Назначение и типы изоляторов

Диэлектрики, из которых изготавливаются изоляторы, должны обладать высокой механической прочностью, поскольку изоляторы, являясь элементом конструкции, несут значительную нагрузку. Изоляторы линий электропередачи, например, несут нагрузку от тяжения проводов, исчисляемую тоннами, а иногда и десятками тонн. Опорные изоляторы, на которых крепятся шины распределительных устройств, выдерживают громадные нагрузки от электродинамических сил, возникающих между шинами при коротких замыканиях.Диэлектрики должны иметь высокую электрическую прочность, позволяющую создавать экономичные и надежные конструкции изоляторов. Нарушение электрической прочности изолятора может происходить или при пробое твердого диэлектрика, из которого он изготовлен, или в результате развития разряда в воздухе вдоль внешней поверхности изолятора. Пробой твердого диэлектрика означал бы отказ изолятора, тогда как разряд по поверхности при условии быстрого отключения напряжения причиняет изолятору незначительные повреждения. Диэлектрики должны быть негигроскопичными и не должны изменять своих свойств под действием различных метеорологических факторов. При неблагоприятных условиях (дождь, увлажненные загрязнения) на поверхностях изоляторов, устанавливаемых на открытом воздухе (изоляторов наружной установки), могут возникать частичные электрические дуги. Под их действием поверхность может обугливаться и на ней могут появляться проводящие следы-треки, снижающие электрическую прочность изоляторов. Поэтому диэлектрики для изоляторов наружной установки должны обладать высокой трекингостойкостью.Изоляторы из закаленного стекла имеют ряд преимуществ перед фарфоровыми: технологический процесс их изготовления полностью автоматизирован; прозрачность стекла позволяет легко обнаружить при внешнем осмотре мелкие трещины и другие внутренние дефекты; повреждение стекла приводит к разрушению диэлектрической части изолятора, которое легко можно обнаружить при осмотре линии электропередачи эксплуатационным персоналом.

По своему назначению изоляторы делятся на опорные, подвесные и проходные. Опорные изоляторы, в свою очередь, подразделяются на стержневые и штыревые, а подвесные – на изоляторы тарельчатого типа и стержневые.

Проходные аппаратные изоляторы (вводы) на напряжения 110 кВ и выше имеют значительно более сложную конструкцию и рассматривается ниже.

22.Работа изоляторов при увлажненных загрязнениях поверхности. Степени загрязненности атмосферы. Методика определения степени загрязненности атмосферы, учитывающая все возможные источники загрязнения – промышленные предприятия, тепловые электростанции, засоленные почвы и соленые водоемы – подробно изложена в «Руководящих указаниях по выбору и эксплуатации изоляции в районах с загрязненной атмосферой» и в «Правилах устройства электроустановок» К первой, наименьшей степени загрязненности атмосферы относятся сельскохозяйственные районы, луга, леса, болота, тундра. Второй степени загрязненности соответствуют районы с сильной ветровой эрозией почвы, сельскохозяйственные районы, в которых применяются химические удобрения и гербициды,а также территория городов.Степень загрязненности атмосферы вблизи промышленных предприятий устанавливается в зависимости от вида и объема производства. Источник промышленного загрязнения оказывает влияние на запыленность атмосферы в пределах определенной зоны вокруг предприятий. Размеры этой зоны – так называемый минимальный защитный интервал – для различных производств составляет 300…9000 м. За пределами защитного интервала загрязненность относится ко II или к I степени. В пределах же защитного интервала в зависимости от расстояния до источника загрязнения устанавливаются III–IV степени загрязненности. .Выбор изоляторов в зависимости от степени загрязненности атмосферы. Как показывает опыт эксплуатации, определяющим для выбора изоляторов является обеспечение надежной работы в условиях тумана, росы или моросящего дождя в сочетании с загрязнением поверхности изоляторов. Значение влагоразрядного напряжения изоляторов зависит от характеристик загрязняющего слоя: толщины и удельного сопротивления. При одинаковых загрязнениях оно пропорционально длине пути утечки изолятора L_y, представляющей собой наименьшее расстояние по поверхности изолирующей части между двумя электродами. Для составных изоляторов (гирлянд и колонок) – это сумма длин пути утечки отдельных изоляторов.

