Обоснование выбора длины пути утечки для ОПН 3,3 кВ постоянного тока

Ю. Н. Шумилов, доктор техн. наук,

ООО «ПО СЗВИ»

Для контактной сети (КС) постоянного тока 3,3 кВ длина пути утечки L полимерных изоляторов согласно [1] должна быть не менее 600 мм и в анкеровках – не менее 800 мм.
Для ограничителей перенапряжений 3,3 кВ постоянного тока длина пути утечки внешней изоляции в Правилах ЦЕ-0023 [1] не регламентируется. В то же время принять длину пути утечки для ОПН такой же, как для полимерных изоляторов, технически и экономически нецелесообразно, поскольку при L=600 мм массо-габаритные показатели ОПН будут избыточны, а цена увеличена.
Приведем обоснование необходимой длины пути утечки для ОПН 3,3 кВ постоянного тока.

1. Прежде дадим краткую историческую справку, откуда появилась норма L=600 мм для полимерных подвесных изоляторов для КС 3,3 кВ постоянного тока:
в пунктах 2.9.15-2.9.16 «Правил улаштування… ЦЕ-0023 [1] указано: «В контактной сети постоянного тока независимо от СЗА должны применяться гирлянды из 2-х тарельчатых изоляторов с длиной пути утечки не менее 600 мм». Применяемые фарфоровые тарельчатые изоляторы ПФ 6-А, ПВ 6-В имеют фактическую длину пути утечки 300 мм. Каждый из применяемых изоляторов при   L=300 мм имеет вполне достаточную электрическую прочность для напряжения 3,3 кВ постоянного тока. Однако, применение сдвоенных изоляторов в подвеске хотя и увеличивает строительную стоимость контактной сети, но резко повышает бесперебойность энергоснабжения и движения поездов в случае механического повреждения одного из изоляторов (при вибрациях, ударах и пр.). Изоляторы, получившие механическое повреждение, могут быть заблаговременно выявлены при профилактических осмотрах и испытаниях КС и заменены изолятора  без создания аварийной ситуации.

Длина пути утечки 2-х тарельчатых изоляторов составляет ~600 мм. Эта норма автоматически была перенесена также на полимерные стержневые изоляторы 3,3 кВ постоянного тока. Длина пути утечки 600 мм для полимерных подвесных и натяжных изоляторов не вызывала вопросов, поскольку при длине пути утечки 600 мм обеспечивалась изоляционная длина изоляторов Низ порядка 320 мм, что оказалось целесообразным с точки зрения повышения грозоупорности КС при возникновении индуктированных перенапряжений в КС при разрядах молнии в землю или на другие предметы, находящиеся вблизи контактной сети, – наиболее частый вид грозовых перенапряжений в КС (не путать с прямым ударом молнии в провод или опору).

В случае ОПН-3,3 кВ ситуация иная.
Воздействующая на изоляцию ОПН-3,3 кВ амплитуда грозовых перенапряжений ограничивается остающимися напряжениями на ОПН ~ 18-19 кВ (роговые разрядники ограничивают перенапряжения 35 кВ и более), поэтому для ОПН 3,3 кВ нет необходимости увеличивать изоляционную высоту покрышки более 150 мм (норма согласно п. 2.9.5 «Правил улаштування…» ЦЕ-0023), точно также, как нет необходимости создавать длину пути утечки ОПН-3,3 кВ равной 600 мм с точки зрения перекрытий в загрязненном и увлажненном состоянии.

2. Приведем обоснование выбора необходимой для ОПН 3,3 кВ по условию работы в загрязненном и увлажненном состоянии.
Известно, что на постоянном токе загрязненность изоляторов, в том числе полимерных, выше, чем на переменном токе за счет эффекта «электрофильтра» [4].
В зоне слабых загрязнений она выше примерно в 3 раза, но в зоне сильных загрязнений практически одинакова.

Кроме этого на постоянном токе и при одинаковой степени загрязненности разрядные напряжения ниже, чем на переменном токе. Физически это объясняется большей стабильностью частичных поверхностных дуг и большей длительностью их горения на постоянном токе, т.к. нет перехода напряжения через нуль в течение периода, как на переменном токе.

Учитывая изложенное, при определении длины пути утечки полимерной  изоляции для работы на постоянном токе в известную формулу для определения длины пути утечки L фарфоровых (стеклянных) изоляторов, работающих на переменном токе,  необходимо ввести поправочный коэффициент kп, причем коэффициент kп должен учитывать  также гидрофобность и конструктивные особенности полимерных опорно-стержневых конструкций.

