POLITECHNIKA ŚWIĘTOKRZYSKA

Katedra Urządzeń Elektrycznych i Techniki Świetlnej

Laboratorium Techniki Wysokich Napięć

ĆWICZENIE 3

ROZKŁAD NAPIĘCIA NA ŁAŃCUCHU

IZOLATORÓW KOŁPAKOWYCH

I. WIADOMOŚCI TEORETYCZNE

1. Izolatory liniowe

Izolatory liniowe służą do mechanicznego umocowania przewodów linii wysokiego napięcia i jedno-

cześnie elektrycznego ich izolowania od konstrukcji wsporczych. Izolatory liniowe muszą wytrzymywać
ciężar przewodów – również w warunkach obciążenia sadzią i wiatrem. Materiały izolacyjne służące do
wyrobu izolatorów to głównie porcelana i szkło hartowane, spełniające wymogi związane z pracą w wa-
runkach napowietrznych. Wymaganiami tymi są:

−

odporność na wpływy atmosferyczne i chemiczne,

−

odporność na znaczne zmiany temperatury,

−

wysoka wytrzymałość elektryczna,

−

duża rezystancja skrośna i powierzchniowa,

−

nienasiąkliwość,

−

odporność na stłuczenie itp.

Duży ciężar łańcuchów izolatorów szklanych i porcelanowych sprawia, że prowadzone są poszukiwa-

nia nowych materiałów. Przeprowadza się badania nad materiałami kompozytowymi z wykorzystaniem
tworzyw sztucznych. Produkowane i stosowane izolatory kompozytowe zawierają zarówno materiały
nieorganiczne jak i organiczne w postaci żywic lanych i polimerów (materiały wiążące). Pomijając to, że
izolatory takie są droższe i w warunkach napowietrznych szybciej ulegają zestarzeniu, stają się coraz
bardziej konkurencyjne w stosunku do izolatorów tradycyjnych. Izolatory kompozytowe są dość szeroko
stosowane w USA, Kanadzie, Australii i Afryce Południowej a ostatnio także i w Polsce.

Narażenia, którym podlegają izolatory w warunkach napowietrznych można podzielić na trzy grupy:

−

mechaniczne,

−

elektryczne ,

−

zabrudzeniowe.

Narażenia mechaniczne mogą mieć charakter stały lub zmienny. Charakter stały mają obciążenia

mechaniczne związane z masą elementów linii i naciągiem przewodów. Obciążenia zmienne wynikają ze
zmiennych warunków atmosferycznych takich jak: wiatr, oblodzenie, duże skoki temperatury. Należy
również uwzględniać narażenia związane ze stanami awaryjnymi, np. zerwanie przewodu.

Narażenia elektryczne wynikające z przepięć atmosferycznych i łączeniowych mają wpływ na wy-

miary izolatorów. Izolatory muszą wytrzymać określone napięcia probiercze przemienne i piorunowe, a
w zakresie napięć znamionowych powyżej 220 kV również napięcia probiercze łączeniowe. Wartości
napięć probierczych podaje norma PN-EN 60071-1:2008. Wielkościami charakteryzującymi własności
elektryczne izolatorów są:

a)

najwyższe dopuszczalne napięcie izolatora (dawniej napięcie znamionowe izolacji),

b)

znamionowe napięcie probiercze przemienne na sucho i pod deszczem,

c)

znamionowe napięcie probiercze piorunowe,

d)

droga upływu,

e)

droga przeskoku.

Narażenia zabrudzeniowe wynikają z łącznego oddziaływania zanieczyszczeń i wilgoci. Prądy

upływu płynące przez zawilgocone osady mogą być przyczyną znacznego osłabienia wytrzymałości elek-
trycznej izolatorów.

Izolatory przeznaczone do pracy w strefach o silnym zanieczyszczeniu atmosfery

Laboratorium Techniki Wysokich Napięć

2

posiadają zwiększoną drogę upływu, np bardziej rozbudowany system kloszy. Najczęściej spotykanym
obecnie rozwiązaniem są klosze o różnej wielkości – na przemian większe i mniejsze.