Для опорных изоляционных конструкций также применяются грязестойкие изоляторы, а для вводов – удлиненные покрышки.

23.Разряд по сухой поверхности изолятора. Сухоpазрядное напряжение. Любая внешняя изоляционная конструкция имеет участки, в которых твердый диэлектрик граничит с атмосферным воздухом. На этой границе разряд может происходить в самом твердом диэлектрике или в газовом слое.

Поверхностный газовый разряд сохраняет все свойства газового разряда. Разряд по поверхности твердого диэлектрика имеет и свои особенности, связанные с влиянием твердого диэлектрика на протекание разряда. Введение в воздушный промежуток твердого диэлектрика приводит к смещению разрядного напряжения.Нормы и стандарты на внешнюю изоляцию рассчитаны на сухоразрядное U_ср и мокроразрядное напряжение U_мр по поверхности изоляторов.На изоляционных конструкциях поверхностный газовый разряд протекает в резко неравномерном поле.

24.Разряд по увлажненной поверхности изолятора.
Мокроразрядное напряжение. При увлажнении поверхности диэлектрика между электродами протекает ток, вызванный проводимостью пленки влаги.Величина тока утечки зависит от удельной электропроводности толщины водяной пленки (I = 5…100 мА). В местах наибольшей плотности тока (у электрода с минимальным радиусом) происходит выделение тепловой энергии. Под действием выделяющегося тепла происходит подсушивание поверхности изолятора. Это приводит к резкому возрастанию падения напряжения на подсушенном участке и его перекрытию. При этом опорная точка дуги располагается на краю водяной пленки и перемещается по мере ее высушивания.Разрядное напряжение по поверхности изолятора при дожде называют мокрозарядным напряжением U_мр. Согласно ГОСТу, испытания по определению U_мр производятся при силе дождя 3 мм/мин, при удельном сопротивлении воды ρ_в = 10⁴ Ом·см, измеренном при температуре Т = 20 ºC. Угол падения дождя 45º к горизонту для лучшего смачивания изолятора. Мокроразрядное напряжение тем ниже, чем меньше сопротивление утечки по поверхности изолятора.

25.Разряд по поверхности изолятора при воздействии коммутационных импульсов и атмосферных перенапряжений. При воздействии коммутационных импульсов на сухой изолятор формирование перекрытия происходит так же как при воздействии напряжения промышленной частоты. При воздействии на увлажненный изолятор коммутационных волн (t_p =0,5…5 мс) перекрытие происходит через частичную дугу. Опорная точка дуги перемещается к противоположному электроду. При t_p < 0,1 с тепловая энергия на увлажненном изоляторе быстро убывает. Этой энергии недостаточно для высушивания полоски вдоль пути формирования перекрытия. Поэтому при воздействии коммутационного импульса перемещение опорной точки дуги происходит по водяному слою Длительность грозовых импульсов составляет t_p = 2…3 мкс. Грозовые импульсы вызывают высокие скорости изменения напряжения и большие токи смещения. Эти токи замыкаются через поверхностную емкость изолятора. Поэтому поверхностный разряд при грозовом импульсе прижимается к поверхности изолятора тем теснее, чем круче нарастание напряжения (чем меньше время разряда). Путь разряда следует по всем изгибам поверхности изолятора. Кратковременность грозовых импульсов исключает возможность завершения скользящего разряда из-за тепловых процессов. Поэтому дождь и увлажнение мало влияют на поверхностное разрядное напряжение при грозовых импульсах.При испытании под искусственным дождем импульсные разрядные напряжения изоляторов снижаются всего на 5…10 %. Это можно объяснить изменением распределения напряжения по изоляции при ее увлажнении. При высокой частоте, характерной для грозового импульса, емкостная проводимость изолятора превышает активную проводимость водяной пленки. Влияние водяной пленки на распределение напряжения по изолятору оказывается небольшим.

