WYTRZYMAŁOŚĆ POWIERZCHNIOWA

W POWIETRZU UKŁADÓW IZOLACYJNYCH

PRZY NAPIĘCIU PRZEMIENNYM 50Hz

1. Omówienie tematu

Przez wytrzymałość powierzchniową układów izolacyjnych w powietrzu należy rozumieć ich napięcie przeskoku. Przeskok jest zawsze zapoczątkowany lokalnymi wyładowaniami w niektórych miejscach na powierzchni izolatora. Wyładowania te są stosukowo intensywne i stabilne co ułatwia dalszy rozwój jonizacji powietrza i prowadzi do przeskoku przy niższym napięciu, niż w przypadku takich samych elektrod umieszczonych w samym powietrzu.

Wytrzymałość powierzchniowa powietrznych układów izolacyjnych jest zależna głównie od dwóch czynników:

• ukształtowania wzajemnego członu izolacyjnego i elektrod oraz ich wymiarów,

• stanu powierzchni członu izolacyjnego.

W przypadku suchych i czystych izolatorów rozróżnia się dwa zasadniczo odmienne układy izolacyjne:

• układ typu wsporczego (równoległy),

• układ typu przepustowgo (szeregowy).

W układzie typu wsporczego linie sił pola elektrycznego przebiegają prawie równolegle do osi izolatora. Przykładami tego typu układów są izolatory podtrzymujące szyny w rozdzielniach, izolatory odłączników, izolatory liniowe długopniowe.

Układy typu przepustowego charakteryzują się tym, że linie sił pola elektrycznego przebiegają przeważnie ukośnie w stosunku do powierzchni izolatora. Wskutek tego w układzie izolacyjnym występują normalne i styczne składowe natężenia pola elektrycznego. Rozkład napięcia wzdłuż powierzchni jest bardziej nierównomierny niż w układzie typu wsporczego. Ułatwia to jonizację powietrza w pobliżu elektrod izolatora. Dzięki istnieniu składowej normalnej natężenia pola elektrycznego i silnemu sprzężeniu pojemnościowemu między elektrodami, intensywność jonizacji jest znaczne większa niż na izolatorach wsporczych. Intensyfikuje to rozwój wyładowań powierzchniowych i obniża napięcie przeskoku. Przeskok jest poprzedzony wyładowaniami powierzchniowymi mającymi postaci iskier ślizgających się po powierzchni izolatora.

Przykładami układów przepustowych są izolatory przepustowe służące do przeprowadzania napięcia przez ścianki rozdzielni lub urządzeń elektroenergetycznych, końcówki kabli energetycznych z głowicami.

Bardziej szczegółowy opis mechanizmu wyładowań powierzchniowych zawarty jest w podręczniku [1] (rozdz. 2.4).

W sytuacji gdy rezystancja powierzchniowa izolatora ulega znacznemu zmniejszeniu - najczęściej wskutek zabrudzenia i zawilgocenia - sprzężenia pojemnościowe w izolatorach przestają determinować napięcie przeskoku. Rozkład napięcia na izolatorze staje się zależny od rozkładu zabrudzeń i stopnia zawilgocenia powierzchni. Prądy powierzchniowe (upływu) są o wiele większe od pojemnościowych. Nierównomierność i przypadkowość wysychania warstwy zabrudzeniowej prowadzi do bardzo nierównomiernego rozkładu napięcia wzdłuż powierzchni izolatora. Na powierzchni izolatora pojawiają się lokalne wyładowania łukowe - najpierw tzw. łuki poprzeczne (osuszające), a w miarę intensyfikacji procesów łuki podłużne zwierające wyładowaniem kilka kloszy izolatora. Wyładowania zabrudzeniowe mają quasi-stabilny charakter nawet przy prądach upływu rzędu kilkudziesięciu miliamperów. Stanowi to duże utrudnienie dla prób laboratoryjnych, ponieważ konieczne jest dysponowanie układami probierczymi o dużej mocy [1]. Moc transformatora probierczego powinna być na tyle duża aby rozwój wyładowań zabrudzeniowych podczas próby był zależny tylko od parametrów warstwy zabrudzeniowej, tzn. prądy upływu nie mogą prowadzić do zbyt duży spadków napięcia na impedancji transformator, a tym samym obniżać napięcie na badanym izolatorze.

