книги из ГПНТБ / Мельников, Н. А. Проектирование электрической части воздушных линий электропередачи 330-500 кВ

Глава седьмая

ИЗОЛЯЦИЯ

ЛИНИЙ

ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ

и механическими характеристиками, достаточно стабильными при изменении климатических условий. К числу таких широко применяемых в электроизоля­ ционной технике диэлектриков относятся электротехнический фарфор и зака­ ленное стекло. В перспективе для изготовления изоляторов и изоляционных конструкций намечается использование стеклопластиков.

В качестве сырья для фарфоровых изоляторов применяется высококачест­ венная пластичная светлая глина, к которой добавляются кварцевый песок и пегматит. Фарфор, получаемый после сложного технологического процесса, представляет собой стекло с кристаллическим наполнителем, повышающим его механическую прочность. Диэлектрические потери в фарфоре зависят от ха­ рактера и количественного соотношения кристаллической и стекловидной фаз. Современные высокопрочные изоляторы изготовляются из тонкодисперсного фарфора с увеличенным содержанием кварца и пониженным содержанием пег­ матита. В связи с этим увеличивается кристаллическая и уменьшается стекло­ видная фазы в фарфоре, в результате чего улучшаются его диэлектрические свойства. Поверхность фарфора должна быть покрыта ровным слоем гладкой и блестящей глазури. Характерной особенностью фарфора являются большие пределы прочности при сжатии. Однако фарфор недостаточно прочен в момент приложения изгибающих и растягивающих нагрузок.

В качестве сырья для изоляторов из закаленного стекла в тех или иных сочетаниях применяются мелкозернистый кварцевый песок, каолин или техни­ ческий глинозем, синтетическая сода, поташ, известняк, доломит и др.

Изолятор, изготовленный из закаленного стекла, постоянно находится в ме­ ханически напряженном состоянии. Действующие на изолятор напряжения взаимно уравновешиваются в течение всего срока его службы. В случае при­ ложения к изолятору внешней механической растягивающей или изгибающей нагрузки разрушение может наступить только после компенсации сжимающих напряжений во внешних слоях. Появление в стекле трещин глубиной, равной толщине наружного сжатого слоя, приводит к нарушению равновесия и раз­ рушению стеклодетали, которая рассыпается на мелкие куски, размеры кото­ рых зависят от степени закалки. В закаленном стекле также может возник­ нуть процесс саморазрушения в случае, если в стекломассе сохранятся мелкие камни, которые в местах их размещения создают напряжения, вызванные раз­

144

ной величиной коэффициента расширения дополнительных включений и основ­ ной массы стекла. Линейные изоляторы изготовляются из щелочного стекла обычного промышленного состава с содержанием щелочных окислов до 12— 16%, двущелочного силикатного стекла, по составу близкого к промышленно­ му, и малощелочного стекла, в котором количество щелочей доведено до­ минимума (2%). Щелочное стекло имеет пониженные диэлектрические свой­ ства и хорошие технологические качества, позволяющие создавать малогаба­ ритные изоляторы с развитой поверхностью.

В двущелочном стекле часть окисла натрия заменена окислом калия. При­ менение в стекле двух щелочных окислов обеспечивает частичное проявление так называемого нейтрализационного эффекта, позволяющего сохранить высо­ кую технологичность обычных щелочных стекол и одновременно значительно повысить их электроизоляционные свойства и характеристики по сравнению со стеклом, содержащим только один щелочный окисел, или малощелочным стеклом.

Малощелочное стекло по электрическим характеристикам по термической прочности и другим показателям лучше щелочного стекла. В то же время изготовление и обработка малощелочиого стекла значительно сложнее и свя­ заны со значительными практическими трудностями, особенно при создании изоляторов, рассчитанных на большие электромеханические нагрузки. С уче­ том всех изложенных соображений в настоящее время для изготовления изо­ ляторов в большинстве случаев применяется двущелочное силикатное стекло.

Рассмотрение преимуществ и недостатков высокопрочного фарфора и за­ каленного стекла не позволяет сделать окончательный вывод о целесообраз­ ности применения для изготовления изоляторов только одного материала. Поэтому в настоящее время как в СССР, так и за границей наряду с фарфо­ ровыми изоляторами широко применяются и изоляторы из закаленного стекла. Так же как и при решении любой технической задачи, выбор материала изо­ лятора производится по результатам технико-экономического сравнения. В связи с этим необходимо отметить, что в СССР изоляторы из закаленного стекла получают все более широкое распространение и по перспективным планам производство фарфоровых изоляторов постепенно сокращается. Это направление технической политики объясняется следующим:

1. Весь технологический процесс изготовления изоляторов из закаленногостекла может быть полностью автоматизирован и механизирован. Кроме того, строительство заводов для изготовления стеклянных изоляторов требует зна­ чительно меньших затрат, чем фарфоровых. Поэтому стоимость стеклянных изоляторов при массовом производстве должна быть ниже, чем фарфоровых.

