляторов

Выбор изоляторов закрытых установок. Условия работы изоляции ЗРУ более благоприятные, т.к. изоляция менее подвержена воздействию различных атмосферных условий. Кроме того, абсолютные значения внутренних и атмосферных перенапряжений в сетях до 20 кВ значительно меньше, чем в сетях 35 кВ и выше. Поэтому запас электрической прочности изоляторов на напряжение до 20 кВ достаточно высок.

Однако в диапазоне генераторных напряжений значения токов короткого замыкания могут достигать десятков и сотен тысяч ампер. Поэтому опорные и проходные изоляторы ЗРУ, выбранные по номинальным значениям напряжения и тока, обязательно должны проверяться на динамическую стойкость при коротких замыканиях.

Сущность этого расчета сводится к определению изгибающего момента, действующего на изолятор при максимальном значении ударного тока КЗ для принятого расположения шинопроводов. Иногда расчет сводят к определению критического пролета между изоляторами по каталожному значению изгибающего момента для выбранного изолятора. Подробно эти вопросы рассматриваются в курсе «Электрические станции».

Выбор изоляторов наружной установки. Для обеспечения надежной работы выбор типа и количества изоляторов в гирлянде необходимо производить с учетом климатических условий и степени загрязнения атмосферы. По степени загрязнения атмосферы районы подразделяются на 6 категорий. К I категории относятся районы, имеющие наименьшую степень загрязнения атмосферы: это сельскохозяйственные районы, луга, леса, болота, тундра Ко II категории относятся районы с сильной ветровой эрозией почвы, сельскохозяйственные районы, где применяются химические удобрения и гербициды, промышленные города. Территория вблизи промышленных предприятий в зависимости от вида и объема производства, а также территории вблизи морей, соленых почв и озер относятся к III-VI зонам загрязнения.

Размеры этих зон – минимальный защитный интервал для различных производств определяется руководящими указаниями по выбору изоляции. Если имеет место наложение зон загрязнения от двух источников, то степень загрязнения определяется по источнику, создающему наибольшее загрязнение.

Для конкретных климатических условий с учетом степени загрязнения атмосферы электрическая прочность гирлянды будет обеспечена, если

,                           (2.5)

где  – число изоляторов в гирлянде;  – длина пути утечки одного изолятора.

Количество изоляторов в гирлянде

.                             (2.6)

Значения  приведены в таблице

Таблица 2.1 – Значения

	1,5	2,0 – 2,3	2,3 – 2,7	2,7 – 3,2	3,2 – 3,5
	1,0	1,1	1,2	1,3	1,4

 

Для обеспечения надежной работы гирлянд под дождем при воздействии внутренних перенапряжений, количество элементов в гирлянде должно удовлетворять условию

,                                (2.7)

где  и  – соответственно расчетное мокроразрядная напряженность и строительная высота принятого изолятора;  – расчетная кратность внутренних перенапряжений. Значения  принимаются 3 для ЛЭП 110–220 кВ; 2,7 – 330 кВ; 2,5 – 500 кВ. .

В процессе эксплуатации возможны повреждения отдельных элементов, поэтому правила устройства электроустановок (ПУЭ) рекомендуют увеличить количество изоляторов, определенных расчетным путем, на один – для ВЛ 110–220 кВ и два – для 330 кВ и выше.

Рекомендуемое количество элементов наиболее распространенных типов изоляторов в поддерживающих гирляндах ВЛ 110–500 кВ на металлических и железобетонных опорах при высоте до 1000 м над уровнем моря приведено в таблице 2.2.

Количество подвесных изоляторов в натяжных гирляндах увеличивается на один по сравнению с рекомендуемым для поддерживающих гирлянд. На переходных опорах высотой более 40 м количество изоляторов в гирлянде следует увеличивать по сравнению с принятыми для всех остальных опор этой ВЛ на один изолятор на каждые 10 м высоты опоры сверх 40 м. Для ВЛ проходящих на высоте более 1000 м над уровнем моря, количество элементов в гирлянде увеличивается на один.

 

Таблица 2.2 – Количество элементов наиболее распространенных
типов изоляторов в гирлянде

Тип изолятора	Количество изоляторов, шт. при напряжении ЛЭП, кВ
	110	220	330	500
ПФ6-А	7	13	19	–
ПФ6-Б	7	14	20	27
ПФ6-В	7	12	18	25
ПФ16-А	6	11	17	23
ПФ20-А	–	10	14	20
П-8,5	6	11	16	22
П-11	6	11	15	21
ПФЕ-11	6	11	16	21
ПС6-А	8	14	21	29
ПС-11	7	12	17	24
ПС12-А	7	13	19	26
ПС16-А	6	11	16	22
ПС16-Б	6	12	17	24
ПС22-А	–	10	15	21
ПС30-А	–	11	16	22
ПС30-Б	–	11	16	22

 

Количество изоляторов на ВЛ, проходящих в местах с сильным загрязнением атмосферы, должно выбираться с учетом местных условий. При этом для районов IV–VI следует рассматривать возможность использования специальных изоляторов.

Выбор типа и числа подвесных и опорных изоляторов для ОРУ производится аналогичным образом, как и для ВЛ. Однако, следует учитывать, что к изоляции ОРУ предъявляются более высокие требования, так как повреждение изоляции ОРУ может привести к тяжелым авариям и повреждению дорогостоящего оборудования. Поэтому для оборудования предназначенного для установки в ОРУ, значение эффективной длины утечки  устанавливаются в зависимости от категории исполнения А, Б или В. Оборудование категории А предназначено для районов со степенью загрязнения I – II. Оборудование категории Б имеет усиленное исполнение и предназначено для районов III – IV категории. При степени загрязнения 6 используется оборудование категории В.

При степени загрязнения III–VI рекомендуют выносить ОРУ из зоны повышенных загрязнений, а размещение ОРУ 500–750 кВ в районах IV–VI вообще не допускается.

Таблица 2.3 – Эффективная длина утечки  для категорий оборудования

Категория электрооборудования
	с заземленной нейтралью	с изолированной нейтралью
А	1,50	1,7
Б	2,25	2,6
В	3,10	3,5

 

Для увеличения разрядных напряжений в условиях загрязненной атмосферы применяют изоляторы с поверхностью, покрытой полупроводниковой глазурью или водоотталкивающей смазкой. В условиях эксплуатации применяется также периодическая обмывка изоляции.

Коэффициент запаса механической прочности принятых изоляторов согласно ПУЭ должен составлять: для ВЛ в нормальном режиме – не менее 2,7; при среднегодовой температуре, отсутствии гололеда и ветра – не менее 5,0; в аварийном режиме для ВЛ 500 кВ – не менее 2,0; а на напряжения 330 кВ и ниже – не менее 1,8.