Цель: освоение методики расчета изоляции воздушных линий электропередач.
Знания и умения, приобретаемые студентом при выполнении практического занятия: порядок расчета изоляции воздушных линий, навык практического расчета числа изоляторов в гирлянде воздушной линии электропередач
В результате выполнения практического занятия у студента формируются компетенции ПК-3 (способностью принимать участие в проектировании объектов профессиональной деятельности в соответствии с техническим заданием и нормативно-технической документацией, соблюдая различные технические, энергоэффективные и экологические требования).
Актуальность практического занятия обусловлена необходимостью студентов обладать навыками расчета изоляции воздушных линий электропередач.
Теоретическая часть
Линии электропередачи монтируются на металлических, железобетонных, деревянных и смешанного типа опорах. В отношении изоляционных характеристик металлические и железобетонные опоры равноценны, поэтому в дальнейшем под металлическими опорами будут подразумеваться также железобетонные. Линии сверхвысокого напряжения – СВН (330 кВ и выше) строятся почти исключительно на металлических опорах. Для линий 110 кВ и ниже также широко раньше применялось дерево. Изоляция линий на деревянных опорах рассматривается отдельно.
На линиях СВН наиболее распространены портальные опоры с горизонтальным расположением проводов. Схема расположения проводов и изоляции на опорах показана на рисунок 7.1
Изоляция на опорах состоит из гирлянд изоляторов, поддерживающих провода, и промежутков s 1 между проводами и телом опоры или оттяжками. В пролете изоляция определяется воздушными промежутками s 2 между фазами и s 3 между фазой и землей. Промежуток s3 обычно минимален в середине пролета. Обычно на линиях с металлическими опорами подвешивается грозозащитный трос. Воздушный промежуток s 4 между проводом и тросом также определяет изоляцию линии. При этом в расчет принимается величина промежутка s 4 в середине пролета, где амплитуда атмосферных перенапряжений оказывается наибольшей.
Рисунок 7.1 – Схематическое изображение линии на портальных опорах.
Выбор промежутков s 2, s 3 и s 4 диктуется не только соображениями изоляции. Например, величина промежутка s 2 определяется также условиями безопасности при подъеме человека по стойке опоры для проведения ремонта под напряжением и условиями схлестывания проводов в пролете при несинхронном их качании. Промежутки s4 между проводами и тросами (по вертикали) должны удовлетворять условиям изоляции, грозозащиты и, кроме того, иметь достаточную величину для предотвращения схлестывания проводов и тросов при сбросе гололеда и пляске проводов. Промежуток s3 на линиях до 500 кВ включительно выбирается с учетом возможного проезда транспорта под линией. Нормируемые ПУЭ минимальные значения промежутков s 2, s 3, s 4 установлены на основе длительного опыта эксплуатации линий.
Изоляция на опорах выбирается исходя из воздействующих напряжений. При выборе промежутка s 1 учитывается отклонение провода под действием ветра. Следует отметить, что выбор промежутка s 2 накладывает ограничение и на выбор s 1 так как из рисунка следует, что s2 = 2 s 1 + 2 lГ sin β +Δ, где lГ — длина гирлянды; β — угол ее отклонения ветром; Δ —толщина стойки опоры.
На линиях напряжением до 220 кВ наиболее распространены одностоечные опоры с вертикальным расположением проводов. В этих случаях следует брать в расчет также изоляционные промежутки между проводом и нижней траверсой и габарит между проводами в пролете.
В конструктивном отношении линейные изоляторы подразделяются на штыревые и подвесные. Штыревые изоляторы обычно применяются на линиях до 10 кВ и в более редких случаях – на линиях 20 – 35 кв. Подвесные изоляторы обычно применяются на линиях 35 кВ и выше и иногда на линиях более низкого напряжения.
Типовая конструкция тарельчатых изоляторов с конусной головкой показана на рисунке 3.2
Рисунок 7.2 – Линейный подвесной фарфоровый изолятор типа ПФЕ-4,5.
В последние годы широкое распространение находят изоляторы типа ПС из закаленного стекла. Цифра в названии изолятора указывает его испытательную одночасовую электромеханическую нагрузку в тоннах.
Одиночные подвесные изоляторы применяются только на линиях до 10 кв включительно. На более высоких напряжениях подвесные изоляторы соединяются в гирлянды.
Строительная высота гирлянды
lГ = hn, (7.1)
где h – строительная высота изолятора;
n – число элементов (изоляторов) в гирлянде.