Wysokonapięciowe izolatory liniowe można podzielić następująco:

a)

izolatory stojące pniowe i deltowe (typ LSP i LSD, a także liniowe wsporcze LWP),

b)

izolatory kołpakowe (porcelanowe typu LK i szklane typu PS),

c)

izolatory pniowe (długopniowe) wiszące (typ LP lub LPZ, a także przeciwzabrudzeniowe oraz
kompozytowe),

d)

izolatory trakcyjne (typ LT),

e)

izolatory do linii elektroenergetycznych z przewodami izolowanymi (np. typ R125NA).

W przypadku linii średnich napięć z przewodami izolowanymi stosowane są izolatory liniowe wspor-

cze (np. LWP), jak również o specjalnej konstrukcji (R125NA) umożliwiającej inny sposób mocowania
przewodu. Wprowadzenie w przyszłości przewodów z pełną izolacją (wytrzymującą napięcia probiercze)
mocowanych do konstrukcji wsporczych przy pomocy specjalnych uchwytów lub głowic spowoduje
całkowite wyeliminowanie izolatorów.

b)

a)

c)

Rys. 1. Izolatory liniowe: a) izolator liniowy wsporczy, b) izolator liniowy wiszący
długopniowy, c) łańcuch izolatorów kołpakowych

Izolatory stojące (rys. 1a) stosuje się w liniach niskiego i średniego napięcia. Izolatory te posiadają

metalowy trzpień służący do mocowania ich do poprzeczników słupów za pomocą śrub. Przewód robo-
czy mocowany jest do główki izolatora przy pomocy wiązałki.

W liniach wysokiego napięcia 110 i 220 kV wykorzystuje się izolatory długopniowe wiszące łączone

ewentualnie w łańcuchy jedno– lub wielorzędowe. Izolatory długopniowe (rys. 1b.) wyparły niemal cał-
kowicie z linii 110 i 220 kV izolatory kołpakowe. Najważniejsze zalety takich izolatorów to:

−

duża wytrzymałość mechaniczna na rozciąganie,

−

nieprzebijalność,

−

duża odporność na uderzenia,

−

duża odporność na starzenie i trudne warunki klimatyczne.

Izolatory kołpakowe ze szkła hartowanego stosowane są w liniach napowietrznych 400 i 750 kV. Za-

letami izolatorów kołpakowych są:

−

możliwość zestawiania łańcuchów izolatorów jedno– i wielorzędowych o dowolnej długości,

−

pęknięcie izolatora lub rozsypanie się całego klosza towarzyszące przebiciu izolacji poje-
dynczego ogniwa odbywa się z zachowaniem połączenia mechanicznego,

−

prosta technologia produkcji,

Ć

wiczenie 3.

Rozkład napięcia na łańcuchu izolatorów kołpakowych

3

−

duża wytrzymałość mechaniczna na rozciąganie – wewnątrz kołpaka materiał izolacyjny pod-
dawany jest naprężeniu ściskającemu.

1

5

2

4

5

3

Rys. 2. Izolator kołpakowy: 1 - część izolacyjna, 2 - kołpak, 3 - trzonek, 4 – za-
wleczka zabezpieczająca, 5 - spoiwo cementowe

Niestety, izolatory kołpakowe mają również dużo wad. Najważniejsze z nich to:

−

znaczny ciężar łańcucha ze względu na duży udział masy okuć,

−

przebijalność,

−

nierównomierny rozkład napięcia wzdłuż łańcucha.

Niejednostajność rozkładu napięcia sprawia, że wytrzymałość elektryczna łańcucha izolatorów jest

mniejsza od sumy wytrzymałości elektrycznej

wszystkich

ogniw. Obniżenie wytrzymałości jest szczegól-

nie wyraźne przy napięciu piorunowym.

2. Rozkład napięcia wzdłuż łańcucha izolatorów kołpakowych

Schematem zastępczym łańcucha izolatorów kołpakowych jest układ pojemności ogniw oraz pojem-

ności doziemnych i pojemności do przewodu (rys. 3).

