ГЛАВА 5

ИЗОЛИРУЮЩИЕ ЭЛЕМЕНТЫ В КОНТАКТНЫХ СЕТЯХ И ЛЭП

 

5.1. Основные параметры

 

Изолирующие элементы входят во все подсистемы контактной сети и ЛЭП, осуществляющих электроснабжение железнодорожного транс­порта, и обеспечивают механическое крепление токопроводящих элек­тропотенциальных частей, а также изоляцию их между собой и отно­сительно заземленных конструкций. Все изолирующие элементы из­готавливают из диэлектрических материалов электропроводностью менее 10^-7 — 10^-8 Ом/м, которые могут быть использованы для этих целей только при напряжениях, не превышающих предельных значе­ний, характерных для них в определенных условиях. Если напряже­ние будет выше указанных предельных значений, то наступает про­бой — полная потеря изоляционных (диэлектрических) свойств.

Электрическая изоляция контактной сети подвергается воздей­ствию нескольких видов напряжений. Во-первых, это длительно действующие рабочие напряжения, достигающие на линиях посто­янного тока 4 кВ и переменного 29 кВ. Во-вторых, на контактную сеть воздействуют кратковременные внутренние перенапряжения, возникающие при включениях и отключениях различных элемен­тов контактной сети, а также при аварийных режимах. Опасными внутренними перенапряжениями являются перенапряжения при от­ключении коротких замыканий ненагруженных участков контакт­ной сети и трансформаторов. На участках постоянного тока наи­более опасны перенапряжения при отключении фидерными вык­лючателями коротких замыканий вблизи тяговой подстанции или поста секционирования. Такие перенапряжения достигают значе­ний 10—11 кВ с длительностью 10—15 мс.

На участках переменного тока перенапряжения при отключении ненагруженных трансформаторов могут достигать более чем трехкрат­ного значения максимального рабочего напряжения в контактной сети U_mах. При отключении контактной сети без нагрузки напряжение не превышает 2,5 U_mах.  Перенапряжения до (1,5*2,0) U_mах имеют дли­тельность 0,4-0,6 с, а более 2U_mах— 50—70 мс.

К третьему виду напряжений относятся грозовые, или атмос­ферные, перенапряжения, которые повреждают изоляцию при пря­мых ударах молнии в опору или контактную подвеску. Время их воздействия очень мало 10 — 100 мс, однако максимальные зна­чения их могут достигать миллионов вольт (при отсутствии специ­альных мер защиты). Таких высоких напряжений не выдерживает никакая изоляция. Поэтому атмосферные перенапряжения стара­ются ограничить до приемлемых значений с помощью специаль­ных устройств (разрядников).

Проектируемый уровень изоляции должен соответствовать воздейству­ющим на изоляцию напряжениям, принятым защитным мерам и целесо­образному запасу электрической прочности, обеспечивающему необходи­мую надежность. Такое согласование называется координацией изоляции.

Уровень изоляции выбирают, исходя из расчетных кратностей внутренних перенапряжений. Основной характеристикой изоляции является мокроразрядное напряжение, значение которого для кон­тактной сети переменного и постоянного тока

                                       

где k_вн — расчетная кратность внутренних перенапряжений;

U_mах — максимальное рабочее напряжение в контактной сети, кВ.

Коэффициент 0,9 в формуле учитывает разницу между напря­жением в эксплуатации и разрядным напряжением, полученным при испытаниях, а поправочный коэффициент— условия эксплуата­ции изолятора; его принимают равным 0,94.

В контактной сети переменного тока расчетная кратность внутрен­них перенапряжений может быть принята равной 3. Тогда мокрораз­рядное напряжение изоляции должно быть не менее

U_мр =.

Уровень изоляции в анкеровках проводов контактной сети дол­жен быть на 25 — 30 % выше уровня изоляции для других узлов и составлять 125—130 кВ.

Расчетная кратность внутренних перенапряжений в контактной сети постоянного тока также не превышает трех, поэтому мокро-Разрядное напряжение изоляции должно быть не менее

U^/_мр =.

Пробивное же напряжение роговых разрядников на участках поц стоянного тока принимают 32 — 34 кВ, т.е. на 1 5 — 20 % ниже разряд: ного напряжения защищаемой изоляции. С учетом этого изоляция контактной сети постоянного тока должна выдерживать мокроразрядное напряжение не менее =40 кВ, а анкерная изоляция, как и при переменном токе, на 25 — 30 % выше, т.е. не менее 50 кВ.

Мокроразрядные напряжения гирлянд тарельчатых изоляторов U_мг прямо пропорциональны числу изоляторов в гирлянде п:

U_mг=Е_мnH ,

где Е_м — среднее значение мокроразрядного градиента, кВ/мм (для фарфоровых тарельчатых изоляторов Е_м - 0,21 кВ/мм, для стек­лянных Е_м - 0,26 кВ/мм);

Н — конструктивная высота одного изолятора, мм.

