Краткие теоретические сведения. В электрических установках имеет место неравномерное распределение напряжения по отдельным элементам и участкам изоляции

В электрических установках имеет место неравномерное распределение напряжения по отдельным элементам и участкам изоляции. Это приводит к возникновению короны и частичных разрядов на отдельных элементах и в объемах изоляции, что в конечном итоге является причиной появления начальных дефектов и последующего развития повреждения изоляции.

Во внешней изоляции наиболее неравномерное распределение напряжения наблюдается на гирляндах подвесных изоляторов, опорных изоляционных колонках, высоковольтных выводах трансформаторов и выключателей.

Рассмотрим характер распределения напряжения для гирлянды подвесных изоляторов, состоящей из элементов (рис. 1.1).

Гирлянду изоляторов можно представить электрической схемой замещения (рис. 1.1,б), где пФ – собственная емкость изолятора; пФ – емкость изолятора относительно земли; пФ – емкость изолятора относительно провода.

Рис. 1.1. Гирлянда подвесных изоляторов:

а – схема установки; б – емкостная схема замещения;

в – распределение напряжения по изоляторам гирлянды.

Основное влияние на неравномерность распределения напряжения по элементам гирлянды, как видно из схемы замещения рис. 1.1 б, оказывают токи, протекающие по емкостям и .

Падение напряжения на каждом элементе гирлянды будет определяться алгебраической суммой токов, протекающих по изолятору. Поскольку , то наибольший ток протекает по изолятору, расположенному около провода, наименьший – по изолятору, расположенному где-то в середине гирлянды, а затем несколько увеличивается на элементах у заземленной опоры. Более подробный анализ схемы замещения гирлянды дан в соответствующей литературе [1, 2].

Неравномерность распределения напряжения по изоляторам будет увеличиваться с увеличением числа элементов в гирлянде, так как в этом случае величина эквивалентной емкости, обусловленная собственной емкостью изоляторов , будет соизмерима с емкостями и .

При наличии шести и более изоляторов в гирлянде на первый от провода изолятор приходится примерно 20–25 % фазного напряжения. Таким образом, при номинальном напряжении 154 кВ и выше изоляторы, расположенные вблизи провода, будут коронировать.

Для выравнивания распределения напряжения вдоль гирлянды применяют защитную арматуру в виде колец, овалов, восьмерок и т. п., укрепленных на обоих концах гирлянды или только на линейном конце. Арматура увеличивает емкости и . Аналогичным образом можно выровнять распределение напряжения вдоль стержневых изоляторов.

Арматура также защищает изоляторы от воздействия дуги при перекрытии изоляторов, так как дуга при перекрытии гирлянды возникает между электродами арматуры.

Из анализа схемы замещения гирлянды также следует, что более равномерного распределения напряжения по изоляторам можно достичь, увеличивая собственную емкость изолятора, т.е. используя более массивные изоляторы или сдвоенные гирлянды. В этом случае токи, протекающие по емкостям и , оказывают меньшее влияние на величину токов в емкостях .

Распределение напряжения по гирлянде станет также более равномерным, если увеличить активную составляющую сквозного тока, например, покрывая изоляторы полупроводящей глазурью. Подобное явление наблюдается при дожде, когда возросшие активные токи утечки приводят к выравниванию распределения напряжения.

Измерить распределение напряжения по изоляторам гирлянды можно с помощью измерительной штанги или шарового разрядника.

Измерительная штанга представляет собой систему из двух электродов. Электроды с помощью контактных приспособлений (в виде «усов», щупов) соединяются с верхней и нижней металлической арматурой изолятора. Расстояние между электродами можно изменять путем поворота рукоятки штанги. Электрическое поле между электродами – слабонеоднородное, и напряжение пробоя воздушного промежутка между электродами будет зависеть от расстояния. Шкала измерительной штанги проградуирована в киловольтах. Имеются также штанги с электростатическими вольтметрами.

Методика определения распределения напряжения по элементам гирлянды с помощью шарового разрядника следующая:

1) Разрядник поочередно подключается параллельно каждому изолятору.

2) Включается испытательная установка, и плавно поднимается напряжение от нуля до возникновения устойчивого разряда между шариками разрядника.

3) Относительное значение напряжения на каждом изоляторе определяется расчетным путем.

Для каждого изолятора производится три измерения. Необходимо следить, чтобы в процессе измерений расстояние между шариками разрядника оставалось неизменным.

Так как напряжение по изоляторам распределяется неравномерно, то величина напряжения , приложенного к -му изолятору, при котором пробивается разрядник, будет зависеть от места положения изолятора в гирлянде, т. е.

. (1.1)

Наименьшее значение будет иметь , при установке разрядника на первом изоляторе от провода, а наибольшее при установке разрядника где-то в середине гирлянды.

Относительное значение напряжения на отдельном изоляторе в этом случае будет равно

, (1.2)

где – напряжение, при котором пробивается разрядник;

– напряжение на гирлянде при установке разрядника на -ом изоляторе.

Для всей гирлянды

. (1.3)

Следовательно, относительное значение напряжения на -ом изоляторе при измерении шаровым разрядником с учетом (1.2) и (1.3) будет

, (1.4)

или в процентах

%. (1.5)

Во внутренней изоляции наибольшая неравномерность распределения напряжения по объему изоляции наблюдается в кабелях, трансформаторах и генераторах.

В изоляции кабелей наибольшая напряженность электрического поля наблюдается у токоведущих жил. Поэтому для выравнивания поля по толщине изоляции применяют градирование изоляции. Сущность градирования заключается в то, что изоляция, например бумажная, имеет слои с различными величинами коэффициента диэлектрической проницаемости e; ближе к жиле используется бумага с большим e.

В трансформаторах наибольшая неоднородность электрического поля - у торца обмотки, примыкающего к магнитопроводу. Для выравнивания поля применяют емкостные кольца и экраны.

В электрических машинах максимальная неоднородность электрического поля возникает в местах выхода секции из пазов статора. Здесь для выравнивания электрического поля применяют покрытие лобовых участков изоляции полупроводящим лаком на определенную длину. Подробнее о методах регулирования полей в силовых кабелях, трансформаторах и машинах смотрите [1].