Свойства изоляционных конструкций и характеристики перенапряжений в электроустановках высоких и сверхвысоких напряжений

 

Виды изоляции и их свойства

Надежность, долговечность и высокая экономичность работы электрооборудования электроустановок высоких и сверхвысоких напряжений в значительной степени определяются правильностью решения задачи по взаимному согласованию электрической прочности высоковольтной изоляции этих электроустановок с возможными уровнями, воздействующих на нее в эксплуатации перенапряжений (задачи по координации изоляции). От успешности решения этой задачи с учетом параметров устройств, защищающих изоляцию от перенапряжений, в значительной мере зависит аварийность и эксплуатационная гибкость работы не только самих объектов координации, но и других, связанных с ними электроустановок: электростанций, высоковольтных подстанций и линий электропередачи, высоковольтных электроустановок потребителей электрической энергии.

Изоляция электроустановок высоких и сверхвысоких напряжений может обладать различными изоляционными свойствами. В зависимости от совокупности этих свойств, прежде всего, принято выделять внешнюю (воздушную) и внутреннюю виды изоляций.

К внешней изоляции относят: воздушные промежутки, например, между проводами различных фаз линий электропередачи; внешние поверхности твердых видов изоляции, например, фарфоровых или стеклянных изоляторов; промежутки между контактами разъединителей и т. д.

Основной особенностью внешней высоковольтной изоляции является зависимость ее электрической прочности от атмосферных условий: температуры и влажности воздуха, давления. На электрическую прочность изоляционных конструкций наружной установки существенно влияют также загрязнения их поверхности и атмосферные осадки.

Воздушная изоляция после пробоя, как правило, полностью самовосстанавливается (если снимается напряжение или гасится дуга в месте пробоя).

Внутренняя изоляция, чаще всего, представляет собой комбинацию твердого и жидкого диэлектриков, например, в трансформаторах, или твердого и газообразного диэлектриков, например, в герметизированных распределительных устройствах с элегазовой изоляцией. К внутренней изоляции относят: изоляцию обмоток электрических машин и трансформаторов; изоляцию кабелей; герметизированную изоляцию вводов; изоляцию между контактами выключателей в отключенном состоянии и т. д.

Электрическая прочность внутренней высоковольтной изоляции практически не подвержена влиянию атмосферных условий. Однако ее особенностью является старение, т. е. ухудшение изоляционных свойств в процессе эксплуатации.

Внутренняя изоляция может терять свои изоляционные свойства в результате ее нагрева диэлектрическими потерями в самих изоляционных материалах. При затрудненном теплоотводе, что характерно для изоляций с большой толщиной, такой чрезмерный нагрев может привести к ее тепловому пробою.

Внутренняя изоляция может разрушаться, загрязняться продуктами разложения, терять свои свойства под действием коронных разрядов, возникающих на острых кромках электродов или крепежных деталей, а также под действием частичных разрядов, возникающих в ее изоляционных материалах из-за изменений их температурных режимов в соответствии с изменениями рабочих токов электроустановок.

Повреждение (пробой) твердой или комбинированной внутренней изоляции – явления необратимые, приводящие к выходу из строя электрооборудования.

Внутренние жидкая и газовая изоляции могут самовосстанавливаться. Однако, пробои приводят к ухудшению их характеристик. Вследствие этого во время эксплуатации состояния внутренних жидкой и газовой изоляции должны специально контролироваться с целью выявления развивающихся в них дефектов и предотвращения аварийных отказов электроустановки.

Следует отметить, что в начальной стадии электроэнергетического строительства вплоть до напряжений 220 кВ уровни изоляций высоковольтного электрооборудования электростанций, высоковольтных подстанций и линий электропередачи, а также высоковольтных электроустановок потребителей электроэнергии определялись, в основном, возможными воздействиями на них атмосферных перенапряжений. Причина этого заключалась в том, что для ограничения атмосферных перенапряжений до экономически приемлемых значений в то время применялись трубчатые и упрощенные вентильные разрядники без магнитного гашения дуги сопровождающего тока, защитные параметры которых лежали выше возможных повышений напряжений при внутренних перенапряжениях. Последним, в связи с этим, уделялось мало внимания. Поэтому идея координации изоляции в электроэнергетических установках опиралась на импульсные характеристики изоляции электрооборудования, а классы изоляции определялись выдерживаемыми напряжениями при полной и срезанной грозовых волнах.

Введение в вентильных разрядниках магнитного гашения дуги сопровождающего тока позволило значительно увеличить этот ток и полнее использовать резервы теплостойкости вентильных масс их нелинейных активных сопротивлений, что привело к резкому улучшению защитных параметров разрядников и к возможности снижения импульсных характеристик изоляции. Уже это обстоятельство сблизило требования к изоляции со стороны атмосферных и внутренних перенапряжений.

В дальнейшем, с ростом применяемых в электроэнергетике напряжений и разработкой высоконелинейных ограничителей перенапряжений типа ОПН значимость учета величин внутренних перенапряжений при выборе уровней импульсной прочности изоляции высоковольтных электроустановок возросла. Так уже при напряжениях 330 кВ при выборе уровней изоляции электрооборудования и параметров защитных аппаратов, в том числе ограничителей перенапряжений, в равной мере учтены как атмосферные, так и внутренние перенапряжения. А при разработке характеристик изоляции и защитных аппаратов для линий электропередачи 500-1150 кВ определяющим фактором стал учет внутренних перенапряжений. Причем, в ряде случаев оказалось, что наибольшего эффекта ограничения перенапряжений в этих электроустановках можно добиться только при обязательном применении не только ОПН, но и специализированных компенсирующих устройств, таких как реакторы поперечной компенсации реактивной мощности линий электропередачи.