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
Удельная длина пути утечки |
СЗА |
|||
IV |
V |
VI |
VII |
|
λ, см/кВ, не менее |
2,35 |
3,00 |
3,50 |
4,20 |
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
№ |
Тип ОПН |
Производитель |
Материал |
Длина пути |
Для электроподвижного состава |
||||
1 |
ОПН ТМ – 3,3 УХЛ2 |
ОАО «НИИ Электрокерамики» |
Фарфор |
120 |
2 |
ОПН – 3,3 01 |
АО «ЭЛВО» |
Фарфор |
180 |
Для контактной сети |
||||
1 |
ОПН-П1-3,3 УХЛ1 |
АО «ЭЛВО» |
Силиконовая резина |
280 |
2 |
ОПН-3,3 КС УХЛ1 |
ОАО «НИИ Электрокерамики» |
Фарфор |
300 |
3 |
Polim – C 4,7 DС |
АВВ High Voltage Technologies Ltd. |
Силиконовая резина |
262 |
4 |
Polim – C 5,6 DС |
АВВ High Voltage Technologies Ltd. |
Силиконовая резина |
262 |
Примечание. Для массового применения ОПН в контактной сети российские железнодорожники ориентируются на 2 типа ОПН: Polim – C 4,7 ДС, Polim – C 5,6 ДС с длиной пути утечки 262 мм. |
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
Исполнение |
СЗА |
L, см |
Н*из, мм, |
Основание для выбора |
03 |
IV |
150 |
150 |
Снижение закупочной стоимости ОПН |
02 |
V-VI |
200 |
150 |
Снижение закупочной стоимости ОПН |
01 |
VII |
300 |
150 |
Базовый вариант для контактной сети 3,3 кВ |
00 |
экстремальные условия |
600 |
150 |
Формальное обеспечение требования |
Предполагаем, что базовым вариантом для применения ОПН 3,3-4 КС является исполнение 01 с длиной пути утечки 300 мм.
Литература