Линейная изоляция воздушных линий, конструкция и их выбор

Министерство образования и науки РФ
ФГБОУ ВО «Марийский государственный университет»
Электроэнергетический факультет
Кафедра электроснабжения и технической диагностики









Реферат на тему:
«Линейная изоляция воздушных линий, конструкция и их выбор. Изолятор-разрядник мультикамерный. Особенности гашения дуги в импульсе.»









                                                                     Выполнил: студент группы ЭЭ-42
                                                                                            Байрамов И.И.                                                   
                                                                   Проверил: канд. техн. наук, доц.
                                                                         Рыбаков Л. М.





Йошкар-Ола, 2017
СОДЕРЖАНИЕ

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ	3
ВВЕДЕНИЕ	4
1 ЛИНЕЙНАЯ ИЗОЛЯЦИЯ ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ , КОНСТРУКЦИЯ И ИХ ВЫБОР	5
2 ИЗОЛЯТОР-РАЗРЯДНИК МУЛЬТИКАМЕРНЫЙ ИРМК - U120AD-II-УХЛ1	10
3 ОСОБЕННОСТИ ГАШЕНИЕ ДУГИ В ИМПУЛЬСЕ	15
ЗАКЛЮЧЕНИЕ	17
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ	19

     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ
     ВЛ – воздушная линия
     ПС – подстанция
     ПУЭ – правила устройства электроустановок
ВНИИЭ – всесоюзный научно-исследовательский институт электроэнергетики
     ИРМК – изолятор-разрядник мультикамерный
     МКС – мультикамерная система
     ОРУ – открытая распределительная установка
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     ВВЕДЕНИЕ
     Передача электроэнергии в современной энергетике от мест её производства к потребителям реализовывается по ВЛ до 750 кВ и выше. Надежность работы линий электропередачи и всего комплекса оборудования: генераторов, трансформаторов, компенсирующих устройств, коммутационной аппаратуры и т.д  имеет большое значение. Надежной работой изоляции оборудования и электрических систем в значительной мере обеспечивается решение этой задачи.
     Изолятор - это устройство для электрической изоляции механической связи частей электрического устройства, находящихся под разными электрическими потенциалами. Изолятор состоит из диэлектрика и деталей для его крепления. Из фарфора и стекла наиболее часто изготавливают изоляторы. В радиотехнических устройствах и других высокочастотных установках их выполняют из ультрафарфора, стеатита и других материалов с малыми диэлектрическими потерями.
     Размеры и конструкция изоляторов определяются прикладываемыми к ним механическими нагрузками, электрическим напряжением установок и условиями их эксплуатации. Изоляторы ВЛ и ОРУ электрических станций и подстанций подвергаются воздействию атмосферных осадков, которые особенно опасны при сильном загрязнении окружающего воздуха. Для увеличения напряжения перекрытия в таких изоляторах внешняя поверхность изготовляется сложной формы, которая удлиняет путь перекрытия. На ВЛ от 6 до 35 кв применяют так называемые штыревые изоляторы, на линиях более высокого напряжения - гирлянды из подвесных изоляторов, число которых в гирлянде определяется номинальным напряжением линии. 
     
     
     
     
      1 ЛИНЕЙНАЯ ИЗОЛЯЦИЯ ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ , КОНСТРУКЦИЯ И ИХ ВЫБОР
     Атмосферный воздух служит основной изоляцией воздушных линий. Разрядные напряжения воздушных промежутков зависят от их формы электродов, длины,  длительности воздействия метеорологических условий и скорости нарастания напряжения.
     По конструкции линейные изоляторы бывают: штыревые, тарельчатые и стержневые (рисунок 1).
     
