ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ ИЗОЛЯЦИИ И ЭЛЕКТРОБЕЗОПАСНОСТИ ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ С ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫМИ ОПОРАМИ В СЕТЯХ 6-20 КВ

Ю.Н. Шумилов, А.А. Квицинский В.Г. Сантоцкий, Э.Д. Шумилова

Статья посвящена выбору конструкций и разработке требований к новым линейным изоляторам для распределительных сетей 6-10-20 кВ, обеспечивающих высокую устойчивость воздушных сетей к грозовым перенапряжениям при прямых и индуцированных воздействиях молнии. Повышение грозостойкости изоляторов позволит сократить перерывы в электроснабжении потребителей и уменьшить электротравматизм персонала электрических сетей при востановительных работах.

Ключевые слова: воздушная линия электропередачи, штыревые изоляторы, опорно-стержневые изоляторы, грозовые перенапряжения, электрический пробой, перекрытия изоляторов, перерывы электроснабжения, электробезопасность, надёжность.

Введение. В Украине воздушные линии электропередачи (ВЛ.) класса напряжения 6 и 10 кВ являются наиболее протяженными и, преимущественно, находятся в сельских районах. Их общая длина превышает 280 000 км. Более 95 % ВЛ выполнено на опорах из железобетонных стоек. В сетях, которые имеют железобетонные (металлические) опоры на ВЛ, емкостный ток замыкания на землю ограничен до 10 А. Действующими «Правилами технической эксплуатации электрических станций и сетей» (2003 г.) разрешается работа ВЛ с однофазным замыканием на землю (ОЗЗ) до ликвидации повреждения.

В населенной местности железобетонные опоры имеют заземляющие устройства (ЗУ) с нормированной величиной сопротивления не выше 10, 15, 20 и 30 Ом, в зависимости от величины удельного сопротивления грунта. ЗУ с указанной нормированной величиной сопротивления являются термически устойчивыми к длительно протекающим через них токам ОЗЗ до 10 А.

В ненаселенной местности, где протяженность ВЛ в 3 – 4 раза больше, чем в населенной, сопротивление ЗУ не нормируется. С целью экономии металла, в качестве ЗУ опоры, используется естественная проводимость подземной части железобетонной стойки. Сопротивление такого естественного заземлителя может на один – два порядка превышать величину нормированного сопротивления ЗУ опор в населенной местности, что существенно осложняет поиск места повреждения. Иногда он продолжается сутки и больше и заканчивается термическим поражением естественного заземлителя опоры. Естественные заземлители опор не являются термически устойчивыми к длительно протекающим через них токам ОЗЗ до 10 А и требуют ограничение времени работы ВЛ с ОЗЗ [1].

На всех промежуточных опорах существующих ВЛ установлены штыревые фарфоровые ШФ или стеклянные ШС изоляторы. Штыревые изоляторы соответствуют рекомендациям IEC и требованиям действующих стандартов, но во время эксплуатации на ВЛ повреждаются. По данным [2] до 60 – 70 % устойчивых однофазных замыканий на землю по причине «изоляция» происходит на опорах ВЛ из-за повреждения линейных штыревых изоляторов, остальные 30 – 40 % – из-за разрушения разрядников, ОПН, повреждения изоляции на трансформаторных подстанциях и др. На одно устойчивое ОЗЗ в сети в среднем возникает 1,5 двойных замыканий на землю, что свидетельствует о сравнительно низкой надежности штыревых изоляторов.

Повреждение изоляторов на опорах ВЛ и возникновение однофазных и двойных замыканий на землю обусловлено многими факторами, среди которых наибольшую опасность для ВЛ 6-20 кВ представляют прямые разряды молнии в провод (ПУМ). В [3] показана возможность капилярного пробоя штыревых изоляторов ШФ 20-В и ШФ 10-Г в воздухе по толще диэлектрика на штырь. В основе его лежит комулятивный пробой, который начинает проявляться при крутизне фронта импульса 1600 кВ/мкс и амплитуде 400 кВ.

Для стеклянных штыревых изоляторов ШС характерным является образование в стекле микротрещин, которые под действием переменных электросетевых нагрузок развиваются в трещины.

Изоляторы с капилярным пробоем и изоляторы с трещинами в стекле имеют достаточно высокое выдерживаемое остаточное напряжение (от 25 кВ до 45 кВ, а для изоляторов ШФ 20-В до 70 кВ) и могут находится под рабочим напряжение сети до 2 – 5 лет и более, являясь потенциальной причиной возникновения ОЗЗ и двойных замыканий на землю [4]. Наиболее опасными являются двойные замыкания на землю. Именно они являются причиной перегорания арматуры и разрушения бетона в подземной части опоры в сетях с емкостными токами замыкания на землю до 10 А.