Благодаря шарнирному соединению изоляторов вся гирлянда приобретает гибкость, которая способствует снижению нагрузок на изоляторы при значительных ветровых отклонениях и обрывах проводов.
Разрядные характеристики воздушных промежутков. На рисунке 7.3 приведены разрядные характеристики типовых воздушных промежутков линий электропередачи при коммутационных импульсах. На опоре промежутком, определяющим уровень изоляции линии, является промежуток s 1 провод – стойка опоры при отклоненной под действием ветра гирлянде (рисунок 3.1). У гирлянд СВН, снабженных защитной арматурой, промежуток s 1 образован арматурой и стойкой опоры или траверсой. Указанный промежуток по симметрии электродов занимает среднее положение между крайними типами стержень – стержень и стержень – плоскость. Поэтому кривая разрядных напряжений для него также занимает среднее положение (кривая 3 на рисунке 3.3).
В пролете уровень изоляции линии определяется промежутками провод – провод s 2 и провод – земля s 3 (рисунок 7.1). Промежуток провод – провод симметричен, и для него действительна кривая 1. Разрядное напряжение промежутка провод – земля определяется по кривой 4. При оценке необходимых в отношении уровня изоляции габаритов линии следует считаться с появлением в пролете возвышающихся предметов (комбайнов, автомашин и пр.). В качестве расчетного в этом случае принимается промежуток провод – стержень, возвышающийся над землей на 4 м (кривая 5).
Рисунок 7.3 – Кривые средних разрядных напряжений UР воздушных промежутков на линиях.
Кривые UР = f (s) на рисунке 7.3 определяют 50%-ные разрядные напряжения при коммутационных импульсах, которые близки к значениям разрядных напряжений на промышленной частоте. В то же время при коммутационных импульсах наблюдается существенный разброс разрядных напряжений, вследствие которого с вероятностью порядка 0,025 можно ожидать снижения разрядных напряжений до 0,85 UР.
Сухоразрядные и мокроразрядные характеристики гирлянд изоляторов. Для разряда по гирлянде могут быть намечены три возможных пути (рисунок 3.4); путь вдоль всех изгибов фарфорового тела изоляторов 1, кратчайший путь между шапками изоляторов 2 и кратчайший для всей гирлянды путь 3. Направление развития канала разряда зависит от предразрядного тока и частоты воздействующего напряжения.
На частотах порядка десятков и сотен герц и при сухой поверхности гирлянды разряд развивается только по путям 2 или 3 в зависимости от отношения длины пути утечки lУТ к высоте изолятора h. Опыт показал, что если lУТ / h ≥1.3, разряд развивается на пути 3, т.е. целиком по воздуху. При меньшем отношении lУТ / h более слабым участком оказывается путь 2. При заданной длине гирлянды путь 3 соответствует максимально возможному сухоразрядному напряжению. Поэтому при конструировании изоляторов стремятся соблюсти условие lУТ / h ≥1.3 путем увеличения диаметра тарелки или, что более экономично, путем снижения диаметра шапки изолятора. Условие lУТ / h ≥1.3 соблюдается для современных изоляторов, поэтому сухоразрядное напряжение гирлянды практически полностью определяется разрядным напряжением воздушного промежутка 3 и не зависит от типа изоляторов. Значения сухоразрядного напряжения гирлянд в зависимости от их строительной длины приведены на рисунок 7.5 На опорах портального типа с большей площадью металлических конструкций разрядное напряжение гирлянд снижается. При наличии арматуры длина lУТ берется равной промежутку в свету между арматурой и траверсой. Кривые на рисунке 7.5 относятся к поддерживающим гирляндам. Разрядные напряжения натяжных гирлянд повышаются примерно на 10%.
Рисунок 7.4 – Возможные путиперекрытия гирлянды изоляторов.
Рисунок 7.5 – Сухоразрядные напряжения поддерживающих гирлянд изоляторов в функции строительной длины. 1 — гирлянды без защитной арматуры ВЛ до 220 кВ; 2– гирлянды с защитной арматурой ВЛ 330—750 кВ.
При дожде путь разряда прилегает к поверхности фарфора значительно плотнее. На относительно коротких гирляндах разряд развивается по пути 1 (рисунок 7.4); на более длинных гирляндах (110 кВ и выше) он приближается к пути 2. Распределение напряжения по изоляторам при дожде почти равномерно, вследствие чего мокроразрядное напряжение гирлянды UМР пропорционально числу изоляторов n:
UМР = EМРnh, (7.2)
где ЕМР – мокроразрядный градиент, усредненное значение которого указывается в документации на изоляторы.
