Проблемы эксплуатации высоковольтной изоляции в условиях загрязненной атмосферы

Тарельчатые изоляторы, широко применяемые в электроэнергетике и на электрифицированных железных дорогах, обеспечивают изоляцию проводов линий ЛЭП и проводов контактной сети железных дорог от несущих конструкций, к которым производится их крепление. Эксплуатация изоляторов протекает при следующих условиях:

• -    непрерывном воздействии напряжения номинальной величины с учетом возможных допустимых перенапряжений в линии;

• -    непрерывном загрязнении частицами, взвешенными в воздухе в результате природного и промышленного загрязнения атмосферы;

• -    воздействии атмосферных осадков и прочих атмосферных условий.

Негативное воздействие этих факторов на поверхность изоляционной детали приводит к снижению ее электрической прочности, тем самым повышая вероятность перекрытия изоляции. Поэтому различные их сочетания факторов условия эксплуатации изоляции от оптимальных (воздействие номинального напряжения в районе с минимальным загрязнением атмосферы) до самых неблагоприятных (допустимые перенапряжения при увлажнении загрязненной изоляции).

Для оценки влияний атмосферных условий на эксплуатационные характеристики авторами была разработана математическая модель разрядных процессов на поверхности увлажненной изоляции [1], которая позволяет учитывать и моделировать процессы, происходящие на поверхности загрязненной и увлажненной изоляции.

Для проведения модельного эксперимента с помощью разработанной математической модели разрядных процессов на поверхности увлажненной изоляции требуется знать значение величины напряжения на одном изоляторе U _из . При равномерном распределении напряжения по гирлянде напряжение на одном изоляторе будет определяться следующим выражением:

и = U *l©5;

из п

где U ф - напряжение провода относительно земли (фазное), кВ; П ' - количество изоляторов в гирлянде, шт.

Требуемое по условиям электрической прочности число изоляторов n определяется исходя из выражения:

X э • U • k _р.

П =---------;

L из

где X _э - удельная эффективная длина пути утечки, см/кВ; U - номинальное напряжение линии, кВ; k _р - коэффициент, учитывающий повышение линейного напряжения до наибольшего рабочего.

Полученное значение n округлим до большего целого и обозначим через П ' . Это и будет фактическое требуемое число изоляторов в гирлянде. Удельная поверхностная проводимость слоя загрязнения и удельная эффективная длина пути утечки изоляции нормируются ПУЭ в зависимости от степени загрязнения и составляют не менее значений, приведенных в таблице 1. Примем в качестве исследуемой линию напряжением 110 кВ, тогда k _р для этого класса напряжений равен 1,15. Применяя эти формулы к известным начальным условиям для различных степеней загрязнения, получим следующие условия для проведения модельного эксперимента на линии 110 кВ (табл. 1):

Таблица 1. Условия для проведения модельного эксперимента

Параметры	Степени загрязнения
	1	2	3	4
удельная поверхностная проводимость слоя загрязнения χ, мкСм	5	10	20	30
удельная эффективная длина пути утечки λ э , см/кВ	1,6	2,0	2,5	3,1
количество изоляторов в гирлянде n , шт.	7	9	11	14
напряжение на один изолятор U из , кВ	10,4	8,1	6,6	5,2

Iут, мА

Наиболее неблагоприятными условиями эксплуатации изоляции являются туманы, сопровождаемые ветрами разной интенсивности. При этом работает механизм инерционного осаждения осадков на поверхность изоляционной детали, то есть перенос капель влаги под действием силы ветра. Вследствие малой массы капель и скорости ветра кинетическая энергия капель не достигает величины, которая привела бы к разрушению слоя загрязнения и поэтому его вымывания почти не происходит. Однако это не мешает процессу увлажнения, который насыщает слой загрязнения и приводит к снижению электрической прочности изоляции. В связи с этим для моделирования процесса увлажнения выбраны адвективные туманы как наиболее опасные с точки зрения перекрытия изоляции. Как показано в [1], наибольший поток увлажнения поверхности изолятора адвективными туманами наблюдается при скорости ветра 5 м/с. При этом математическое ожидание интенсивности увлажнения составляет Q =0,008 мг/см²с.

В результате моделирования разрядных процессов на увлажненной изоляции при наиболее вероятной интенсивности увлажнения адвективными туманами Q =0,008 мг/см²с (характерной при скорости ветра 5 м/с) и при условиях, приведенных в таблице 1, получены результаты, представленные на рисунке 1.

Как видно из полученных графиков, ток утечки сначала резко возрастает и достигает максимальных амплитуд в период первых двухсот секунд увлажнения (за исключением третьей степени загрязнения) и в дальнейшем носит периодический характер. Это подтверждается теорией работы загрязненной и увлажненной изоляции, согласно которой на поверхности изолятора вследствие протекания токов утечки и неравномерности слоя загрязнения возникают подсушенные пятна, перерастающие в кольцевые зоны. В результате путь утечки по влажному слою прерывается и загорается частичная дуга, которая, в зависимости от условий, может или погаснуть или перекрыть весь изолятор. Такой режим получил название режима перемежи-вающихся дужек, он характеризуется периодическим изменением тока утечки от нуля до некоторой постоянной величины, что и наблюдается на всех вышеприведенных графиках.

Iут, мА

0       200     400     600     800     1000 t, c

0       200     400     600     800     1000 t, c

Iут, мА

г)

Рис. 1. Графики тока утечки по поверхности увлажненного и загрязненного изолятора, полученные с помощью математической модели разрядных процессов на поверхности увлажненной изоляции, для: а) первой степени загрязнения; б) второй степени загрязнения; в) третьей степени загрязнения; в) четвертой степеней загрязнения

Следует отметить, что импульсы тока утечки в условиях третьей и четвертой степени загрязнения составляют свыше 100 мА. Такие токи вызывают изменение электромагнитного поля вокруг линии электропередач и мощный электромагнитный импульс, который неизбежно влияет на распространяемые полезные электромагнитные волны. Для подробного изучения его влияния требуется проведение отдельного эксперимента в условиях, максимально приближенных к реальным, то есть с учетом характера и степени загрязнения и режима увлажнения.

Таким образом, влияние различных воздействий окружающей среды (загрязнения, увлажнения) может привести к тому, что высоковольтная изоляция будет работать в тяжелых условиях с появлением на поверхности частичных дуг. Такой режим функционирования (режим перемеживающихся дужек) приводит к возникновению повышенного акустического шума, увеличению электрокоррозии стержней подвесных изоляторов (что является отдельным важным вопросом в плане надежности) и появлению электромагнитных возмущений, описанных выше.

Вывод: влияние окружающей среды на высоковольтную внешнюю изоляцию в процессе ее эксплуатации приводит к появлению ответных реакций со стороны изоляции, тем самым подтверждается их взаимовлияние друг на друга.