Разрушение бетона и арматуры приводит к непредвиденному падению опор. Одиночные падения железобетонных опор, с гибелью по этой причине людей, возникают в Украине ежегодно.

В письмах «Держгірпромнагляда Украины» №4824/0/41-8/6/13 и №2071/0/4.1-9.1/-6/14, направленных в Минтопэнерго Украины, указано: «Згідно з аналізом виробничого травматизму в енергетичній галузі у 2013 р. травмовано 171 особу, утому числі 20 – з смертельним наслідком. Основними видами подій, під час яких сталися нещасні випадки зі смертельним наслідком були: ураження електричним струмом та падіння потерпілого з висоти разом з опорою».

Режим ОЗЗ также влияет на изоляцию другого оборудования электрической сети. Такое положение в украинских сетях 6, 10 кВ должно быть исправлено.

Кроме того, при индуктированных перенапряжениях от близких к ВЛ ударов молнии (IO) происходят импульсные перекрытия штыревых изоляторов с последующим переходом их в дуговой разряд при котором ВЛ отключается. В [5] показано целесообразность учета индуктированных перенапряжений при разработке изоляционных конструкций для ВЛ напряжением 6 – 20 кВ.

Целью работы является выбор конструкции и разработка требований к новым линейным изоляторам ВЛ 10-20 кВ, обеспечивающих высокую устойчивость к грозовым перенапряжениям при прямых и индуктированных воздействиях молнии.

Основные материалы исследований. В странах, где переход на железобетонные опоры сопровождался применением опорно-стержневых изоляторов вместо штыревых изоляторов подобных проблем нет и не было. В России и Белоруссии, где в сетях 6 – 10 кВ существуют такие же проблемы как и в Украине [6, 7], для повышения надежности распределительных сетей 6, 10 кВ в 2004 – 2009 гг. приступили к освоению и установке опорно-стержневых изоляторов (фарфоровых и полимерных) на замену штыревых [8].

Кардинальным решением проблемы снижения аварийности ВЛ 10-20 кВ в Украине будет установка вместо штыревых изоляторов - опорно-стержневых изоляторов (фарфоровых и/или полимерных). Их конструкция показана на рис. Учитывая ведущиеся разработки по применению в украинских распределительных сетях напряжения 20 кВ, в программу работ также включены изоляторы напряжением 20 кВ.

Рис. Эскиз опорно-стержневого изолятора для ВЛ 10-20 кВ, варианты А и Б

Еще более эффективным решением может быть применение изоляционных траверс. Применение траверс позволит намного повысить импульсную электрическую прочность, влагоразрядное напряжение изоляции и уменьшить вероятность перехода грозовых разрядов в дуговые.

Для тупиковых и незакольцованных линий установка опорно- стержневых изоляторов либо траверс является практически единственным наиболее дешевым способом решения проблемы непредвиденного отключения электроэнергии потребителям и снижения электротравматизма и смерти людей. В Украине опорно-стержневые изоляторы для ВЛ-6-10 кВ не выпускаются.

В связи с этим НПЦР ОЭС Украины совместно с ООО «Производственное объединение Славянский завод высоковольтных изоляторов» (ООО «ПО СЗВИ»), г. Славянск, на совещании 25.09.2017 г. рассмотрели техническую сторону вопроса разработки и освоения производства надежных конструкций опорно-стержневых изоляторов и траверс для ВЛ-10 кВ и ВЛ-20 кВ. Рассматривался вопрос разработки изоляторов и траверс в 2-х исполнениях – полимерных и фарфоровых, пригодных для использования как на ВЛ с изолированными проводами, так и на ВЛ с защищенными проводами.

Особое внимание было уделено требованиям к новым изоляторам. Рассмотрим эти вопросы.

Требование к нормированной изгибающей нагрузке. В каталогах на штыревые изоляторы ШФ-10-20 кВ и ШС-10-20 кВ указывается нормированная механическая сила на изгиб Fизг =12,5 кН. Поясним обоснование величины Fизг =12,5 кН. Это важно понимать при обосновании выбора Fизг. для полимерных опорно-стержневых изоляторов.