     Рисунок 1 - Линейные изоляторы:  а-штыревой;  б-тарельчатый; 
      в-стержневой фарфоровый; г-стержневой стеклопластиковый
     Штыревые и тарельчатые изоляторы изготавливают из закаленного стекла или электротехнического фарфора, стержневые – из полимеров или высокопрочного фарфора, в последнее время в основном тарельчатые изоляторы, выпускают из закаленного стекла.
     В некоторых европейских странах длинно-стержневые изоляторы нашли применение из высокопрочного фарфора, которые практически не пробиваются. Так как фарфор работает на растяжение в длинно-стержневых изоляторах, то их механическая прочность меньше тарельчатых.
     Распределение напряжения вдоль гирлянды изоляторов. Электрическое поле провода на опоре определяется близостью заземленных траверсов, земли, и стоек опоры. Наличие гирлянды практический не искажает общую картину электрического поля, однако от параметров изоляторов зависит  распределение напряжения вдоль гирлянды. Изоляторы в сухом состоянии представляют собой конденсаторы, емкость которых изменяется от 25 до 80 пФ. Кроме того металлические части изоляторов обладают емкостями относительно провода, земли и других изоляторов. Так как частичные емкости изоляторов относительно земли больше, чем относительно провода и соизмеримы со «сквозной» емкостью гирлянды Сг. Распределение напряжения по изоляторам неравномерно и максимальное падение напряжения приходится на ближайшие от провода изоляторы. С увеличением длины гирлянды её сквозная емкость понижается, а емкость относительно земли возрастает, что приводит к еще более неравномерному распределению напряжения. Для примера на рисунке 2 приведено распределение напряжения в процентах по изоляторам гирлянды для ВЛ 500 кВ.
     Рисунок 2 - Зависимость напряжения на изоляторе ?U от напряжения на гирлянде из  22 изоляторов  ПС 120 ВЛ 500 кВ от порядкового номера изолятора при отсчете от провода
     Тороидальные экраны применяют для выравнивания распределения напряжения по всей длине натяжных гирлянд, которые практически не изменяют разрядных напряжений гирлянды, но ликвидируют радиопомехи. В некоторых случаях гирлянду около провода расщепляют на две для выравнивания распределения напряжения, тем самым повышают эквивалентную сквозную емкость расщепленного участка гирлянды. Путем применения изоляторов с полупроводящим покрытием можно также выравнить распределение напряжения.
     В первую очередь при выборе изоляции необходимо обеспечить безопасность передвигающихся под линиями и вблизи оборудования подстанций людей, животных и механизмов.
     Практика проектирования ВЛ показала, что с экономической точки зрения разумно выбирать изоляцию из условия ее безопасной и надежной  работы при рабочем напряжении. Если при расчете по грозовым  и коммутационным перенапряжениям длины гирлянд изоляторов получаются больше рассчитанных из условия надежной работы по рабочему напряжению, то необходимо при проектировании электропередачи предусматривать мероприятия, которые снижают перенапряжения (применение грозозащитных тросов, реакторов, выключателей с шунтирующими сопротивлениями ограничителей перенапряжений и др.) до уровня, при котором обеспечивается надежная работа изоляции при грозовых и коммутационных перенапряжениях.
     Существуют два пути выбора изоляции. Первый предназначается для обычных линий электропередачи и подстанций и производится по ПУЭ и другим нормативным документам, которые были сформулированы в результате обобщения многолетнего опыта эксплуатации и специально организованных научно-исследовательских работ.
     Второй применяют для нестандартных линий электропередачи и основывается на комбинированном или статистическом методах выбора изоляции.
     Поскольку с уменьшением давления воздуха влагоразрядные напряжения загрязненных изоляторов снижаются, при выборе изоляции воздушных линий 110 - 750 кВ, проходящих на высотах от 1 до 2, от 2 до 3 и от 3 до 4 км, удельная длина пути утечки должна быть увеличена на 5, 10 и 
15 % соответственно.
     Число изоляторов в гирлянде изменяется в следующих пределах таблицы 1.
     Таблица 1 – Пределы изменения числа изоляторов в гирлянде
     Uном, кВ
     110
     220
     330
     500
     Длина гирлянды, м
     1,3-1,7
     2,3-2,5
     2,9-3,5
     4,3-4,5
     Число изоляторов в гирлянде, шт
     6-8
     10-14
     15-21
     21-29
     