26.Влияние конструктивных особенностей изоляторов
на напряжение перекрытия. Рассмотрим влияние твердого диэлектрика на возникновение и развитие разряда в воздухе вдоль поверхности изолятора. В конструкции рис. 6а, силовые линии электрического поля параллельны поверхности диэлектрика и поле, казалось бы, однородно. В конструкции рис. 6б поле неоднородно, тангенциальная составляющая напряженности поля на поверхности диэлектрика E_t преобладает над нормальной составляющей E_n. В конструкции рис. 6в поле также неоднородно, но преобладает нормальная составляющая E_n > E_t. Первая конструкция сравнительно редко встречается в реальных установках, но удобна при выявлении характеристик диэлектрика на причину возникновения разряда, вторая и третья конструкции встречаются часто (опорные и проходные изоляторы).Усиление поля у электродов приводит к снижению электрической прочности промежутка. Это снижение тем больше, чем гигроскопичнее диэлектрик. Например, стекло является более гигроскопичным материалом, чем глазурованный фарфор, поэтому напряжение перекрытия вдоль поверхности стекла ниже, чем вдоль фарфора.Уменьшение напряжения перекрытия изолятора при наличии микрозазора между диэлектриком и электродом или микротрещины на поверхности диэлектрика связано с увеличением в них напряженности поля вследствие различия диэлектрических проницаемостей воздуха и твердого диэлектрика (диэлектрическая проницаемость твердого диэлектрика в 3…4 раза больше чем воздуха). Увеличение напряженности поля в микрозазорах приводит к возникновению там ионизационных процессов, продукты которых (ионы, электроны), попадая в основной промежуток, создают местное усиление поля, приводящее к уменьшению напряженности перекрытия.Термически ионизированный канал разряда, развивающийся вдоль диэлектрика, на поверхности которого нормальная составляющая напряженности поля E_n превышает тангенциальную составляющую E_t, называют каналом скользящего разряда. При постоянном напряжении удельная поверхностная емкость практически не влияет на развитие разряда и значение разрядного напряжения оказывается близким к разрядному напряжению чисто воздушного промежутка.

27.Меры, предотвращающие перекрытия по поверхности изоляторов вследствие их загрязнения. К числу мер, предотвращающих перекрытие по поверхности изоляторов, вследствие их загрязнения, можно отнести:

1. Очищение атмосферы (золоуловители, фильтры, повышение высоты дымовых труб, переход на газовое топливо).

2. Увеличение длины пути утечки изоляторов (увеличение L_эф путем увеличения числа изоляторов в гирлянде).

3. Увеличение L_эф и коэффициента формы k_ф путем конструирования специальных изоляторов с увеличенным числом ребер (туманостойкие изоляторы); увеличение вылета ребер k_ф = l_ут/h > 1,3, где h – строительная высота изолятора.

4. Переход с ОРУ на ЗРУ.

5. Переход с ВЛ на КЛ.

6. Очистка изоляции от загрязнений струей сжатого воздуха, струей воды под высоким давлением или импульсной струей воды с высокой удельной проводимостью воды.

7. Непрерывное дождевание изоляторов слабыми струями воды.

8. Защитное покрытие изоляторов гидрофобной пастой один раз в 3…6 месяцев.

9. Периодическое определение интенсивности загрязнения путем измерения тока утечки на изоляторе под рабочим напряжением и его нормирование (устанавливается предельное значение тока утечки).

28.Особенности внутренней изоляции. Внутренняя изоляция находится внутри закрытого корпуса электрической машины или аппарата и состоит из комбинации жидких и твердых диэлектриков. Поэтому кратковременные изменения давления, температуры и влажности воздуха на ее характеристики не успевают повлиять. Оказывают влияния лишь длительные воздействия внешних факторов, соизмеримые со сроком службы изоляции.В связи с этим для внутренней изоляции различают:1) кратковременную электрическую прочность при воздействии стандартного грозового импульса, равного 1,25/50 мкс, 2) кратковременную электрическую прочность при воздействии импульсов внутренних перенапряжений длительностью 600…2000 мкс, 3) длительную электрическую прочность при воздействии рабочего напряжения в течение срока службы электрооборудования (τ > 25 лет),.