Гарантированная разрушающая нагрузка на изгиб штырей и крюков по всем проектам не превышает 3 кН, а разрушающая нагрузка на опору с тремя изоляторами – не более 8 кН. Фарфоровые изоляторы с учетом возможной разнородности сырьевых материалов (глина, каолин, песок), условий обжига, хрупкости, непрогнозируемого старения конструировались с заранее завышенными характеристиками по прочности, чтобы гарантировать при эксплуатации необходимую (2÷3 кН) прочность на изгиб. При этом на практике применяющийся полиэтиленовый колпачок между штырем и фарфоровым изолятором срывается при меньших нагрузках в результате изгиба штыря: на нагрузке порядка 1,5÷2,0 кН.

По условиям проведения испытаний штыревых фарфоровых изоляторов на механическую нагрузку, изолятор со специальным высокопрочным стержнем (сталь 40Х, диаметр у основания – 40 мм) армируют глухой заделкой с помощью цементнопесчаной связки. Только при глухой армировке со специальным стержнем, который не гнется при нагрузке 12,5 кН, удается провести испытания.

Однако, в обычных условиях узел «изолятор–нормальный штырь» не выдерживает более 3 кН, поэтому применение на промежуточных опорах изоляторов с бóльшей разрушающей нагрузкой экономически нецелесообразно и может привести к падению самой опоры, дополнительным затратам и времени на восстановление опоры. В случае же поломки изолятора при нагрузке (например, 4 кН) меньшей, чем прочность опоры (8 кН), электроснабжение можно быстро восстановить, заменив изолятор. При этом провод в большинстве случаев не падает на землю, так как остается висеть на сломанном изоляторе, если, конечно, прекращено воздействие нагрузки (например, причиной аварии было падение дерева) [9].

В проектах на железобетонные опоры предусматриваются максимальные тяжения в следующих значениях: 2; 4; 6; 8 кН. Нужен ли полимерный изолятор на нагрузку 12,5 кН? Такой изолятор будет достаточно дорогой. Мы считаем, что для массового применения целесообразно разработать два типоразмера изолятора: на нагрузки 4 кН и 8 кН. Они вполне обеспечат надежность при действующих в эксплуатации механических нагрузках.

Требования к грозоупорности. Для удовлетворения требований по высокой грозоупорности необходимо выполнить два условия:

1. Не допустить сквозного либо капиллярного пробоя диэлектрика при прямых ударах молнии в провод.

2. Не допустить перекрытия изоляторов при индуктированных перенапряжениях с последующим переходом искрового разряда в дуговой [5].

Удовлетворение этих требований позволит исключить в воздушных линиях опасные режимы ОЗЗ и двойные замыкания на землю, а также существенно сократить число отключений ВЛ от индуктированных перенапряжений.

Для исключения пробоя необходимо увеличить толщину диэлектрика в изоляционной части (детали) изолятора, а для исключения перекрытия – увеличить разрядное расстояние по поверхности (расстояние между металлическими частями по воздуху). В обоих случаях цель достигается увеличением изоляционной высоты опорно-стержневого изолятора h.

Разрядное расстояние ℓр для опорных изоляторов определяется по известному выражению [10]: Uimp.+ = 670·ℓр., (1)

где Uimp.+ – воздействующее на изолятор импульсное напряжение от индуктированных волн при грозовом разряде (амплитудное значение), кВmax; ℓр – разрядное расстояние, м.

Амплитудные значения импульсных перенапряжений Uimp.+ имеют статистическую природу. Экспериментальные законы распределения амплитуд индуктированных перенапряжений в сетях 6 - 10 кВ изучались в работе [5]. В ней показано, что на уровне вероятности Р(Uimp.+) < 0,08÷0,05 амплитудные значения Uimp.+ составляют 200÷300 кВmax.

Подставив эти значения в формулу (1), находим, что ℓр может быть принято в диапазоне 300÷450 мм. Учитывая достаточно малую вероятность перекрытия при таких разрядных расстояниях ℓр. Опасная в линии ситуация, связанная с возникновением ОЗЗ при индуктированных перенапряжениях, будет сведена до минимума.

Для опорно-стержневых изоляторов 6 - 20 кВ толщина изоляционной детали по оси изолятора составит 290÷430 мм, что на порядок больше, чем у штыревых изоляторов. При таких толщинах изолятор становится непробиваемым, то есть первое условие грозоупорности также выполняется.

На основании вышеприведенных разъяснений были сформулированы основные требования к опорно-стержневым изоляторам для воздушных линий 10 - 20 кВ, приведенные в табл.