     Выбор изоляции линии на деревянных опорах имеет особенности. В настоящее время деревянные опоры используются на линиях с номинальным напряжением до 220 кВ; сооружение таких линий обходится дешевле, чем линий на металлических опорах. В нашей стране длина линий на деревянных опорах составляет примерно одну треть общей протяженности сетей напряжением 35 кВ и выше.
     Участки деревянных траверс на опорах оказываются соединенными последовательно с гирляндами изоляторов. Однако общая электрическая прочность такой комбинированной изоляции получается значительно ниже суммы прочностей отдельно взятых ее элементов. Объясняется это сложным характером распределения напряжения между гирляндой и участком траверсы, зависящим к тому же от  формы воздействующего напряжения.
     По данным ВНИИЭ деревянная траверса увеличивает мокро - разрядное напряжение линейной изоляции на 15 - 20 %. Этого вполне достаточно, чтобы сократить количество изоляторов в гирляндах на один элемент. На линиях 
35-220 кВ с деревянными опорами количество изоляторов в гирляндах берется на один меньше, чем на металлических опорах.
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     2 ИЗОЛЯТОР-РАЗРЯДНИК МУЛЬТИКАМЕРНЫЙ ИРМК - U120AD-II-УХЛ1
      Изолятор-разрядник мультикамерный ИРМК-U120AD-II-УХЛ1 является принципиально новым устройством, сочетающими в себе одновременно свойства и изолятора, и разрядника. Его применение позволяет защитить ВЛ  35-500 кВ от прямых ударов молнии и от индуктированных грозовых воздействий и их последствий.
     При использовании изоляторов-разрядников мультикамерных вместо стандартных изоляторов возможно обеспечить молниезащиту ВЛ любого класса напряжения, так как с увеличением класса напряжения увеличивается число изоляторов в гирлянде, и соответственно увеличивается номинальное напряжение и дугогасящая способность гирлянды из ИРМК.
     Применение ИРМК на ВЛ позволяет отказаться от грозозащитного троса. При этом уменьшается масса, высота и стоимость опор, а также стоимость всей ВЛ в целом, но обеспечивается её надёжная молниезащита.
     Рисунок 3 – Внешний вид изолятора-разрядника мультикамерного
     ИРМК-U120AD-II-УХЛ1
     Основу изолятора-разрядника составляет массово выпускаемый стеклянный тарельчатый изолятор U120AD, на который особым образом установлена мультикамерная система (МКС) и электроды.(рисунок 4) Такие дополнения не приводят к ухудшению изоляционных свойств изолятора, но благодаря им он приобретает свойства разрядника. МКС установлена по периметру ребра изолятора. Она занимает примерно пять шестых окружности ребра, оставшаяся часть которого занята профилем из силиконовой резины без электродов. От одного из концов мультикамерной системы отходит верхний подводящий электрод, а от другого – нижний отводящий электрод.
     
     
     Рисунок  4 - Изолятор-разрядник мультикамерный
     ИРМК-U120AD-II-УХЛ1
     
     В результате интенсивных работ по усовершенствованию систем молниезащиты ОАО «НПО «Стример» удалось разработать разрядники на классы напряжения 6-35 кВ и выше с так называемой мультикамерной системой (МКС). Предложен также принципиально новый аппарат: изолятор–разрядник с мультикамерной системой (ИРМК), который совмещает в себе свойства изолятора и разрядника одновременно. При использовании ИРМК возможно обеспечить грозозащиту ВЛ любого класса напряжения, так как с увеличением класса напряжения увеличивается число изоляторов в гирлянде и соответственно увеличивается номинальное напряжение и дугогасящая способность гирлянды из ИРМК.
     По конструкции возможны различные изоляторы со свойствами разрядников. Основу ИРМК составляют обычные массово выпускаемые изоляторы (фарфоровые, стеклянные или полимерные), на которых специальным образом установлена МКС. Причём установка МКС не приводит к ухудшению изоляционных свойств изолятора, но благодаря ей он приобретает свойства разрядника. Поэтому в случае применения ИРМК на ВЛ не требуется применения грозозащитного троса. При этом снижается высота, масса и стоимость опор, а также стоимость всей ВЛ в целом и обеспечивается надёжная грозозащита линий, т.е. резко сокращается число отключений линий и уменьшаются ущербы от недоотпуска электроэнергии и эксплуатационные издержки.
     Основным элементом мультикамерных разрядников (РМК) в том числе и ИРМК является мультикамерная система (МКС). Она состоит из большого числа электродов, вмонтированных в профиль из силиконовой резины. Между электродами выполнены отверстия, выходящие наружу профиля. Эти отверстия образуют миниатюрные газоразрядные камеры. При воздействии импульса грозового перенапряжения на разрядник пробиваются промежутки между электродами. Благодаря тому, что разряды между промежуточными электродами происходят внутри камер, объёмы которых весьма малы, при расширении канала создаётся высокое давление, под действием которого каналы искровых разрядов между электродами перемещается к поверхности изоляционного тела и далее - выдуваются наружу в окружающий разрядник воздух. Вследствие удлинения каналов между электродами и возникающего дутья каналы разрядов охлаждаются, суммарное сопротивление всех каналов увеличивается, т.е. общее сопротивление разрядника возрастает, и происходит ограничение импульсного тока грозового перенапряжения (рисунок 5).
     По окончании импульса грозового перенапряжения к разряднику остаётся приложенным напряжение промышленной частоты. Как показали проведённые исследования, в разрядниках с МКС возможны два типа гашения искрового разряда:
     1) при переходе сопровождающего тока 50 Гц через ноль (в дальнейшем такой тип гашения называется «гашением в нуле»);
     2) при снижении мгновенного значения импульса грозового перенапряжения до определённого значения большего или равного мгновенному значению напряжения промышленной частоты, т.е. осуществляется гашение тока импульса грозового перенапряжения без сопровождающего тока сети (в дальнейшем такой тип гашения называется «гашением в импульсе»).
     