29.Регулирование электрических полей во внутренней изоляции. Электрические поля между электродами внутренней изоляции стараются сделать более однородными для увеличения . Однако традиционный метод скругления острых краев электродов не всегда подходит или не дает желаемых результатов. В этих случаях применяют 3 следующих способов регулирования. Полупроводящие покрытия Этот способ в основном применяется в эл. машинах полупроводящего покрытия.Между шихтованным магнитопроводом и твердой изоляцией обмотки машины прокладывается тонкий слой полупроводящего покрытия, обладающего большим объемным сопротивлением. В качестве полупроводящего покрытия применяют железисто-азбестовую ленту или серебросодержащую стеклоленту, либо наносят несколько слоев маслоглифталевого лака. Покрытие как бы выносит часть потенциала острого электрода на некоторое расстояние от него. В результате максимальная напряженность поля в точки А значительно снижается. Распределение напряженности поля без покрытия (кривая 1) и с покрытием (кривая 2) показано на рис. 2.2, б. В реальной изоляции применяют многослоевое полупроводящее покрытие с разной длиной l отдельных слоев (длина А-В) с различными удельными объемными сопротивлениями . Для выравнивания максимумов отдельных зубцов в кривой 2 для всех слоев должно выполняться условие: . Конденсаторная разделка края электрода Конденсаторную разделку применяют в кабельных муфтах и проходных изоляторах. Элемент такой конструкции показан на рис. 2.3, а на примере разделки концевой кабельной муфты. Между острым электродом и жилой кабеля прокладывают дополнительные электроды в виде медной фольги, уложенной между слоями бумажно-масляной изоляции. Дополнительные электроды образуют отдельные конденсаторы, по которым протекает переменный ток. Напряженность поля в толще диэлектрика распределяется обратно пропорционально емкостям последовательно включенных конденсаторов. Градирование изоляции Этот способ применяется в одножильных кабелях высокого напряжения. Между жилой и оболочкой кабеля размещают трехслойную изоляцию с различной диэлектрической проницаемостью каждого слоя (рис. 2.4, а).Градирования в бумажно-масляной изоляции кабеля выполняется с помощью бумаги разной плотности и толщины. Например, за счет трехслойного градирования кабеля напряжением 110 кВ удалось уменьшить толщину изоляции с 17 до 13 мм. В кабелях с пластмассовой изоляцией градирование выполняется из сшитого полиэтилена разной плотности.

30.Основные виды внутренней изоляции Внутренняя изоляция электрических машин и аппаратов состоит из комбинации нескольких диэлектриков, поскольку отдельно взятый диэлектрик не может удовлетворить всему перечню предъявляемых требований: малые диэлектрические потери; высокая теплопроводность и теплостойкость; механическая прочность; эластичность; негорючесть; нетоксичность, ремонтнопригодность и т. д. Наибольшего распространения получили следующие виды внутренней изоляции. Бумажно-масляная изоляция Бумагу высокой плотности, изготовленной из сульфатной целлюлозы, пропитывают минеральными маслами: трансформаторным, конденсаторным, кабельным (маслоканифольной смесью). Пропитку производят при температуре 90-120гр.С и под вакуумом, чтобы внутри изоляции не осталось газовых включений (пузырьков). В кабелях применяют ленточную бумагу, а в конденсаторах – рулонную с прослойками из полипропиленовой пленки. Маслонаполненная изоляция. Основным диэлектриком служит трансформаторное масло, но оно в чистом виде не применяется, так как плохо работает в резконеоднородном поле и сильно влияет на пробивное напряжение полярность электродов. Поэтому в масле устанавливают барьеры из электрокартона или бакелита, а сами электроды изолируют, то естьобматывают бумажно-масляной изоляцией для исключения образования проводящих мостиков из примесей, присутствующих в масле. Такую изоляцию еще называют маслобарьерной. Она обладает высокой теплопроводностью и ремонтнопригодностью, так как масло можно слить и просушить.Маслонаполненную изоляцию применяют в трансформаторах, реакторах и высоковольтных вводах. Изоляция на основе слюды Слюда из всех известных минералов обладает самой высокой эл. прочностью, теплопроводностью и теплостойкостью. Поэтому ее в основном применяют для изоляции электрических машин (генераторов, компенсаторов и электродвигателей). Основным материалом служит микалента – это слой щипанной слюды, оклеенной с двух сторон тонкой бумагой. Микалентой обматывают провода или катушки обмотки, затем пропитывают либо битумным компаундом и получают компаундированную изоляцию, либо эпоксидными или полиэфирными смолами – термореактивную изоляцию. Пропитку производят под вакуумом и при нагреве. Недостатком компаундированной изоляции является термопластичность. Поэтому она применяется в эл. машинах малой и средней мощности. Литая изоляция на основе эпоксидных смол. Основным материалом служит эпоксидная или эпоксидно-диановая смола, в которую добавляют пылевидный кварц в качестве пластификатора. Основной недостаток такой изоляции заключается в том, что она допускает небольшие газовые включения в стадии ее изготовления. Поэтому применяют такую изоляцию в электрических аппаратах с номинальным напряжением не более 35 кВ, например, в измерительных трансформаторах тока с литой изоляцией. Пластмассовая изоляция. Применяется пока только в силовых кабелях на номинальные напряжения до 220 кВ. Основным материалом служит сшитый полиэтилен (сшиты полимерные цепи) низкой и высокой плотности. Допустимая рабочая температура до 90..