2.В СССР имеются достаточные запасы сырья для изготовления стекла.

3.Технология производства стекла позволяет осуществить серийный вы­ пуск изоляторов для линий сверхвысокого напряжения, рассчитанных на элек­ тромеханические нагрузки до 4 -ІО5 Н, чего практически нельзя осуществить при использовании в качестве сырья фарфоровой массы. Высокая механическая-

прочность закаленного стекла позволяет значительно сократить строительную-

ния в процессе эксплуатации периодических профилактических испытаний гир­ лянд под напряжением. Это объясняется тем, что каждое повреждение зака­ ленного стекла приводит к разрушению изолирующей тарелки, которое легкообнаружить при очередном обходе линии электропередачи эксплуатационным персоналом. Во время разрушения тарелки происходит заклинивание осколковстекла под шапкой и стержнем, при этом механическая прочность остатка изо­ лятора оказывается достаточной для того, чтобы предотвратить разрыв гир­ лянды. Необходимо отметить, что при высоком качестве изготовления фарфо­ ровых изоляторов также не требуется проведения профилактических испыта­ ний. В то же время перекрытие гирлянды из фарфоровых изоляторов, в которой имеется хотя бы один дефектный элемент, приводит к ее разрыву и падению проводов на землю.

145

6. Повышенная механическая прочность поверхностных слоев изоляторов из закаленного стекла препятствует возникновению трещин. Электрическая прочность стекла, как правило, сохраняется в течение всего времени эксплу­ атации, и процессы старения стекла происходят значительно медленнее, чем у фарфора. Поэтому отбраковка стеклянных изоляторов, которая объясняется главным образом явлениями саморазрушения, происходит в течение первого года их эксплуатации, в то время как дефекты фарфоровых изоляторов начи­ нают выявляться только после нескольких лет эксплуатации.

Подвесные линейные изоляторы. В СССР на линиях электропередачи сверхвысокого напряжения применяются подвесные изоляторы тарельчатого типа, каждый из которых состоит из изолирующей детали и арматуры. Изоли­ рующая деталь, изготовляемая из фарфора или закаленного стекла, выпол­ няется в форме тарелки с выгнутой к верху средней частью, которая называ­ ется головкой изолятора. Арматура состоит из чугунной шапки и стального стержня. Шапка закрепляется на головке изолятора так, чтобы между ними оставался зазор не менее 2 мм, а стержень с помощью связывающего мате­ риала, в качестве которого применяется портландцемент с песком в соотно­ шении 1 :2, соединяется с изолирующей деталью. Температурные коэффици­ енты расширения портландцемента и изолирующей детали примерно одина­ ковы. Поверхности шапки и стержня должны быть оцинкованы. Механическую нагрузку несет в основном головка изолятора и, главным образом, ее боко­ вые части. Размеры головки зависят от заданной электромеханической на­ грузки на изолятор, допускаемых напряжении для материалов и других факторов.

В СССР изготовляются изоляторы с конусной головкой, которые отлича­ ются по методу заделки стержня и шапки от изоляторов с цилиндрической формой головки, распространенных в США и некоторых западно-европейских странах. У изоляторов с конусной головкой внешняя и внутренняя поверхность гладкая глазурованная, с которой цементная замазка, выполненная в форме клина, не схватывается. Это обстоятельство обеспечивает возможность отно­ сительного перемещения головки и цементной заделки, что в свою очередь позволяет избежать возникновения опасных термических напряжений в голов­ ке изолятора при изменении температуры воздуха.

У изоляторов с конусной головкой упрощается цементная заделка и об­ легчаются требования к технологии армирования. В то же время применение головки цилиндрической формы, конструктивно более сложной, позволяет уменьшить размеры изолятора.

