РАСПРЕДЕЛЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ ПО ГИРЛЯНДЕ ИЗОЛЯТОРОВ

Переменное и импульсное напряжения распределяется по изоляторам гирлянды неравномерно. С увеличением числа изоляторов в гирлянде неравномерность возрастает. Если не принять специальных мер, то на линиях высокого напряжения (220 кВ и более) часть изоляторов в гирляндах может оказаться под таким напряжением, что на этих изоляторах уже при рабочем напряжении и нормальных атмосферных условиях возникнет корона. Она является источником радиопомех и причиной коррозии арматуры, вызывает дополнительные потери энергии.

Распределение напряжения по изоляторам гирлянды (рис. 3.1) можно определить с помощью её схемы замещения (см. рис. 3.1, б). На этой схеме С ₀ – собственные емкости изоляторов; С ₁ – емкости металлических элементов изоляторов относительно заземленных частей сооружения (опоры, заземленных тросов и т. д.); С ₂ – емкости этих же элементов относительно частей установки, находящихся под напряжением (проводов, арматуры); R ₀ – сопротивление утечки по поверхности изоляторов.

Обычно гирлянды комплектуются из однотипных изоляторов, собственные емкости которых C ₀ = 30…70 пФ имеют одинаковую величину. При чистой и сухой поверхности изоляторов R ₀>>1/ω C ₀. Поэтому распределение напряжения зависит только от емкостей C ₀, C ₁, и C ₂. Если бы емкости C ₁ и C ₂ отсутствовали, напряжение распределялось по изоляторам равномерно. В реальных условиях C ₁ = 4…5 пФ и C ₂ = 0,5…1,0 пФ. Вследствие этого величины токов, протекающих через собственные емкости изоляторов C ₀, а значит и напряжения на изоляторах, оказываются неодинаковыми.

Рассмотрим различие между токами изоляторов на примере двух соседних элементов(первого и второго, считая от провода (см. рис. 3.1, в)). С одной стороны, часть тока I ₁первого элемента гирлянды идет через емкость C ₁на землю (ток I ₁₁), тем самым уменьшая ток I ₂, идущий по второму изолятору.С другой стороны, через ёмкость C₂ от провода подходит ток I ₂₁,который увеличивает ток I ₂,тем самым в той или иной степени, компенсируя ток I ₁₁, уходящий на землю. Поэтому ток во втором изоляторе находится как

I ₂ = I ₁ – I ₁₁ + I ₂₁.

Из этого выражения следует, что соотношение между токами I ₁ и I ₂ зависит от того, какой из токов I ₁₁ или I ₂₁ окажется больше. Поскольку действующее значение переменного тока через ёмкость I = ω C∙U, то величина тока будет расти с увеличением как ёмкости, так и прикладываемого напряжения. Соответственно, токи через ёмкости C ₁ и C ₂ первого изолятора находятся по выражениям:

I ₁₁ = ω C ₁ ∙U ₁₁;

I ₂₁ = ω C ₂ ∙U ₂₁.

Величина напряжения U ₂₁ равна падению напряжения на первом изоляторе ∆ U ₁, а U ₁₁ – сумме падений напряжения на всех остальных элементах гирлянды (см. рис. 3.1, б и в). Очевидно, что для первого изолятора U ₁₁ > U ₂₁, т. к. в противном случае больше половины напряжения гирлянды оказывалось бы приложенным только к первому изолятору со всеми вытекающими последствиями. Полагая, что для изоляторов гирлянды ёмкости C ₁ и C ₂ не меняются, т. е. для любого изолятора справедливо соотношение C ₁ > C ₂, можно сделать однозначное заключение о соотношении токов в этих емкостях для первого изолятора: I ₁₁ > I ₂₁. Это означает, что I ₁ > I ₂, а значит и падение напряжения на первом изоляторе ∆ U ₁ будет больше, чем падение напряжения на втором изоляторе ∆ U ₂.

