Диагностирование внешней изоляции

По своему назначению изоляторы делятся на опорные, подвесные и проходные. Опорные изоляторы в свою очередь подразделяются на стержневые и штыревые, а подвесные – на изоляторы тарельчатого типа и стержневые.

Опорно-стержневые изоляторы применяют в закрытых и открытых распределительных устройствах для крепления на них токоведущих шин или контактных деталей. Изоляторы внутренней установки конструктивно представляют собой фарфоровое тело, армированное крепежными металлическими деталями. Арматура одновременно является внутренним экраном, с помощью которого снижается напряженность поля у края электрода, где она максимальна.

Ребро на теле изолятора играет роль барьера, заставляя разряд развиваться под углом к силовым линиям поля, т. е. по пути с меньшей напряженностью. Внутренний экран и ребро существенно увеличивают разрядное напряжение изолятора.

Опорно-стержневые изоляторы наружной установки отличаются большим количеством ребер, чем изоляторы внутренней установки. Ребра служат для увеличения длины пути утечки с целью повышения разрядных напряжений изоляторов под дождем и в условиях увлажненных загрязнений. Изоляторы на напряжения 35–110 кВ состоят из сплошного фарфорового стержня, армированного чугунными фланцами. Обозначение, например, ОНС-35-2000 расшифровывается следующим образом: опорный, наружной установки, стержневой на 35 кВ, с минимальной разрушающей силой 2000 даН.

Опорно-штыревые изоляторы применяют для наружных установок в тех случаях, когда требуется высокая механическая прочность и опорно-стержневые изоляторы применены быть не могут. Изолирующая деталь опорных штыревых изоляторов на напряжения 6–10 кВ выполняется одноэлементной, а на напряжение 35 кВ – двух- или трехэлементной.

В установках напряжением 110 кВ и выше используются колонки, состоящие из нескольких установленных друг на друга опорно-штыревых изоляторов на напряжение 35 кВ. В обозначение изоляторов введена буква Ш (штыревой).

Штыревые линейные изоляторы на напряжение 6–10 кВ состоят из фарфоровой или стеклянной изолирующей детали, в которую ввертывается металлический крюк или штырь (рис. 1).

Рис. 1. Штыревой линейный изолятор на напряжение 10 кВ

Крюк служит для закрепления изолятора на опоре. Провод укладывается в бороздки на верхней или боковой поверхности изолятора и крепится посредством проволочной вязки или специальных зажимов. На напряжение 35 кВ изоляторы выполняются из двух склеенных между собой изолирующих деталей, что увеличивает их электрическую и механическую прочность. Обозначение штыревых линейных изоляторов, например ШФ6, означает: штыревой фарфоровый на 6 кВ. Буква С в обозначении (ШС) указывает на то, что изолятор стеклянный.

Подвесные изоляторы тарельчатого типа широко применяются на воздушных линиях электропередачи 35 кВ и выше. Они состоят из изолирующей детали (стеклянной или фарфоровой), на которой при помощи цемента укрепляется металлическая арматура – шапка и стержень (рис. 2).

Рис. 2. Подвесной изолятор тарельчатого типа

Рис.3. Стержневой полимерный изолятор ЛК-70/35-3.

Требуемый уровень выдерживаемых напряжений достигается соединением необходимого количества изоляторов в гирлянду. Это осуществляется путем введения головки стержня в гнездо на шапке другого изолятора и закрепления его замком. Гирлянды благодаря шарнирному соединению изоляторов работают только на растяжение. Однако изоляторы сконструированы так, что внешнее растягивающее усилие создает в изоляционном теле в основном напряжения сжатия. Тем самым используется высокая прочность фарфора и стекла на сжатие.

У фарфорового изолятора наружная и внутренняя поверхности головки (средней части изолирующей детали) покрывают фарфоровой крошкой, которая при обжиге спекается с фарфором. Это обеспечивает прочное сцепление цементной связки с головкой. Для компенсации температурных расширений цементной связки применяют эластичные промазки, которыми покрывают все элементы изолятора, соприкасающиеся с цементом. В стеклянных изоляторах внутренняя и наружная поверхности головки имеют опорные выступы, что обеспечивает лучшее распределение усилий в изоляторе.

Верхняя часть тарелки подвесного тарельчатого изолятора имеет гладкую поверхность, наклоненную под углом 5–10° к горизонтали, что обеспечивает стекание воды во время дождя. Нижняя поверхность тарелки для увеличения длины пути утечки выполняется ребристой.

Наиболее частой причиной отказа тарельчатых изоляторов является пробой фарфора (стекла) между шапкой и стержнем, однако механическая прочность изолятора при этом не нарушается и падения провода на землю не происходит. Это является существенным достоинством тарельчатых изоляторов.