Problematyka prób zabrudzeniowych izolatorów jest objęta szczegółowymi wymaganiami w skali międzynarodowej [2, 3]. Do najważniejszych postanowień norm należą wymagania dotyczące prądu zwarcia układu probierczego i relacji między prądem zwarcia transformatora a parametrami obiektów prób.

Układ probierczy stosowany w ćwiczeniu nawet z regulatorem napięcia o mocy 70 kVA nie spełnia podstawowego wymagania odnośnie prądu zwarcia, dlatego próby zabrudzeniowe można w tym ćwiczeniu traktować tylko jakościowo obserwując formy wyładowań zabrudzeniowych.

2. Zadania

Wyznaczyć zależność napięcia przeskoku U_p od odstępu elektrod modelu izolatora wsporczego (rura porcelanowa F = 200 mm) w zakresie odstępów do 150 mm. Pomiar napięcia wykonać przy pomocy dzielnika pojemnościowego z podłączonym po stronie niskiej dzielnika woltomierzem elektrostatycznym.

-1. Przy odstępie elektrod 150 mm określić wizualnie przy zaciemnionym pomieszczeniu napięcie świetlenia U₀.

-1. Stosując wzory podane w p-cie 4 obliczyć napięcie przeskoku badanego modelu układu wsporczego.

-1. Określić wizualnie przy zaciemnionym pomieszczeniu napięcie wyładowań ślizgowych U_śl oraz napięcie przeskoku U_p z zależności od odstępu elektrod modelu izolatora przepustowego (rura porcelanowa F = 200 mm z metalizowaną wewnętrzną powierzchnią) w zakresie odstępu elektrod do 280 mm.

-1. Stosując wzory podane w p-cie 4 obliczyć napięcia wyładowań ślizgowych i przeskoku badanego modelu izolatora przepustowego.

-1. Wykonać 2 - 3 próby na izolatorze pokrytym sztuczną warstwą zabrudzeniową celem oszczacowania wartości napięcia przeskoku zabrudzeniowego. Układ zasilania transformatora należy przełączyć na zewnętrzny regulator napięcia o mocy 70 kVA. Przy odłączonym odłączniku ustawić na regulatorze napięcia żądaną wartość napięcia a następnie podać napięcie na zabrudzony izolator. W przypadku wystąpienia podczas próby przeskoku w próbie następnej obniżyć wartość napięcia, a w przypadku nie wystąpienia przeskoku podwyższyć (procedura postępowania wg metody góra-dół).

3. Układ pomiarowy

Stanowisko probiercze wyposażone jest w transformator probierczy TP 110 o mocy S_D = 40 kVA. Układ regulacyjny napięcia wykonano dwóch wariantach:

• typowy pulpit regulacyjny (do prób izolatorów suchych) z autotransformatorem o mocy 5 kVA,

• układ regulacyjny specjalny z regulatorem napięcia o mocy 70 kVA.

Układ probierczy wyposażony jest w dwuzakresowy pojemnościowy dzielnik napięcia i woltomierze elektrostatyczne. Przekładnie dzielnika pojemnościowego wynoszą: h₁ = 327 i h₂ = 857 (przy zwarciu zacisków po stronie niskiej dzielnika).

4. Podstawowe pojęcia, zależności i parametry

Charakterystyka zabrudzeniowa izolatora - zależność pięćdziesięcioprocentowego napięcia przeskoku zabrudzeniowego od konduktywności powierzchniowej warstwy zabrudzeniowej k [mS].

Konduktywność powierzchniowa warstwy zabrudzeniowej - konduktancja 1 cm² zabrudzonej powierzchni izolatora wynikająca z zależności:

gdzie f jest współczynnikiem kształtu izolatora [3] wyrażonym przez:

gdzie: L - całkowita długość drogi upływu,

dx - element drogi upływu odległości x od jednej z elektrod (0 < x < L),

B(x) - szerokość lub obwód izolatora o odległości x.

Konduktywność warstwy sprowadza się do temperatury 20⁰C za pomocą wzoru:

Pięćdziesięcioprocentowe napięcie przeskoku zabrudzeniowego (U_p50%) - napięcie przeskoku wyznaczone statystycznie jako wartość oczekiwana przy rozkładzie normalnym.

Średnie odchylenie standardowe - parametr rozkładu normalnego charakteryzujący rozrzut wyników prób.