Рис. 3.1. Гирлянда изоляторов (а) и её схема замещения (б) с выделенным участком, включающим первый и второй изоляторы (в)

Проводя подобный анализ для последующих элементов гирлянды, можно придти к выводу, что чем дальше находится от провода изолятор, тем меньший ток I_i протекает через его собственную ёмкость C ₀, а значит и меньшее напряжение ∆ U_i оказывается приложенным к этому изолятору. При этом разница между величинами напряжений на соседних изоляторах постепенно уменьшается, поскольку величина тока I_{i 1}, оттекающего на землю через ёмкость C ₁, будет снижаться, а величина тока I_{i 2}, подтекающего к гирлянде от провода по ёмкости C ₂, – увеличиваться. Эти изменения токов объясняются тем, что по мере удаления от провода уменьшаются напряжения на ёмкостях C ₁ и, наоборот, увеличиваются напряжения на ёмкостях C ₂. В свою очередь, вышеуказанное изменение токов I _i1 и I _i2 может привести к тому, что на последних элементах гирлянды, расположенных близко к заземлённым частям, будет наблюдаться некоторое увеличение тока I_i и, соответственно, падения напряжения ∆ U_i.

На рис. 3.2 показаны кривые распределения напряжения по элементам гирлянды, состоящей из десяти изоляторов. Типичная картина распределения напряжения (кривая 1), наблюдаемая в реальной обстановке и полностью соответствующая приведённому выше анализу, свидетельствует о том, что ближайшие к проводу элементы гирлянды работают в более тяжёлых условиях, чем остальные. Наименьшее напряжение приходится на изоляторы, находящиеся примерно в середине гирлянды, и немного повышенное – на изоляторы у заземлённого конца. Выравниванию распределения напряжения вдоль гирлянды способствует применение специальной арматуры в виде колец, «восьмерок» и «овалов», которые укрепляются в месте подвески провода и соединяются с ним. Установка такой арматуры, во-первых, приводит к увеличению собственной емкости С ₀ ближайшего к проводу изолятора. Тем самым уменьшается падение напряжения на этом,

Рис. 3.2. Кривые распределения напряжения по гирлянде изоляторов без выравнивающей арматуры (кривая 1) и при её использовании (кривая 2)

наиболее загруженном по напряжению изоляторе. Во-вторых, увеличиваются ёмкости C ₂ всех изоляторов относительно провода, что вызывает некоторое уменьшение токов через собственные ёмкости ближайших к проводу изоляторов (за счёт шунтирующего эффекта) и, наоборот, увеличение токов в последующих элементах гирлянды (за счёт усиления эффекта подпитки). В результате напряжения на близких к проводу изоляторах заметно снижаются, а на более удалённых – возрастают. В целом распределение напряжения по элементам гирлянды становится более равномерным (см. рис. 3.2, кривая 2), что в конечном итоге позволяет уменьшить число изоляторов и массогабаритные показатели гирлянды.

При сильном загрязнении и увлажнении поверхностей изоляторов R ₀<<1/ω C, поэтому распределение напряжений вдоль гирлянды определяется главным образом сопротивлениями утечки. Если изоляторы гирлянды загрязнены и увлажнены одинаково и равномерно по всей поверхности, то происходит выравнивание распределения напряжения, сопровождающееся заметным увеличением тока утечки и снижением разрядного напряжения по поверхности.

При резком понижении сопротивления изоляции отдельных элементов гирлянды происходит перераспределение напряжения по всей конструкции. Поэтому для контроля состояния изоляторов под воздействием рабочего напряжения можно проводить измерение распределения напряжения с последующим его сравнением с распределением, полученным при нормальном состоянии всех изоляторов гирлянды.

 

Вопросы и задания для самоподготовки

1. От чего зависит распределение напряжения вдоль гирлянды при неизменном рабочем напряжении? Изобразить кривую распределения напряжения и пояснить её вид.

2. Как и почему будет влиять увеличение собственной емкости изоляторов на распределение напряжения вдоль гирлянды?

3. Как и почему изменится воздействующее на первый от провода изолятор напряжение ∆ U ₁ при увеличении рабочего напряжения гирлянды? Какие меры применяют для уменьшения Δ U ₁?

4. Пояснить механизм выравнивания распределения напряжения по гирлянде при использовании дополнительной арматуры.

5. Как и почему меняется распределение напряжения по гирлянде изоляторов при нарушении изоляции (пробое) одного из элементов?

6. Каковы особенности и области применения подвесных тарельчатых и стержневых изоляторов?