1

I

C

z

C

z

C

z

U

3

U - U

3

C

z1

I

1

C

p

C

z

2

I

C

2

z2

I

I

p2

I

3

C

3

C

p

C

p

z3

I

p3

I

I

4

4

I

z4

C

p4

I

I

5

C

p

I

p1

C

Rys. 3. Schemat zastępczy łańcucha izolatorów kołpakowych: C - pojemności własne po-
szczególnych izolatorów, C

z

- pojemności okuć izolatorów względem ziemi, C

p

- pojemności

okuć względem przewodu wysokiego napięcia

Laboratorium Techniki Wysokich Napięć

4

Niejednostajność rozkładu napięcia wzdłuż łańcucha izolatorów kołpakowych wynika z wpływu po-

jemności poszczególnych ogniw względem uziemionej konstrukcji słupa i względem przewodu robocze-
go. Zwykle, dla uproszczenia rozważań, przyjmuje się jednakowe pojemności okuć izolatorów względem
ziemi oraz jednakowe pojemności tych okuć względem przewodu (rys. 3). W rzeczywistości pojemności
te zwiększają się w miarę przybliżania się do uziemionej konstrukcji (C

z

) i przybliżania się do przewodu

roboczego (C

p

). Zmiany te nie są jednak zbyt duże, co uzasadnia uproszczenie.

Ze względu na większe rozmiary uziemionej konstrukcji wsporczej w stosunku do wymiarów geome-

trycznych przewodu, pojemności C

z

są na ogół znacznie większe od pojemności C

p

. Rozkład napięcia jest

tym silniej nierównomierny, im stosunki pojemności C

z

/C i C

z

/C

p

są większe. Napięcia na poszczegól-

nych ogniwach wzrastają przy przybliżaniu się do przewodu roboczego.

Napiszmy równanie dla prądów dla węzła 3 (rys. 3)

I

p3

+ I

4

= I

z3

+ I

3

.

Przy założeniu braku pojemności do przewodu (Cp = 0) równanie miałoby postać

I

4

= I

z3

+ I

3

.

Napięcie na 4 ogniwie jest większe niż napięcie na ogniwie 3.
Istnienie pojemności do przewodu wyrównuje nieco rozkład, ale ponieważ I

z3

> I

p3

, to nadal I

4

> I

3

,

czyli

U

43

ω

C > U

32

ω

C ,

U

43

> U

32

.

Ponieważ napięcie na pojemności doziemnej U

3

= I

z3

/

ω

C

z

jest inne niż na pojemności do przewodu

U – U

3

= I

p3

/

ω

C

p

, to również przy jednakowych pojemnościach – czyli przy C

p

= C

z

– rozkład jest nie-

jednostajny.

Dla dowolnego węzła k równanie dla prądów ma postać

I

pk

+ I

k + 1

= I

zk

+ I

k

.

Warunkiem jednostajności rozkładu napięcia jest, aby prądy płynące przez pojemność do przewodu i

pojemność doziemną były jednakowe

I

pk

= I

zk

,

a więc (U – U

k

)

ω

C

pk

= U

k

ω

C

zk

.

b

c

k

%

100

U /U

4

5

2

3

d

a

k

80

1

40

0

20

0

60

Rys. 4. Rozkład napięcia na łańcuchu izolatorów dla następujących
hipotetycznych przypadków: a) C

p

= C

z

= 0, b) C

p

= 0, C

z

≠

0, c) C

p

≠

0, C

z

= 0, d) C

p

= C

z

Ć

wiczenie 3.

Rozkład napięcia na łańcuchu izolatorów kołpakowych

5

Jeżeli liczba ogniw łańcucha izolatorów wynosi n, to przy równomiernym rozkładzie napięcia mamy

k

n

U

U

k

⋅

=

.

Możemy zatem obliczyć dla dowolnego węzła (okucia) relację między pojemnością do przewodu

i pojemnością doziemną warunkującą jednostajność rozkładu napięcia na łańcuchu izolatorów

1

k

n

1

C

C

zk

pk

−

⋅

=

.