     а) 
     б)
     Рисунок 5 - Мультикамерная система (МКС)
     а) схема, поясняющая начальный момент развития разрядов
     1 – профиль из силиконовой резины; 2 – промежуточные электроды;
     3 – дугогасящая камера; 4 – канал разряда
     б) схема, поясняющая завершающий момент развития разрядов;
     Механизм гашения искрового разряда в МКС напоминает механизм гашения дугового разряда в трубчатом разряднике. Существенное отличие состоит в том, что внутри трубчатого разрядника достаточно долго (до 10 мс, т. е. до 10 000 мкс) горит дуга. Она выжигает стенки газогенерирующей трубки, и образовавшиеся от теплового разрушения газы выдувают канал разряда наружу. В случае «гашения в нуле» МКС дуга начинается в дугогасящих камерах, а затем большая её часть выдувается наружу в открытое пространство. Эрозия стенок камер небольшая так как материал камер не газогенерирующий, дутьё образуется просто за счёт расширения канала разряда.
     В случае «гашения в импульсе», длительность которого составляет микросекунды или десятки микросекунд, эрозии практически нет даже после многократных срабатываний МКС [2].
     МКС испытаны на электродинамическую устойчивость импульсами тока с максимальным значением 100-110 кА. Образцы МКС выдержали 10 воздействий указанных импульсов без разрушения.
     При воздействии перенапряжения на ИРМК сначала пробиваются искровые воздушные промежутки, а затем – МКС. Ток грозового перенапряжения протекает от верхнего подводящего электрода через искровой канал воздушного промежутка, затем — по МКС, и далее – также через канал разряда воздушного промежутка, к нижнему отводящему электроду.
     При использовании ИРМК вместо стандартных изоляторов возможно обеспечить молниезащиту ВЛ любого класса напряжения, так как с увеличением класса напряжения увеличивается число изоляторов в гирлянде, и соответственно увеличивается номинальное напряжение и дугогасящая способность гирлянды из ИРМК.
     Применение ИРМК на ВЛ позволяет отказаться от грозозащитного троса. При этом снижается высота, масса и стоимость опор, а также стоимость всей ВЛ в целом, но обеспечивается её надёжная молниезащита.
     
 



     3 ОСОБЕННОСТИ ГАШЕНИЕ ДУГИ В ИМПУЛЬСЕ 
     Гашения дуги, при котором после затухания импульсного тока наблюдается отсутствие развития сопровождающего тока сети. В среднем длительность импульсного тока (до полуспада) не превышает 100 мкс, при этом ввиду отсутствия протекания сопровождающего тока эрозия электродов становится незначительной и не зависит от его величины.
     Данный вид гашения, условно названный гашением дуги в импульсе, наблюдается при испытаниях МКС со сниженной (~(80—50)%) величиной приложенного напряжения.
     	