Основные технические требования к опорно-стержневым изоляторам для ВЛ-10-20 кВ

Наименование показателя	Фарфоровые изоляторы 10 кВ 20 кВ	Полимерные изоляторы 10 кВ 20 кВ
Механическая сила на изгиб Fbend, кН	4 4	4 4
Разрядное расстояние ℓр, мм	300 450	300 450
Испытательное напряжение грозового импульса, кВmax	200 300	200 300
Длина пути тока утечки (не менее), мм	400 700	400 700

Выводы.

1. Сформулированы основные технические требования к опорно-стержневым линейным изоляторам для ВЛ 10-20 кВ

2. На ВЛ 10 кВ расположенных в районах с повышенной грозовой деятельностью рекомендуется применять линейные опорно-стержневые изоляторы вместо штыревых. На ВЛ-20 кВ рекомендуется применять только опорно-стержневые изоляторы.

3. Применение на ВЛ-10-20 кВ опорно-стержневых изоляторов высокой грозоупорности существенно повысит электробезопасность и надежность электроснабжения потребителей.

4. Увеличенная в 2-3 раза стоимость опорно-стержневых изоляторов по сравнению с применяемыми будет компенсирована за счет эффектов от сокращения количества разрушаемых опор, ущерба от недоотпуска электроэнергии, от трудозатрат при транспортировании и восстановлении разрушенных опор, моральной стороны от снижения несчастных случаев при поражении электрическим током в зоне аварийной ситуации.

5. Предлагаемые для ВЛ-10-20 кВ изоляторы могут быть использованы для крепления как голых так и защищённых проводов.

6. Исключение из конструкции наиболее слабых элементов - колпачков и штырей повысит надёжность силового изоляционного узла.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Квицинський А.О., Сантоцький В.Г. Аналіз доцільності заземлення нейтралі через високоомний резистор в мережах з повітряними лініями на залізобетонних опорах і струмами замикання на землю до 10 А. // Электрические сети и системы № 4-5, 2016 – С. 27-32.

2. Сантоцкий В.Г. Некоторые результаты автоматической регистрации замыканий на землю в воздушных сетях 10 кВ. //Інформаційний збірник інституту «Укрсільенергопроект» «Розподільчі електромережі». – 2016 – №3-4. – С.17-24.

3. Иерусалимов М.Е., Ильенко О.С., Козюра В.Н., Соко-ловский С.А. Исследование импульсных харакетристик штыревых изоляторов. // Техническая электродинамика. – 1983, – №5. – С.3-9.

4. Сантоцкий В.Г. Об остаточной электрической прочности штыревых изоляторов 10 и 20 кВ, пробитых грозовыми импульсами, и продолжительности их пребывания в электриче-ской сети 10 кВ под рабочим напряжением. // Тезисы рабочего совещания 4-й секции научного совета по теоретическим и электрофизическим проблемам повышения надежности и долговечности изоляции сетей с изолированной нейтралью. – Таллин, 1981. – C. 180

5. Малышева Е.П. Повышение надежности распределительных сетей от 6 до 10 кВ на основе моделирования и усиления грозоупорности. // Диссертация на соискание ученой степени к.т.н. – Новосибирск, 2006.

6. Федосеенко Р.Я., Мельников А.Я. Эксплуатационная надежность электросетей сельскохозяйственного назначения. – М.: «Энергия», 1997. – C. 320 .

7. Шерстобитов Р.М. Влияние однофазных замыканий на землю в сети ВЛ 10 кВ на надежность электроснабжения потребителей // Надежность и безопасность энергетики. – 2010. – С.63-66.

8. Номенклатура высоковольтных полимерных изоляторов. Основные линейные штыревые полимерные изоляторы для ВЛЭП 20 кВ. Каталог ЗАО «Арматурно-изоляторый завод». – Лыткарино, 2013.

9. Опорные линейные стержневые полимерные изоляторы. Available at: https://electro-montagnik.ru/lectures/part 2/file/OLK pdf. (Accessed. 2013 )

10. Синявский В.Н. Расчет и конструирование электрокера-мических изоляторов. – М., «Энергия», 1977. – C. 192 .

11. Sangkasaad S. Research and Experience with New Insulator Technologies in Thailand // Proceeding of 2001 World Insulator Congress: Applying New Technologies for Better Reliability and Lower Costs. – Shanghai, 2001. p. 154-167.

Шумилов Юрий Николаевич – доктор технических наук, профессор, зам. директора ООО «ПО Славянский завод высоковольтных изоляторов», г.Славянск. ул. Краматорская, 79, тел.: 0951813515; e-mail «sumilovurij2@gmail.com».