Электромеханическая прочность изолятора – величина разрушающей механической силы при приложении к изолятору напряжения, равного 75–80% разрядного напряжения в сухом состоянии.

Подвесные стержневые изоляторы представляют собой стержень из изолирующего материала с выступающими на нем ребрами, армированный с обоих концов металлическими шапками. Эти изоляторы, как правило, выполняются из электротехнического фарфора. Однако в последнее время начат выпуск стержневых полимерных изоляторов. Стержневые изоляторы из фарфора не нашли широкого применения вследствие сравнительно невысокой механической прочности, а также возможности полного разрушения с падением провода на землю.

Проходные изоляторы применяются для изоляции токоведущих частей при прохождении их через стены, потолки и другие элементы конструкций распределительных устройств и аппаратов. Проходной изолятор в самом простом случае состоит из полого фарфорового элемента, внутри которого проходит токоведущий стержень (шина), и фланца (рис. 4), для механического крепления изолятора к конструкции, через которую осуществляется ввод напряжения. Проходные изоляторы, предназначенные для наружной установки, имеют более развитую поверхность той части изолятора, которая располагается вне помещения.

Проходные аппаратные изоляторы (вводы) на напряжения 110 кВ и выше имеют значительно более сложную конструкцию и рассматриваются в разделе электрического аппарата.

При эксплуатации элементов внешней изоляции происходит ухудшение их свойств из-за повышенного нагрева за счет диэлектрических потерь, токов утечки, потерь на переходном сопротивление контактов и т.п.

Рис. 4 Проходной изолятор на напряжение 35 кВ для внутренней установки.

Эквивалентная схема замещения внешней изоляции элементов электроустановок (ЭУ) показана на рис 5.

Рис. 5. Электрическая схема замещения внешней изоляции:

U – приложенное напряжение; С₁ – геометрическая емкость изоляции; С₀….С_n – емкость отдельных элементов изоляции; r – сопротивление дефектного изолятора; S₁ – эквивалентный искровой промежуток дефектного изолятора; C₂ и R – абсорбционная ветвь изолятора;
R₁ – сопротивление изоляции постоянному току; S₀ – эквивалентный пробивному напряжению искровой промежуток; S и R₁ – сопротивление изоляции постоянному току.

Проводя оценку изоляции по ветвям, можно определить:

сопротивление изоляции R_изб из ветвей 1 и 4; ток проводимости I_пр из ветвей 1 и 4; коэффициент абсорбции К_абс из ветви 3; распределение напряжения вдоль изоляционных элементов из ветви 2; частичные разряды из ветви 2; повышение напряжения из ветви 5.

Рассмотрим каждую ветвь в отдельности.

Первая ветвь, содержащая емкость С₁, характеризует геометрическую емкость изоляции и обуславливает зарядный ток.

Вторая ветвь, характерная для многоэлементных изоляционных конструкций, содержит емкости отдельных элементов С₀…С_n , где i = 0…n . На примере емкости C₀ поясняется наличие в многоэлементных колонках или натяжных гирляндах изоляторов на анкерных опорах дефектного элемента. Дефект в изоляторе характеризуется разрядным промежутком S₁ или сопротивлением изоляции r. Эта ветвь позволяет определять распределение напряжения по элементам изоляции, а также при возникновении разрядных процессов в промежутке S₁ регистрировать параметры частичных разрядов (ВЧЭМИ).

Третья ветвь, содержащая емкость С₂ и сопротивление R, характеризует степень неоднородности изоляции, наличие воздушных полостей, трещин, увлажнений, загрязнений и т.п. Эта ветвь определяет начальное значение и постоянную времени спадания тока абсорбции, а также емкость и диэлектрические потери в изоляции при переменном токе.

Четвертая ветвь, содержащая сопротивление R₁, определяет сопротивление изоляции постоянному току и току сквозной проводимости (ток утечки).

Методы и средства диагностирования способны контролировать ту или иную ветвь в электрической схеме внешней изоляции. Например, измерение сопротивления изоляции или тока проводимости позволяет контролировать ветвь изоляции, содержащую сопротивления R₁ или r, а с учетом абсорбционной зависимости тока - также ветвь с емкостью С₂ и сопротивлением R. Изменение распределения напряжения по отдельным изоляторам проверяется измерением емкостей С₀…С_n. Наличие промежутка S₁ позволяет регистрировать возникающие в изоляции ВЧЭМИ.

Для диагностирования состояния внешней изоляции используются следующие методы:

1. измерение распределения напряжения;

2. регистрация инфракрасного излучения (ИК, тепловизионный метод);

3. измерение сопротивления изоляции;

4. измерение тока утечки (проводимость);

5. измерение характеристик частичных разрядов (ЧР);

6. измерение оптического излучения по поверхности изоляции;

7. регистрация высокочастотного электромагнитного излучения (ВЧЭМИ).

8. Вибродигностика