31.Длительная электрическая прочность внутренней
изоляции. Виды старения внутренней изоляции. Качество изоляции в процессе эксплуатации постепенно снижается вследствие ее старения. Основными факторами, вызывающими старения изоляции являются частичные разряды, нагрев и увлажнение. Рассмотрим их более подробно. Частичные разряды в газовых включениях Газовые включения в жидких или твердых диэлектриках могут появиться в эксплуатации в результате химических реакций или растрескивания, расслоения от механических нагрузок, либо из-за остаточной деформации при кратковременном сильном нагреве. Размеры газовых включений (пузырьков) не превышают долей миллиметра, но они являются причиной электрического старению изоляции.В реальной изоляции может быть множество газовых включений с различными пробивными напряжениями. При ЧР они излучают высокочастотные электромагнитные и акустические волны, по интенсивности которых можно оценить дефекты изоляции.Температура на внутренней поверхности газового включения при ЧР мгновенно возрастает до нескольких сотен градусов. В твердой изоляции появляются обугленные локальные углубления, которые со временем разрастаются в древовидные щели (дендриты) и процесс завершается полным пробоем изоляции. Накапливания дефектов в изоляции за длительный промежуток времени называется кумулятивным эффектом. Тепловое старение внутренней изоляции При длительном воздействии на изоляцию повышенной температуры происходит постепенное ее разрушение. Твердый диэлектрик теряет пластичность, разрушается его структура (деструкция) и при механических нагрузках происходит растрескивания или расслоение диэлектрика. В жидких диэлектриках усиливаются окислительные процессы, приводящие к его загрязнению продуктами химических реакций.Для каждого типа диэлектрика установлена допустимая температура, то есть нагревостойкость, при которой он может нормально работать в течение всего срока службы 25-30 лет. По нагревостойкости все диэлектрики делятся на 7 классов с допустимой температурой от 90 до 180 и выше. Если рабочая температура диэлектрика увеличится по сравнению с допустимой всего на 8-10, то срок службы изоляции сокращается в 2 раза. Увлажнение внутренней изоляции. Влага влияет на длительную электрическую прочность изоляции. Она может образовывать с различными загрязнениями слабые электролиты. В результате возрастает ток утечки по изоляции и, как результат, увеличивается нагрев и скорость теплового старения. В присутствии влаги за счет химических реакций могут образоваться газовые включения, а в них частичные разряды.

32.Кратковременная электрическая прочность
внутренней изоляции. Способность изоляции выдерживать значительные перенапряжения в течение нескольких минут характеризует ее кратковременную электрическую прочность. При этом различают электрический пробой электротепловой, электромеханический, электрохимический, ионизационный пробой внутренней изоляции. Электрический пробой, как правило, наступает при воздействии на изоляцию очень больших по величине перенапряжений. При значительной напряженности поля на электродах возникает автоэлектронная эмиссия. Свободные электроны разгоняются на столько, что разрушают кристаллическую решетку твердого диэлектрика. В жидком диэлектрике быстро развиваются ионизационные процессы, приводящие к возникновению лавинно-стримерному разряду. Процесс завершается полным пробоем изоляции и длится в течении нескольких микросекунд.Для теплового пробоя необходимо некоторое время, чтобы диэлектрик разогрелся. Если при этом темп нарастания тепловыделения превысит темп нарастания отвода тепла в окружающую среду, то возникает термическое Электромеханический пробой, который может наблюдаться, например у хрупких материалов в сильно неоднородном электрическом поле подготавливается механическим разрушением материала (образованием макроскопических трещин) силами электрического поля. Электрохимический пробой – вид медленно развивающегося пробоя, связанного с химическим изменением материалов в электрическом поле (пример – прорастание металлических древовидных побегов – «дендритов» в результате электролиза). Такое явление часто называют старением диэлектрика в электрическом поле, поскольку оно приводит к постепенному снижению электрической прочности, заканчивающемуся пробоем при напряженности поля, значительно меньшей пробивной. Ионизационный пробой объясняется воздействием на диэлектрик химически агрессивных веществ, образующихся в газовых порах диэлектрика при частичных разрядах, а также эрозией диэлектрика на границе пор ионами газа.