Napięcie przeskoku izolatora wsporczego porcelanowego U_p w [kV] dla odległości między elektrodami l można wyznaczyć ze wzorów empirycznych:

U_p = 20 + 3,35l dla l > 10 cm

U_p = 7,3l - 0,2l² dla l ≤ 10 cm

Napięcie początkowe wyładowań ślizgowych U_śl w [kV] układu przepustowego cylindrycznego:

gdzie: D - zewnętrzna średnica cylindra w [cm],

d - wewnętrzna średnica cylindra w [cm],

e_r - przenikalność elektryczna względna dielektryku stałego.

Napięcie przeskoku układu przepustowego cylindrycznego U_p :

gdzie: l - długość izolatora w [cm] pozostałe oznaczenia jak wyżej.

Parametry układów modelowych

Nazwa modelu	Wymiary w [mm]	er
Model układ wsporczego	D = 200 d = 180	6
Model układu przepustowego	D = 200 d = 180	6
Izolator długopniowy LP 60/5U	Lupł = 520 f = 3,0	-

5. Sprawozdanie

Sprawozdanie winno zawierać:

• Wykresy zależność napięcia przeskoku U_p od odstępu elektrod l modelu izolatora wsporczego (pomiarowy i obliczeniowy).

• Wykresy zależności napięcia pojawienia się wyładowań ślizgowych U_śl i napięcia przeskoku od odstępu elektrod modelu izolatora przepustowego (pomiarowe i obliczeniowe).

• Obliczenie piędziesięcioprocentowego napięcia przeskoku zabrudzeniowego U_p50% wg metody góra-dół (załącznik nr 1). Założyć prawdopodobne 20 wyników pomiarów biorąc pod uwagę wartość oszacowanego napięcia przeskoku zabrudzonego izolatora. Przyjąć do obliczeń wartość DU = 1,0 kV.

6. Zagadnienia kontrolne

Wpływ powierzchni równoległej układu dielektryk stały - powietrze na napięcie przeskoku przy technicznie czystej powierzchni.

Mechanizmy rozwoju wyładowań powierzchniowych:

• w układzie typu wsporczego,

• w układzie typu przepustowego,

• wzdłuż powierzchni zabrudzonej i zawilgoconej.

Wymagania dla układów probierczych wysokiego napięcia - uzasadnienie.

Parametry konstrukcyjne izolatorów.

7. Literatura

Flisowski Z.: "Technika Wysokich Napięć" WNT, Warszawa 1988 i 1992 i 1995

Dokument IEC 507, "Artifical Pollution Tests on High Voltage Insulators to be Usedon A.C. Systems", 1988.

PN-79/E 06303, "Narażenia zabrudzeniowe izolacji napowietrznej i dobór izolatorów do warunków zabrudzeniowych".

Załącznik nr 1

Metoda góra-dół wyznaczenia pięćdziesięcioprocentowego

napięcia przeskoku zabrudzeniowego

Przy postępowaniu wg metody góra-dół, napięcie jest zmieniane stopniami tak, że przy każdej kolejnej próbie różni się ono o stałą wartość DU od wartości napięcia przy poprzedniej próbie, przy czym jeżeli przeskok nie wystąpił, ulega ono zwiększeniu, a jeżeli wystąpił - obniżeniu. Różnice napięcia probierczego dobierane są w zakresie 0,5 ÷ 1 s ; praktycznie stanowi to 1 ÷ 10 kV, przy napięciu probierczym 100 kV. Wyniki próby grupuje się według poziomów napięcia probierczego. Oblicza się ogólną liczbę prób n_i oraz liczbę przeskoków n_pi, odpowiadających danemu napięciu. Najwyższy poziom napięcia probierczego, przy którym nie wystąpił żaden przeskok otrzymuje indeks i = 0. Na podstawie serii takich prób, obejmujących co najmniej 20 pomiarów, wylicza się U_p50% i s ze wzorów:

gdzie: U₀ - wartość napięcia probierczego na najwyższym poziomie, przy którym nie wystąpił przeskok,

DU - różnica napięcia między kolejnymi stopniami,

N - mniejsza liczba z sumy prób przy wszystkich poziomach napięcia, w trakcie których wystąpił przeskok, bądź przeskoku nie było. Znak “+” we wzorze odpowiada przypadkowi, gdy mniejsza liczba prób N odpowiada niewystąpieniu przeskoków (przeskoków było więcej), znak “-” przeciwnej sytuacji,

przy czym

m - liczba stopni napięcia probierczego (bez stopnia zerowego),

n_i - liczba tego zdarzenia (przeskok lub brak przeskoku) na poziomie i, któremu odpowiada liczba N.

---