     Рисунок 6 - Зависимость эффективности гашения дуги в импульсе
     Дальнейшие исследования позволили определить зависимость эффективности гашения дуги в импульсе (т.е. повышение величины приложенного напряжения сети) от увеличения межэлектродного расстояния. Оптимальное соотношение получено при двадцатикратном увеличении длины искровых промежутков по сравнению с МКС предыдущего образца (рисунок 6). Причем повышение эффективности гашения позволило (для ИРМК примерно в четыре раза) уменьшить количество камер и сохранить приемлемые габариты МКС.
     Разработанный принцип, примененный в МКС нового образца, положен в основу нового поколения РМК и ИРМК, основным преимуществом которых является возможность работы в сетях с токами к.з., по крайней мере, до 30 кА без снижения коммутационного ресурса [2].
     

      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
     ЗАКЛЮЧЕНИЕ
     В современной энергосистеме особое внимание уделяется качеству электротехнической продукции и технологиям ее производства, поскольку от него в полной мере зависит бесперебойная и безопасная подача электроэнергии на различные жизненно важные объекты. Важную роль в процессе ее распределения и передачи выполняют изоляторы. 
     Самыми распространенными изоляторами, в настоящее время, являются фарфоровые и стеклянные, причем изоляторов из закаленного стекла в настоящее время выпускают больше, чем фарфоровых. Это поясняется тем, что изоляторы из закаленного стекла имеют ряд преимуществ перед фарфоровыми: 1) технологический процесс их изготовления может быть полностью автоматизирован и механизирован; прозрачность стекла позволяет легко обнаружить при внешнем осмотре различные внутренние дефекты и  мелкие трещины ; 2) использование стеклянных изоляторов позволяет отказаться от проведения в процессе эксплуатации периодических профилактических испытаний гирлянд под напряжением, так как каждое повреждение закаленного стекла приводит к разрушению изолирующей тарелки, которое легко обнаружить при обходе линии электропередачи эксплуатационным персоналом.
     Полимерные изоляторы обладают максимальной механической прочностью, что делает их применение, особенно при ультравысоких напряжениях, используемых в электроэнергетике, весьма перспективными. К числу преимуществ полимерных изоляторов также можно зачислить - простоту и удобство монтажа, высокую устойчивость к атмосферным загрязнениям, гидрофобность, высокую стойкость к перенапряжениям, а также полимерные изоляторы обладают уменьшенным весом (более чем на 90%) по сравнению со стеклянными и фарфоровыми изоляторами. 
     Применение в высоковольтной линии электропередачи изоляторов -разрядников,  позволяет повысить надежность работы линии электропередачи, увеличить длительность срока службы оборудования и снизить затраты на эксплуатацию линии.
     Изолятор-разрядник для грозозащиты элементов электрооборудования или линии электропередачи, содержащий изоляционное тело и мультиэлектродную систему, состоящую, по меньшей мере, из пяти электродов, механически связанных с изоляционным телом и расположенных с возможностью формирования, под воздействием грозового перенапряжения, электрического разряда между смежными электродами, причем электроды расположены внутри изоляционного тела и выходят в разрядные камеры, отличающийся тем, что, по меньшей мере, несколько разрядных камер состоят из двух соединенных между собой частей, причем первые части разрядных камер, в которые выходят электроды, выполнены в виде отверстий в изоляционном теле, а вторые части разрядных камер, связанные с первыми частями, выполнены в виде щелей, выходящих на поверхность изоляционного тела.
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

      Правила устройства электроустановок. 7-е издание. – СПб.: Издательство ДЕАН, 2015. – 704 с
      Молниезащита воздушных линий электропередач./Подпоркин Г.В. – СПб.: ИД «Родная Ладога», 2015. – 176 с.
      Изоляция установок высокого напряжения: учебное пособие / Г. С. Кучинский, В. Е. Кизеветтер, Ю. С. Пинталь. -- М.: Энергоатомиздат, 1987. -- 368 с.
        Верещагин И.П., Калинин А.В. Новые подходы в обеспечении молниезащиты воздушных линий и подстанций. – Новое в российской электроэнергетике, 2004, № 3.

19


.......................