При воздействии коммутационных импульсов сухоразрядное напряжение гирлянд практически не отличается от измеренного на промышленной частоте, лишь у длинных гирлянд отмечено небольшое увеличение UСР. Мокроразрядное же напряжение на коммутационных волнах может заметно превышать определенное на промышленной частоте.
Импульсную прочность воздушных промежутков на линиях электропередачи вычисляют по кривым разрядных напряжений промежутков стержень – стержень либо стержень – плоскость. При этом промежутки провод – опора, провод – земля уподобляют промежутку стержень – плоскость, а промежутки провод – провод, провод – трос – промежутку стержень — стержень.
Рисунок 7.6 – 50%-ные импульсные разрядные напряжения. — для гирлянд без защитной арматуры (при положительной и отрицательной полярности) для изоляторов типа П (кривая 1) и малогабаритных изоляторов типа ПМ, ПС, ПФЕ (кривая 2); 3,4 — для гирлянд с защитной арматурой с изоляторами всех типов при положительной полярности (кривая 3)и отрицательной полярности (кривая 4).
При воздействии полной импульсной волны на гирлянду изоляторов канал перекрытия развивается по пути 3 (рисунок 7.4). Поэтому тип изолятора оказывает незначительное влияние на величину 50%-ного импульсного разрядного напряжения, которое в основном определяется длиной гирлянды (рисунок 7.6). При малых временах воздействия (tР ≈2 мксек и менее) канал разряда развивается по путям 2 и 1, вследствие чего тип изолятора оказывает заметное влияние на разрядное напряжение гирлянды. Заметим, что перекрытие по пути 1 иногда удается обнаружить по характерным пятнам ожога всех изоляторов дугой, возникающей по следу импульсного перекрытия. Это наблюдение позволяет сделать вывод о грозовом перекрытии гирлянды при воздействии волны с крутым фронтом (малые tР).
Давление ветра на провода линии вызывает отклонение гирлянды, вследствие которого провод приближается к стойке опоры. В результате изоляционный промежуток s1 (рисунок 7.1) оказывается значительно меньше половины расстояния между фазами линии. Ветер оказывает, таким образом, существенное влияние на выбор междуфазного габарита опоры.
Давление ветра на провод зависит от его диаметра, наличия и толщины стенки гололеда и скорости ветра. Скорость ветра и гололедные отложения являются статистическими величинами, которые можно характеризовать кривыми распределения для каждого географического района. Имеющиеся сейчас сведения, однако, недостаточны для построения статистических характеристик этих факторов, вследствие чего учет совместного действия гололеда, ветра и возможных воздействий напряжения производится очень приближенно – на основе длительного успешного эксплуатационного опыта. Максимальные измерения на линии скорости ветра могут, очевидно, сочетаться с длительным воздействием рабочего напряжения. Поэтому при определении размеров опоры по воздействию рабочего напряжения в качестве расчетной принимают так называемую максимальную скорость ветра vM, наблюдаемую на трассе линии с повторяемостью примерно 1 раз в 10 лет.
Ветер и коммутационное перенапряжение в сети являются независимыми статистическими событиями, и потому не следует принимать в расчет одновременность воздействия практически максимальных, так называемых расчетных внутренних перенапряжений и максимальной скорости ветра. Более целесообразно в расчетах изоляции по коммутационным перенапряжениям расчетные внутренние перенапряжения сочетать со скоростью ветра порядка 0,4 vM.
При грозах скорость ветра обычно невелика. В качестве расчетной принимается скорость v = 10 м/сек.
В настоящее время установилась практика выбора изоляции линий электропередачи по коммутационным перенапряжениям и максимальному рабочему напряжению. Необходимый уровень грозоупорности линий устанавливается не путем усиления изоляции, а путем защиты линий хорошо заземленными тросами.