Dla łańcucha złożonego z pięciu ogniw (jak na rys. 3) zależności między pojemnościami dla poszcze-

gólnych węzłów będą następujące:

Nr węzła

1

2

3

4

C

pk

/C

zk

1/4

2/3

3/2

4

Dla wyrównania rozkładu napięcia należy powiększyć pojemności do przewodu okuć izolatorów

znajdujących się w pobliżu przewodu roboczego. Do tego celu służy armatura ochronna. Najczęściej
stanowi ją metalowy pierścień otaczający łańcuch izolatorów w pewnej odległości od przewodu robocze-
go i połączony galwanicznie z przewodem roboczym. Stosowany często podobny pierścień przy uzie-
mionym końcu łańcucha nie ma większego wpływu na rozkład napięcia. Jego rolą jest ochrona izolato-
rów przed cieplnym działaniem łuku. Przeskok elektryczny spowodowany przepięciem, a następnie łuk
elektryczny powinien pozostawać w bezpiecznej odległości od izolatorów.

Armatura powiększa pojemność ogniw do przewodu wyrównując częściowo rozkład napięcia. Do-

kładniejsze wyrównanie rozkładu, uwarunkowane powyższym wzorem przedstawiającym relację między
pojemnościami doziemnymi i do przewodu, wymagałoby zastosowania armatury o trudnych do wykona-
nia złożonych kształtach.

Na rozkład napięcia na łańcuchu izolatorów kołpakowych mają również wpływ warunki atmosferycz-

ne i stan powierzchni izolatorów. Zanieczyszczona i zawilgocona powierzchnia izolatorów, deszcz i
mgła, są przyczyną przepływu prądów przewodnościowych zmieniających rozkład napięcia. Staje się on
bardziej równomierny.

Przeskok przy napięciu przemiennym 50 Hz poprzedzony jest wyładowaniami niezupełnymi. Prądy

przewodnościowe tych wyładowań są współmierne z prądami pojemnościowymi w łańcuchu poprawiając
pierwotny rozkład napięcia uwarunkowany samymi pojemnościami. Również duży wpływ na wspomnia-
ny rozkład mają prądy pojemnościowe wynikające ze zmian pojemności podczas wyładowań.

Czynniki powyższe – tzn. wyładowania, warunki atmosferyczne, stan powierzchni izolatorów – nie

mają wpływu na rozkład napięcia przy napięciu piorunowym zależnym tylko od pojemności.

Znając rozkład napięcia na łańcuchu izolatorów zdrowych i dokonując po pewnym okresie eksploata-

cji linii ponownego pomiaru rozkładu napięcia, można przez porównanie tych rozkładów wykryć przebite
ogniwo. Pomiary rozkładu napięcia w terenie są bardzo uciążliwe. Przebite ogniwo w łańcuchu można
wykryć iskiernikiem kulowym lub woltomierzem elektrostatycznym o specjalnej konstrukcji. Wyprowa-
dzenia elektrod iskiernika bądź woltomierza

umieszczonych na drążku powinny być tak skonstruowane,

aby możliwe było jednoczesne dotknięcie

górnego i dolnego okucia. Brak przeskoku na iskierniku bądź

brak lub małe wychylenie wskazówki woltomierza wskazuje na przebite lub uszkodzone ogniwo. Mniej
uciążliwa metoda polega na wykrywaniu uszkodzeń przez pomiar zakłóceń radioelektrycznych – wchodzi
się tylko na słupy, przy których poziom zakłóceń jest nadmierny.

Poznanie rozkładu napięcia na łańcuchu izolatorów ma duże znaczenie teoretyczne jako studium nad

sprzężeniami pojemnościowymi występującymi w urządzeniach wysokonapięciowych. Izolatory przepu-
stowe, dzielniki wysokiego napięcia, odgromniki zaworowe, a nawet uzwojenia transformatorów – to
przykłady urządzeń, w których mamy do czynienia ze sprzężeniami pojemnościowymi. Poznanie rozkła-
du napięcia stwarza możliwości opracowania metod sterowania tym rozkładem w celu eliminacji sprzę-
ż

eń pojemnościowych lub zmniejszenia natężeń pola w miejscach najbardziej zagrażających izolacji.