Классифицируют изолирующие элементы по материалу, конструктив­ному исполнению и области применения (рис. 5.1). Они могут быть изго­товлены из твердых, пластичных, иногда из газообразных и жидких диэ­лектрических материалов. По конструктивному исполнению различают: простые изолирующие элементы — покрытия, краски, напыления, втул­ки (рис. 5.2, а), прокладки (рис. 5.2, б), шайбы (рис. 5.2, в), колпачки (рис. 5.2, г); без специальных узлов присоединения — бруски (рис. 5.2, д), стержни; с узлами присоединения — подвесные и стержневые изоляторы, штанги с оконцевателями; комбинированные — стеклопластиковые стерж­ни с защитной кремнийорганической смазкой и фторопластовыми чехлами (рис. 5.2, е), скользуны (рис. 5.2, ж) и т. д. По применению изолирующие элементы подразделяют в зависимости от типа линий: для высоковольтных и низковольтных ВЛ; для контактной сети, для кабельных линий.

Наиболее многочисленным классом среди изолирующих элементов являются изоляторы, к которым относятся также изолирующие элементы секционных изоляторов (СИ) контактной сети и опорные элементы разрядников и разъединителей. Их классифицируют: по конструкции — тарельчатые (рис. 5.3, а, б, в), стержневые (рис. 5.3, г, д, е), вставки, втул­ки, скользуны, опорные, штыревые, орешковые (рис. 5.3, о), седлооб­разные; по направлению приложения нагрузок и месту установки подвесные, натяжные, фиксаторные (рис. 5.3, ж, з, и), консольные (рис. 5.3, к, л), штыревые (рис. 5.3, м, н); по материалу — стеклянные, фарфоровые, полимерные, из дельта-древесины (один из видов древеснослоистых пластиков; изготавливается путем прессования или склеивания березового шпона, пропитанного феноло- или крезоло-формальдегидной смолой); по напряжению — 1,3, 10, 20, 25 и 35 кВ и т.д. Кроме того, их классифицируют: по группам; услови­ям работы; номинальному напряжению; механической прочности; номинальному току (только проходные). Совокупность всех этих признаков определяет тип изолятора, поэтому при выборе необхо­димо знать его основные электромеханические характеристики.

 

 

Рис. 5.1. Классификация изолирующих элементов контактных сетей и линий элек­тропередачи по материалам, конструкциям и области применения

 

Рис. 5.2. Конструкции изолирующих элементов: для консолей и кронштейнов — втулки (а); хомутов — прокладки (б); оснований опоры — шайбы (в), полиэтиленовые колпачки (г); прессованные бруски (д); полимерные стержни (е); скользуны (ж)

 

ж                      ФСФ70 – 3,0/0,5                              з                         ФСФ70 – 25/0,95

                          

 

Рис. 5.3. Конструкции серийных изоляторов: стеклянные подвесные- тарельча­тые под пестик (а), грязестойкие (б), с увеличенными ребрами (в)- фарфоровые стержневые - подвесные на 3 кВ (г), натяжные на 3 (д) и 25 кВ (е); фиксаторные тарельчатые (и,) и стержневые на 3 (ж) и 25 кВ (з); консольные стержневые на 3 (к) и 25 кВ (л); штыревые 10 (м) и 0,4 кВ (н); орешковые 0,4 кВ (о)                  

 

К основным характеристикам для всех изолирующих элементов контактной сети и ЛЭП (в том числе изоляторов) относятся: геомет­рические параметры, сухоразрядное, мокроразрядное и импульсное разрядное напряжения, механическая прочность при различных ус­ловиях приложения нагрузки. Характеризующими параметрами изо­ляторов являются: строительная высота h, наибольший диаметр d, длина пути утечки тока по поверхности l_и, кратчайшее расстояние между электродами l_с (от которого в основном зависит сухоразряд­ное напряжение) и мокроразрядное расстояние l_м.

Сухоразрядным называют напряжение промышленной частоты, приложенное к электродам изолятора, при котором по его сухой и чис­той поверхности происходит искровой разряд, а мокроразрядным — такое же напряжение при воздействии равномерных водяных струй, падающих под углом 45° на поверхность изолятора. Мокроразрядное напряжение всегда меньше сухоразрядного. Пробивным называют наи­меньшее напряжение промышленной частоты, при котором происхо­дит электрический пробой через материал изолятора; его путь пред­ставляет сквозной канал, способный пропускать электрический ток.

Основную механическую характеристику изолятора—гарантирован­ную механическую прочность на изгиб или растяжение—определяют при плавном увеличении нагрузки до величины, при которой происходит его видимое разрушение. Для подвесного изолятора дополнительно указывают электромеханическую прочность, определяемую при одновременном при­ложении к нему механической нагрузки и напряжения, равного 75—80 % сухоразрядного. Подвесные изоляторы должны выдерживать в течение 1 ч нагрузку, равную 0,75 электромеханической прочности при одновремен­ном приложении указанного напряжения. Для подвесных изоляторов кон­тактной сети, испытывающих значительные динамические воздействия от ЭПС, максимально допустимые эксплуатационные усилия ограничивают­ся половиной часовой испытательной нагрузки.