Коммутационные перенапряжения UK задаются расчетной кратностью k по отношению к амплитудному значению фазового рабочего напряжения UФ:
(7.3)
Кратность коммутационных перенапряжений зависит от режима нейтрали в системе, свойств электропередачи, в частности ее длины и резонансных характеристик, свойств выключателей, наличия реакторов и продольной компенсации, характеристик разрядников и других факторов. Процесс развития коммутационных перенапряжений и их ограничение будут подробно изучаться во второй части учебного пособия. Здесь же приведем лишь значения расчетных кратностей k для сетей разных напряжений: при UH =35 кВ k =3,5;при UH =110-200 кВ k =3,0; при UH =330 кВ k =2,7; при UH =500 кВ k =2,5; при UH =750 кВ k =2,1.
При выборе линейной изоляции по коммутационным перенапряжениям используются средние разрядные характеристики изоляции. Известно, что разряд при коммутационных импульсах имеет значительный статистический разброс, характеризуемый величиной σ. Поэтому вводится понятие о выдерживаемом напряжении, которое должно быть ниже нижнего предела кривой распределения разрядного напряжения. Количественно переход от 
к выдерживаемому напряжению осуществляется умножением на коэффициент kσ = 1-2σ≈0.85.
В современной проектной практике используется следующая методика выбора линейной изоляции.
а) По значению UН определяют необходимое среднее мокроразрядное напряжение гирлянды UМР:
(7.4)
где kР — поправка на возможное отличие давления от стандартного;
kγ —поправка на возможную загрязненность поверхности изолятора и отличие электропроводности и интенсивности дождя от стандартных;
kτ – коэффициент импульса.
В проектных разработках обычно принимают kγ =1.1. Величина kτ определяется по формуле (7.3). В среднем можно принять следующие значения kτ для различных номинальных напряжений ВЛ:
Таблица 7.1 – Выбор коэффициента импульса в зависмости от номинального напряжения линии
| UН, кВ | 110 — 154 | 220 — 330 | 750 и выше | |
| kτ | 1,15 | 1,1 1 | 1,05 |
Величина kP для наибольшей высоты 1 000 м над уровнем моря kP =0,94; для 500 м kP = 0,96.
б) По значению UМР с помощью формулы (7.2) определяют необходимое число изоляторов в гирлянде
в) Для учета возможности образования в поддерживающей гирлянде дефектных (нулевых) изоляторов вычисленное значение n увеличивается на один элемент для линий 35—330 кВ и на два элемента для линий 500—750 кВ.
г) Найденное полное число изоляторов в гирлянде N проверяют на длину пути утечки при рабочем напряжении.
Длина пути утечки изоляторов lУТ указана в технической документации на изоляторы, а допустимые удельные длины λут для разных районов загрязнения атмосферы приведены в таблице 3.2. Заметим, что в нормированных значениях λут учтена возможность появления дефектного изолятора в гирлянде.
Таблица 7.2 – Нормируемая длина пути утечки в зависимости от загрязненности атмосферы.
| Степень загрязнения | λут, см/кВ (не менее), при номинальном напряжении, кВ | |
| до 35 включительно | 110-750 | |
| 1,90 | 1,60 | |
| 2,35 | 2,00 | |
| 3,00 | 2,50 | |
| 3,50 | 3,10 |
Если полученная удельная длина пути утечки будет незначительно уступать допустимой, число изоляторов N следует соответственно увеличить; если же отличие lУТ от λут значительно, целесообразно перейти к использованию специальных грязестойких изоляторов, имеющих резко увеличенную длину пути утечки.
д) Определяется величина минимального изоляционного промежутка провод (либо арматура) – опора s 1 необходимая по условию воздействия рабочего напряжения. Для этого вычисляется расчетное значение среднего разрядного напряжения промежутка:
(7.5)
где 
– поправка на отличие плотности и влажности воздуха от стандартных. Величина принимается по данным рис. 3.6 для вероятности около 5%. В частности, для высоты до 1 000 м над уровнем моря =0,84, для 500 м — 0,89.
По найденному значению 
и кривой на рисунке 3.5 вычисляется необходимый изоляционный промежуток s 1.
е) Определяется величина изоляционного промежутка s 1k, необходимая по условию воздействия коммутационных перенапряжений. Расчетное значение UP.K равно:
(7.6)
По найденному значению UP.K и кривой на рисунке 7.6 определяется необходимый изоляционный промежуток s 1. K.
ж) Осуществляется координация импульсной прочности промежутка провод – опора и гирлянды. В основу координации кладется требование об их импульсной равнопрочности. Импульсное 50%-ное разрядное напряжение выбранной гирлянды (с учетом всех изоляторов в гирлянде) определяется по рисунку 7.6. По найденному значению разрядного напряжения и кривым зависимости разрядного напряжения от расстояния между электродами различной формы для промышленной частоты, определяется необходимый изоляционный промежуток s1И.