Электрические характеристики изоляторов непосредственно зависят от раз­ меров и формы изолирующей тарелки. Тарельчатая форма конструкции под­ весных изоляторов предусмотрена для увеличения пути поверхностного элек­ трического разряда. Форма тарелки определяется требованиями к электриче­ ским характеристикам изоляторов и технологией производства изолирующих деталей. Нижняя поверхность тарелки для увеличения длины пути тока утеч­ ки, равной расстоянию по поверхности изолятора от одного электрода к дру­ гому, и повышения мокроразрядного напряжения выполняется ребристой. Верхняя часть тарелки имеет гладкую поверхность, наклоненную под углом 5—10° к горизонтали для того, чтобы обеспечить стекание воды во время дождя.

В процессе конструирования изоляторов прежде всего обеспечивается до­ статочно малая вероятность его пробоя при воздействии перенапряжений раз­ личного рода. Для того чтобы электрический разряд обязательно проходил по поверхности изоляторов или по воздуху, отношение между пробивным напря­ жением и сухоразрядным напряжением изолятора должно быть не менее 1,5.

Эксплуатационная надежность изоляторов зависит от диэлектрических свойств применяемого для их изготовления фарфора или закаленного стекла. Электрическая прочность изолирующей детали должна обеспечиваться при различных температурных условиях и влажности. Изолирующие свойства по­ верхности изоляторов определяются величиной удельной поверхностной прово­ димости, зависящей от степени увлажнения, загрязнения и способности самоочищения. Механическая прочность изоляторов проверяется на растяжение,

146

изгиб и сжатие. Изоляторы должны также обладать химической стойкостью по отношению к агрессивным внешним воздействиям в виде дымов и паров, содер­ жащих в себе кислоты и щелочи или отложения морской соли, и не разрушать­ ся при резких изменениях температуры.

Основной механической характеристикой для линейных подвесных изоля­ торов является гарантированная механическая прочность на растяжение. В процессе испытаний изолятор подвергают одновременному воздействию ме­ ханической растягивающей нагрузки и напряжения промышленной частоты, соответствующего 75%-ному испытательному напряжению изолятора в сухом состоянии. Пробой или разрушение при плавном подъеме нагрузки не должно происходить при значениях меньше нормированных. Подвесные изоляторы характеризуются также одночасовой испытательной электромеханической на­ грузкой, которую они должны выдержать в течение часа без повреждения.

Плавный подъем механической нагрузки до нормируемого значения сов­ мещается с одновременным приложением к каждому изолятору напряжения промышленной частоты.

Одночасовая испытательная нагрузка может быть заменена 24-часовым механическим испытанием. Испытания производятся на изоляторах, соединен­ ных в гирлянду, при плавном подъеме растягивающей в осевом направлении нагрузки. Для определения явных дефектов каждый изолятор подвергается одноминутному механическому испытанию установленной нагрузкой, равной 50% гарантированной электромеханической прочности.

Анализ опыта эксплуатации линий электропередачи сверхвысокого напря­ жения показал, что существует прямая зависимость между удельной повреж­ даемостью изоляторов и коэффициентом запаса прочности по отношению к их механической нагрузке при среднегодовой температуре.

Коэффициентом запаса прочности изоляторов называется отношение элек­ тромеханической разрушающей нагрузки подвесных изоляторов к наибольшей нормативной нагрузке, действующей на изоляторы. В нормальном режиме ра­ боты линии коэффициент запаса должен быть не менее 2,7, а при среднегодо­ вой температуре, отсутствии гололеда и ветра — не менее 5. В аварийном ре­ жиме коэффициент запаса на линиях напряжением 500 кВ и выше принимает­ ся равным 2, а на линиях более низкого напряжения не менее 1,8.

Конструкции подвесных изоляторов. Изоляторы подразделяются на клас­ сы, соответствующие различным значениям минимальной разрушающей на­ грузки в пределах до 4 -ІО5 Н включительно, и изготовляются в соответствии с ГОСТ 6490-67 на фарфоровые изоляторы и ГОСТ 14197-69 на изоляторы из закаленного стекла, а также по специальным техническим условиям. Каждому классу соответствует несколько исполнений подвесных изоляторов, различаю­ щихся разрядными напряжениями, длинами пути утечки и весом, т. е. харак­ теристиками, которые непосредственно зависят от конструкции и размеров изоляторов.

У современных изоляторов для уменьшения строительной высоты торцу го­ ловки придана плоская форма с малыми радиусами перехода в коническую часть. Изоляторы имеют развитую нижнюю поверхность тарелки и меньшие размеры шапки, что позволило повысить мокроразрядные градиенты и увели­ чить длину пути утечки.