Laboratorium Techniki Wysokich Napięć

6

3. Pytania kontrolne

1.

Jakim narażeniom podlegają izolatory w warunkach pracy napowietrznej?

2.

Podział izolatorów liniowych

3.

Wady i zalety izolatorów kołpakowych

4.

Jaki jest rozkład napięcia na łańcuchu izolatorów przy uwzględnieniu pojemności ogniw
i pojemności do ziemi?

5.

Jaki jest rozkład napięcia na łańcuchu izolatorów przy uwzględnieniu pojemności ogniw
i pojemności do przewodu roboczego?

6.

Wyjaśnić wpływ armatury ochronnej na rozkład napięcia

7.

Wytłumaczyć zjawisko wyrównywania się rozkładu napięcia przy wyładowaniach niezupełnych

8.

Jak wpływa na wytrzymałość statyczną i udarową nierównomierny rozkład napięcia na łańcuchu
izolatorów?

Literatura

1.

Flisowski Z.: Technika wysokich napięć. WNT, Warszawa 1988

2.

Gacek Z.: Wysokonapięciowa technika izolacyjna. Wyd. Politechniki Śląskiej, Gliwice, 1996

3.

Inżynieria wysokich napięć w elektroenergetyce – praca zbiorowa. Tom I, Wyd. Politechniki Po-
znańskiej, 1996

4.

PN-90/E-06308 Elektroenergetyczne izolatory wysokonapięciowe. Izolatory liniowe. Ogólne wy-
magania i badania(norma wycofana)

5.

PN-EN 60383-1:2005 Izolatory do linii napowietrznych o znamionowym napięciu powyżej 1 kV.
Część 1: Ceramiczne i szklane izolatory do sieci prądu przemiennego. Definicje, metody badań
i kryteria oceny wyników

II. POMIARY

1. Pomiar rozkładu napięcia na łańcuchu izolatorów zdrowych

Pomiaru rozkładu napięcia na łańcuchu izolatorów dokonujemy w układzie przedstawionym na ry-

sunku 5. Należy podkreślić, że zastosowana metoda pomiarowa (bezpośredni pomiar napięcia woltomie-
rzem elektrostatycznym) nie jest zbyt odpowiednia do tego celu. Pojemność woltomierza – chociaż nie-
wielka – wpływa na rozkład napięcia stanowiąc dodatkową pojemność doziemną. Dokładne pomiary
można uzyskać stosując metodę kompensacyjną. Eliminacja prądu pojemnościowego płynącego przez
woltomierz elektrostatyczny wymaga dodatkowego regulowanego źródła napięcia o tej samej fazie. Na-
pięcia nie powinny zawierać wyższych harmonicznych a układ zerowy powinien być starannie ekrano-
wany, mieć dużą czułość i nie zniekształcać rozkładu pola. Metoda ta jest więc dość kłopotliwa.

Tr

A

R

0

Tp

C

C

4

5

3

Ve

2

C

C

1

0

2

Ve

1

C

V

Rys. 5. Schemat układu probierczego: Tr - transformator regulacyjny, Tp - transformator
probierczy, R - rezystor ograniczający, C - pojemność pojedynczego izolatora kołpakowego,
Ve

1

, Ve

2

- woltomierze elektrostatyczne

Ć

wiczenie 3.

Rozkład napięcia na łańcuchu izolatorów kołpakowych

7

Zastosowany układ pomiarowy przedstawiony na rysunku 5, mimo swoich wad, pozwala jednak na

uzyskanie przybliżonego obrazu rozkładu napięcia na łańcuchu izolatorów kołpakowych i zaobserwowa-
nie wpływu armatury ochronnej lub uszkodzenia jednego ogniwa na ten rozkład.