Задания
1. По описанной методике рассчитать изоляцию линии 330 кВ на железобетонной опоре с оттяжками. Предполагается применить гирлянды изоляторов ПС-120Б. Район загрязнения – первый. Высота трассы до 1 000 м над уровнем моря.
По формуле (7.3) определяем расчетное значение коммутационных перенапряжений:
кВ (7.7)
По формуле (7.4) находим среднее мокроразрядное напряжение гирлянды (для ВЛ 330 кВ kτ =1):
кВ (7.8)
Используя справочные данные, с помощью формулы (7.2) определяем необходимое число изоляторов П-8,5 в гирлянде 330 кВ:
шт. (7.9)
Прибавив один запасной элемент, определяем полное число изоляторов П-8,5 в поддерживающей и натяжной гирлянде:
N = n +1=15 шт. (7.10)
Вычисленное число изоляторов N проверяем на достаточность обеспечиваемой им удельной длины пути утечки:
см/кВдейств (7.11)
что превышает норматив, установленный для первого района и приведенный в таблице 7.2 (1,6 см/кВдейств).
6) По формулам (7.5) и (7.6) определяем расчетные значения разрядных напряжений, необходимые для определения промежутков s 1 и s lK:
кВ (7.12)
кВ (7.13)
7) По кривым на рисунках 7.5 и 7.6 для найденных 
и 
определяем величины изоляционных промежутков: s 1 =78 см, s lK = 210 см, выбираем наибольший необходимый промежуток.
8) Вычисляем по данным рисунка 7.6 импульсную прочность выбранной гирлянды 15хП-8.5 (l2 =15×20,3=3,04 м), снабженной защитной арматурой,
кВмакс (7.14)
Сравниваем получившееся значение с необходимым коммутационным напряжением, рассчитанным по формуле (7.13), если оно меньше, то необходимо увеличить число изоляторов в гирлянде, если равно или больше, то
2. Рассчитать количество изоляторов в гирлянде для линии напряжением в 110 кВ на железобетонных опорах, степень загрязнения атмосферы – 4.
3. Определить необходимое количество изоляторов гибкой ошиновки ОРУ 330 кВ, степень загрязнения атмосферы – 3.
Контрольные вопросы
1. Приведите классификации изоляторов.
2. Назовите основные группы параметров изоляторов и отдельные их характеристики.
3. Опишите конструктивные особенности подвесных изоляторов.
4. В чем причина неравномерного распределения напряжения по гирлянде изоляторов.
5 Изоляция воздушных линий электропередач, основные составляющие и принципы построения.
6. Виды внешних воздействий на изоляцию линий электропередач.
7. Гирлянды подвесных изоляторов и распределение напряжения по изоляторам.
8. Схема замещения гирлянды подвесных изоляторов.
9. Пути развития разряда вдоль гирлянды подвесных изоляторов.
10. Методы улучшения распределения напряжения по гирлянде подвесных изоляторов.
11. Методы контроля изоляторов в гирлянде.
12. Расчет числа изоляторов в гирлянде на основе допустимой длины пути утечки.
13 Распределение напряжения по гирлянде изоляторов при постоянном напряжении.
Список литературы, рекомендуемый к использованию по данной теме
Основная литература
1. Электроснабжение сельского хозяйства: учебник / т. Б. Лещинская, и. В. Наумов; [ред. Г. В. Лихачёва]. - М.: Колос, 2008. - 655 с. – ISBN 978-5-9532-0560-3.
2. Расчет электрических полей устройств высокого напряжения: учеб. пособие / И. П. Белоедова, Ю. В. Елисеев, Е. С. Колечицкий и др.; ред. Е. С. Колечицкий. - М.: ИД МЭИ, 2008. - 248 с. – ISBN 978-5-383-00072-4
Дополнительная литература
3. Техника высоких напряжений: учебник для вузов / под ред. Д. В. Разевига. – 2-е изд., пер. и доп. – М.: Энергия, 1976. – 488 с.
4. Техника высоких напряжений(изоляция и перенапряжение в электрических установках): учебник для техникумов / В. П. Ларионов, В. В. Базуткин, Ю. Г. Сергеев; под ред. В. П. Ларионова. – М.: Энергоиздат, 1982. – 296 с.
Практическое занятие №4