В связи с освоением новых классов сверхвысоких номинальных напряже­ ний на линиях электропередачи применяется все большее количество расщеплен­ ных проводов в фазе, что приводит к увеличению расчетных нагрузок на изо­ ляторы. Одновременно с необходимостью повышения гарантированных электро­ механических нагрузок растет потребность в изоляторах с улучшенными харак­ теристиками, так как новые линии электропередачи все чаще сооружаются

врайонах с загрязненной атмосферой или неблагоприятными климатическими

ипочвенными условиями. В этих условиях главной задачей, возникающей при конструировании, является повышение удельных разрядных характеристик подвесных изоляторов, подвергающихся увлажнению и загрязнению, с тем что­ бы при сохранении неизменной длины гирлянды повысить надежность работы линий электропередачи. Грязестойкий изолятор должен иметь такую форму, при которой затрудняется отложение загрязнений на его поверхности и облег-

147

Рис. 7-1. Подвесные фарфоровые изоляторы для районов с чистой и слабозагрязненпон атмосферой.

а — ПФ6-В; б — ПФЕ1І; в — ПФ16-А; г — ПФ20-А.

чается смывание отложившихся веществ во время дождя. При этом необходи­ мо учитывать, что дожди преимущественно очищают верхнюю гладкую поверх­ ность тарельчатого изолятора, вследствие чего происходит неравномерное за­ грязнение всей изоляционной конструкции.

Разрядные напряжения гирлянд изоляторов в загрязненном и увлажнен­ ном состоянии зависят от длины пути утечки, формы юбок, диаметра тарел­ ки и других геометрических параметров изоляторов.

В числе прочих электрических характеристик, которые подробно рассмат­ риваются ниже, п р о ч н о с т ь и з о л я ц и и при рабочем напряжении принято оцени­

вать и по длине пути утечки тока по поверхности изоляторов, которая явля­ ется показателем, в известной степени характеризующим при воздействии рабочего! напряжения грязестойкость и электрическую прочность различных типов современных изоляторов, имеющих относительно простые формы. В то же время необходимо учитывать, что разряд может происходить не только по поверхности изоляторов, но и частично по воздуху, шунтируя, например, уз­ кие щели развитой поверхности изолятора. В таких случаях некоторые участ­ ки поверхности диэлектрика не принимают участия в происходящем процессе. Это обстоятельство при выборе количества элементов в гирляндах учитывает­ ся путем введения поправочного коэффициента К на эффективность исполь­

зования длины пути утечки. Результаты проведенных исследований показали, что конфигурация и габариты изоляторов оказывают существенное влияние на величину разрядного напряжения. В нормальном эксплуатационном режиме длительно выдерживаемый градиент тарельчатых изоляторов относительно простой формы при различной степени загрязнения будет увеличиваться с воз­ растанием отношения пути утечки I к строительной высоте изолятора Н и од­

новременным уменьшением отношения строительной высоты к диаметру тарел-

148

149

Рис. 7‘2. Подвесные изоляторы из закаленного грязненной атмосферой.

а — ПС6-А; б — ПС16-Б.

ки изолятора. Кроме того должна быть обеспечена технологичность изготов­ ляемой конструкции. Для создания изоляторов с повышенной длиной пути утечки, имеющих высокие выдерживаемые градиенты, желательно, насколько это возможно по конструктивным соображениям, развивать верхние и нижние поверхности тарелок так, чтобы при этом отношение строительной высоты изо­ лятора к его диаметру находилось в пределах 0,5—0,6.

Изоляторы для районов с чистой и слабозагрязненной атмосферой. Для линий, трасса которых проходит в районах с чистой или слабозагрязненной атмосферой, предназначены серийно изготовляемые изоляторы, у которых отно­ шение //Я находится в пределах 1,6—2,3. К этой категории относятся все изо­ ляторы, характеристики которых приведены в табл. 7-1.

от 140 до 194 мм, а диаметр тарелок изменяется от 270 до 350 мм. Все пере­ численные типы изоляторов имеют улучшенные электрические характеристики по сравнению с изготовлявшимися ранее изоляторами типов ПФ6-А и ПФ6-Б.

Для шапок изоляторов предназначается высококремнистый чугун с проч­ ностью на разрыв 0,44-0,6 кН/мм2. Стержни выполнены из высокопрочной конструкционной стали и имеют прочность на 10% больше расчетной прочно­ сти изоляторов. Высокая механическая прочность арматуры изоляторов обе­ спечивает надежные условия эксплуатации и стойкость по отношению к корро­ зии в агрессивных средах.