Pomiaru rozkładu napięcia należy dokonać w następujący sposób:

a)

do łańcucha izolatorów należy przyłożyć napięcie przemienne o wartości ustalonej przez pro-
wadzącego ćwiczenia,

b)

pomiary rozpoczynamy od przyłączenia woltomierza do punktu 4 (kołpak pierwszego izolatora
licząc od strony zasilania łańcucha),

c)

po zmierzeniu napięć kolejno w punktach 4,3,2 i 1 należy obliczyć napięcia występujące na po-
szczególnych ogniwach (

∆

U

k

) jako różnicę napięć w punkcie poprzedzającym i następnym

(U

k

– U

k–1

),

d)

wyniki pomiarów i obliczeń przedstawić w tabeli 1,

e)

wykreślić rozkład napięcia w układzie współrzędnych k = f

(U

k

/U) oraz k = f

(

∆

U

k

/U)

Tabela 1. Wyniki pomiarów i obliczeń rozkładu napięcia na łańcuchu izolatorów zdrowych

Punkt pomiaru (k)

U

k

U

k–1

∆

U

k

= U

k

– U

k–1

100%

U

k

U

⋅

%

100

U

k

U

⋅

∆

–

kV

kV

kV

%

%

5

4

3

2

1

0

2.

Pomiar rozkładu napięcia na łańcuchu izolatorów przy zastosowaniu armatury

ochronnej

Ve

1

A

Tr

Tp

V

R

0

1

0

Ve

2

C

C

C

C

C

5

4

3

2

Rys. 6. Schemat układu probierczego do pomiaru rozkładu napięcia na łańcuchu izolatorów
kołpakowych z armaturą ochronną

Pomiary należy rozpocząć po założeniu armatury ochronnej w punkcie zasilania łańcucha izolatorów

(rys. 6). Sposób wykonania pomiarów jak w punkcie poprzednim.

Wyniki pomiarów i obliczeń przedstawić w tabeli 2.

Laboratorium Techniki Wysokich Napięć

8

Tabela 2. Wyniki pomiarów i obliczeń rozkładu napięcia na łańcuchu izolatorów z ar-
maturą ochronną

Punkt pomiaru (k)

U

k

U

k–1

∆

U

k

= U

k

– U

k–1

100%

U

k

U

⋅

%

100

U

k

U

⋅

∆

–

kV

kV

kV

%

%

5

4

3

2

1

0

Wykresy k = f

(U

k

/U) i k = f

(

∆

U

k

/U) należy wykonać w układach współrzędnych sporządzonych

w punkcie poprzednim.

3.

Pomiar rozkładu napięcia na łańcuchu izolatorów z uszkodzonym ogniwem

C

0

1

5

4

3

2

C

C

C

C

Tp

V

Ve

1

A

Tr

R

0

Ve

2

Rys. 7. Schemat układu probierczego do pomiaru rozkładu napięcia na łańcuchu izolatorów
z uszkodzonym ogniwem

Pomiary należy rozpocząć po zwarciu jednego ogniwa w łańcuchu izolatorów kołpakowych (rys. 7).

Sposób wykonania pomiarów jak poprzednio.

Wyniki pomiarów i obliczeń należy przedstawić w tabeli 3.
Wykresy k = f

(U

k

/U) i k = f

(

∆

U

k

/U) należy wykonać w układach współrzędnych sporządzonych po-

przednio. W układach tych należy również nanieść rozkład napięcia dla przypadku braku sprzężeń po-
jemnościowych (C

p

= 0 i C

z

= 0).

Tabela 3. Wyniki pomiarów i obliczeń rozkładu napięcia na łańcuchu izolatorów z usz-
kodzonym ogniwem

Punkt pomiaru (k)

U

k

U

k–1

∆

U

k

= U

k

– U

k–1

100%

U

k

U

⋅

%

100

U

k

U

⋅

∆

–

kV

kV

kV

%

%

5

4

3

2

1

0

4.

Wnioski

Wnioski powinny zawierać uwagi dotyczące przebiegu ćwiczenia oraz własne spostrzeżenia związane

z otrzymanymi wynikami badań. W przypadku wystąpienia rozbieżności między otrzymanymi wynikami
i danymi literaturowymi należy wskazać źródło tych rozbieżności.