Коэффициент запаса механической прочности изоляторов по отноше­нию к их нормированной разрушающей силе должен быть не менее 5,0 при средней эксплуатационной нагрузке и 2,7 при наибольшей. При сум­марных нагрузках, превышающих 14 кН (1400 кгс), в натяжных изоляци­онных узлах устанавливают изоляторы класса 120 либо две параллельно соединенные гирлянды изоляторов класса 70. Отклонение гирлянды под­весных изоляторов от вертикали вдоль пути не должно превышать 15°.

Благодаря более рациональной форме тарельчатые подвесные стеклянные изоляторы при меньших габаритах, чем аналогичные фарфоровые, имеют одинаковые с ними сухоразрядное и мокроразрядное напряжения. Выдерживая гораздо большую электромеханическую нагрузку, они оказываются экономичнее фарфоровых, особенно в сетях переменного тока. Кроме того, преимуществом стеклянных изоляторов перед фарфоровыми является их способность к самодефектировке, так как при пробое стекло осыпается, и повреждение изолятора может быть выявлено визуально. Полимерные изоляторы прочнее, надежнее и легче фарфоровых и стеклянных, но значительно дороже и требуют специальных мер защиты. Кремнийорганические изоляторы защищены от вандализма за счет гибкости материала.

Электрическим испытаниям, измерениям сопротивления изоляции и маркировке не подвергаются стеклянные, полимерные и стержневые фарфоровые изоляторы.

 

5.2. Конструкция простых изоляторов

 

Штыревые изоляторы предназначены для ВЛ напряжением 0,4; 10 и 20 кВ, расположенных как на опорах контактной сети, так и на самостоятельных опорах. Для их крепления на кронштейны или траверсы опор устанавливают специальные штыри (в деревянные опоры ввинчиваются крючья), на которые надевают изоляторы с помощью напрессованных полиэтиленовых колпачков (см. рис. 5.2, г). Фарфоровые штыревые изоляторы выпускают серийно на напряжения 1, 10 и 20 кВ, в том числе марок ШФ10-Г, ШФ20-Г, что означает: Ш — штыревой (способ крепления); Ф — фарфоровый (материал); 1, 10 или 20 — класс изолятора (номинальное напряжение, кВ); Г — конструктивное исполнение. Применяют также стеклянные штыревые изоляторы на напряжение 10 кВ марок ШС10-В, ШС10-Г, ШС10-А (см. рис. 5.3, м) и др.

Фарфоровые изоляторы марки ТФ на напряжение 1 кВ выполнены в виде цилиндра, имеющего снизу так называемые «юбки», а наверху шейку и углубление для укладки провода и закрепления вязальной проволоки (см. рис. 5.3, н). Они воспринимают боковую и вертикальную нагрузки.

Орешковые изоляторы (см. рис. 5.3, о) предназначены для установки в струнках контактной подвески, волноводах, оттяжках мачт, антенн и рассчитаны на незначительные электрические напряжения. Конструктивно изолятор представляет объемный эллипс с двумя перпендикулярно расположенными сквозными отверстиями для прохода изолируемых проводов. Таким образом, фарфор орешковых изоляторов работает на сжатие.

Седлообразные изоляторы предназначены для работы на растяжение при напряжениях более высоких, чем у орешковых, например, в двухпроводных и трехпроводных секционных изоляторах. Конструктивно седлообразные изоляторы аналогичны орешковым, но дополнены фарфоровыми «юбками», обеспечивающими увеличение диэлектрической прочности.

Изолирующие втулки (см. рис. 5.2, а, в) устанавливают на опорах контактной сети в качестве изолирующих элементов между опорой и закладными деталями с закрепленными на них консолями, металлическими кронштейнами и другими устройствами контактной сети, а также между анкерными болтами фундаментов и фланцами стоек опор. Изолирующие втулки изготавливают из прессматериала АГ-4С, а также из полиэтилена 271.

Изолирующие прокладки и пластины (см. рис. 5.2. б) предназначены для изоляции хомутов крепления металлических консолей и кронштейнов от поверхности железобетонной стойки опоры. Они изготавливаются из фибры или полиэтилена 271 (273).

Изолирующие колпачки применяются в узлах изоляции фунда­ментов от опор в системе контактной сети КС-200.

Изолирующие шайбы предназначены для тех же целей, что и изолирующие колпачки. Изготавливают их из стеклотекстолита толщиной 3 мм или полиэтилена 271 (273).

К простым изоляторам относят также изоляторы для крепления контактного рельса.