Показанные на рис. 7-2 изоляторы из закаленного щелочного, двущелочно­ го и малощелочного стекла изготовляются на разрушающие электромеханиче­ ские нагрузки от 60 до 300 кН. Выбранные в диапазоне от 255 до 320 мм диаметры тарелок при строительной высоте в пределах 130—217 мм обеспе­ чили получение достаточно высоких характеристик изоляторов, примерно та­ ких же, как и у изоляторов из высокопрочного фарфора. Увеличение длины пути утечки путем развития ребер на нижней стороне тарелки стеклянных изоляторов технологически осуществляется значительно проще, чем у фарфо­ ровых изоляторов. Это обстоятельство позволило организовать серийный вы­ пуск изоляторов из закаленного стекла с развитой нижней поверхностью на значительно большие электромеханические нагрузки, чем у фарфоровых изо­ ляторов.

Изоляторы для районов с загрязненной атмосферой. Исследования меха­ низма разряда по загрязненной и увлажненной поверхности изоляторов пока­ зали, что разрядное напряжение гирлянды значительно повышается с увели­ чением пути утечки. Поэтому в современных конструкциях грязестойких изо­

150

ляторов, изготовляемых из фарфора и закаленного стекла, предусматривается повышенное отношение длины пути утечки к строительной высоте изолятора и, в большинстве случаев, одновременное уменьшение отношения строительной высоты к диаметру тарелки. В процессе конструирования следует стремиться к тому, чтобы загрязнению подвергалась меньшая часть поверхности изоля­ тора, которому придается форма, наиболее благоприятная для самоочищения при воздействии ветра и дождя и для использования длины пути утечки. При­ менение изоляторов с повышенными удельными разрядными характеристика­ ми позволяет значительно сократить длину гирлянды и часто является един­ ственно возможным решением, обеспечивающим надежные условия эксплуата­ ции линии.

В табл. 7-2 приведены основные характеристики изготовляемых и разра­ батываемых в настоящее время новых типов изоляторов, предназначенных для районов с загрязненной атмосферой или неблагоприятными климатическими или почвенными условиями, с поправочным коэффициентом К на эффектив­ ность использования длины пути утечки в условиях интенсивных загрязнений, равным 1,1.

Грязестойкие изоляторы с точки зрения конструктивного исполнения мо­ гут быть разделены на три группы.

К первой группе относятся конструкции с вертикальными ребрами, имею­ щие, как, например, показанные на рис. 7-3 изоляторы ПСГ16-А, развитую дли-

1 7 5

Рис. 7-3. Подвесные изоляторы из закаленного стекла и фарфора для районов с загряз­ ненной атмосферой.

а — ПСГ16-А; 6 — ПСГ16-Б; в — ПФГ-12Г; г — ПФГ-12.

151

может быть создан размещением ребер на внешней вертикальной поверхности, как это, например, предусмотрено для изоляторов типа ПФГ-5А.

Изоляторы третьей группы имеют большой диаметр и гладкую поверх­ ность, которая улучшает условия очистки при дожде и ветре. К третьей груп­

152

7-2 ГИРЛЯНДЫ ИЗОЛЯТОРОВ

На линиях электропередачи сверхвысокого напряжения для изоляции проводов от заземленных частей опор, как правило, применяют поддерживающие и натяжные гирлянды, скомплек­ тованные из подвесных изоляторов. Количество элементов в гир­ лянде и ее длина выбираются в зависимости от номинального напряжения линии, типа изоляторов и других факторов, кото­ рые подробно рассматриваются в настоящей главе.

Соединение изоляторов в гирлянды производится путем вве­ дения утолщенной головки и стержня в ушко на шапке соседне­ го изолятора. Шарнирный способ соединения имеет то преиму­ щество, что изоляторы подвергаются только растягивающим нагрузкам, величина которых зависит от сечения проводов и дли­ ны пролетов между опорами. Строительная длина гирлянды определяется в зависимости от количества последовательно сое­ диненных изоляторов, а также от размеров сцепной арматуры и зажимов для проводов. Механическая прочность гирлянды будет такой же, как и каждого изолятора, из которых она скомплекто­ вана. Если механическая нагрузка превышает прочность стан­ дартных изоляторов, используются двухцепные или многоцепные гирлянды.

В некоторых случаях вместо поддерживающих и натяж­ ных гирлянд применяются различные модификации этих кон­

153