На переменном токе расчет L (в сантиметрах) производится по формуле (1):

L = λ · Uнр· kи,                                                       (1)

где  λ   – удельная длина пути утечки, см/кВ;
Uнр–наибольшее рабочее напряжение сети, кВ;
kи  – коэффициент использования длины пути утечки изолятора [2].

Для опорно-стержневых изоляторов и покрышек (оболочек) электрических аппаратов  kи определяют как:

kи  = 0,33·(1+L/H)                                                    (2)

где Н – изоляционная длина, см.
Для опорно-стержневых изоляторов при соотношении L/H = 2÷2,3  kи принимают равным 1,1.
Удельная длина пути утечки λ регламентируется главой 1.9 ПУЭ:2006 и приведена в таблице 1.

Таблица 1

        
Для постоянного тока выражение (1) с учетом поправки примет вид:

L = λ · Uнр· kи· kп                                                 (3)

Для определения kп были обобщены данные опыта эксплуатации [5, 6] по загрязняемости и разрядным характеристикам полимерных изоляторов, демонтированных после 6 – 12 лет эксплуатации в зонах с различной СЗА. Обобщенные данные приведены в таблице 2.

   Таблица 2

         Используя коэффициенты kп из таблицы 2, были вычислены расчетные значения L для ОПН 3,3-4 КС при работе в зонах с различной СЗА.
Пример: для ОПН 3,3-4 КС и VII СЗА величина L рассчитывалась как:

L = λ · UНР · kи· kп = 4,2·4·1,1·1,24=22,9 см=229 мм.

         Для всех зон с различной СЗА результаты расчета L представлены в виде графика, рисунок 1.

Рисунок 1

Значения L для зон с экстремальным загрязнением получены экстраполяцией, т.к. в таблице 1 отсутствуют соответствующие значения λ.

Из рисунка 1 следует, что даже для крайних и маловероятных величин загрязнений ≈ 30 мкСм расчетная величина L для ОПН- 3,3 кВ с силиконовой оболочкой не превышает 275 мм, в связи с чем для ОПН 3,3-4 КС для экстремальных загрязнений длина пути утечки  L с некоторым запасом может быть принята равной 300 мм. Для IV-VII СЗА длина пути утечки может быть принята меньше 300 мм (см. ниже).
Выполненные нами расчеты длины пути утечки L для ОПН 3,3-4 КС достаточно близко приближаются к величинам L в ОПН-3,3 кВ, выпускаемых ведущими зарубежными фирмами,  таблица 3.

Таблица 3- Длина пути утечки ограничителей перенапряжений, выпускаемых российскими и зарубежными фирмами для сети постоянного тока 3,3 кВ

На основе изложенного предлагаем осуществлять выбор ОПН-3,3 кВ для сетей постоянного тока из следующего тироразмерного ряда, приведенного в таблице 4.

Таблица 4 - Предлагаемый типоразмерный ряд ОПН 3,3-4 КС с различной длиной пути утечки

Предполагаем, что базовым вариантом для применения ОПН 3,3-4 КС является исполнение 01 с длиной пути утечки 300 мм.

Литература

1. ЦЕ-0023 Правила улаштування та технічного обслуговування контактної мережі електрифікованих залізниць., Київ, 2008.
2. Інструкція з вибору та експлуатації зовнішньої ізоляції електроустановок 6 – 750 кВ на підприємствах Міненерго України. ГКД 34.51.101 – 96., Науково-інженерний енергосервісний центр, Київ, 1999.
3. Исследования и опыт эксплуатации подвесных полимерных изоляторов. Гутман И.Ю., Кравченко В.А., Соломоник Е.А., Ежемесячный производственно-технический журнал «Электрические станции» 12, 1995, Москва НТА «Энергопрогресс».
4. Выбор внешней изоляции для линий электропередачи постоянного тока. Владимирский Л.Л., Проскуров А.И., Ежемесячный производственно-технический журнал «Электрические станции» №12, 1995, Москва, НТА «Энергопрогресс».
5. Отчет о научно-исследовательской работе. Исследование эксплуатационной надежности полимерных изоляторов, установленных в электросетях Украины. НИИВН, Славянск, 1994.
6. Исследование эксплуатационной надежности полимерных изоляторов в электросетях Украины, НИИВН, Славянск, 1996.
7. Глава 1.9 «Зовнішня ізоляція електроустановок» ПУЭ:2006.