33.Электрический пробой в бумажно-масляной и маслобарьерной изоляции.Масло-барьерная изоляция (МБИ). Основу МБИ составляет масло (минеральное). Для повышения пробивного напряжения масло-барьерной изоляции U_проб применяются твердые диэлектрики. В масляных прослойках устанавливают барьеры (из электрокартона, гетинакса и др.). Электроды покрывают или изолируют бумагой или лакотканью.Барьеры в масляных промежутках с однородным, со слабонеоднородным полем, в отличие от газовых промежутков, также повышают U_проб. Они препятствуют образованию проводящих мостиков между электродами. Пробивное напряжение в этом случае не зависит от места установки барьера и увеличивается на 30…50 %. Покрытие электродов тонким слоем диэлектрика (1…2 мм) не изменяет картину электрического поля между электродами, а лишь препятствует образованию мостиков. Например, Uпроб при расстоянии L = 10 см между электродами провод–провод d = 10 мм составляет 185 кВ. При покрытии этих проводов двумя слоями кабельной бумаги U_проб увеличивается на 50 % и составляет 280 кВ. Изолирование электродов толстым слоем диэлектрика (десятки мм) приводит к существенному уменьшению напряженности электрического поля вблизи электродов, т.к. проницаемость (e_т) твердого диэлектрика больше проницаемости масла (e_м). При этом электрическая прочность изоляции возрастает. В отличие от покрытия, изолирование наиболее эффективно в промежутке с резконеоднородным полем. При несимметричных электродах изолируют электрод с меньшим радиусом кривизны, а при симметричных – оба электрода.Свойства МБИ зависят от состояния твердого компонента и масла. Они сильно ухудшаются при их увлажнении. Увлажнение барьера до 3 % резко сокращает срок службы изоляции. Поэтому МБИ при изготовлении должны подвергаться сушке и вакуумированию. Влагосодержание (W_наиб) бумаги не должно превышать 0,5 %. Бумажно-масляная изоляция (БМИ). Исходными материалами для БМИ служат кабельная или конденсаторная бумага и минеральное масло (трансформаторное, кабельное, конденсаторное).Основу БМИ составляют слои бумаги. В зависимости от размеров, конструкции электродов (токоведущих частей), каждый слой бумаги может быть сплошным или состоять из отдельных лент. В первом случае используются рулоны бумаги большой ширины (до 3,5 м), во втором – ролики из бумажной ленты шириной от 20 до 40 мм. Рулонная БМИ используется в силовых конденсаторах и вводах (проходных изоляторах), ленточная – для изолирования электродов сложной конфигурации или большой длины (кабели, обмоточные провода для трансформаторов). Бумажная лента при этом может накладываться на изолированные части последовательными слоями по спирали с положительным или отрицательным перекрытием, рис. 4. Положительное перекрытие применяется для изоляции сложных электродов (трансформатор тока), отрицательное перекрытие применяется при машинной намотке бумажных лент для кабельной изоляции.Бумажно-масляная изоляция обладает высокой электрической прочностью, превосходящей прочность ее компонентов. Пробивные напряженности тонких слоев бумажно-масляной изоляции в поперечном по отношению к бумаге направлении составляют 500…600 кВ/см. В то время как масло имеет напряженность пробоя около 200 кВ/см, кабельная бумага 100…150 кВ/см. Прочность бумажно-масляной изоляции вдоль слоев бумаги ниже прочности в поперечном направлении в 10…20 раз. Поэтому для МБИ опасны продольные составляющие напряженности электрического поля. В зависимости от качества исходных материалов и технологии изготовления допустимые рабочие напряженности БМИ составляют 120…180 кВ/см, а в маслобарьерной изоляции только 40…60 кВ/см.