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

2020-06-24 06:16:19

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
покрышки

Длина пути
утечки, мм

Для электроподвижного состава

1

ОПН ТМ – 3,3 УХЛ2
ТУ 3414-018-04682628-97

ОАО «НИИ Электрокерамики»
г. Санкт-Петербург

Фарфор

120

2

ОПН – 3,3  01
ТУ 3414-002-00468683-93

АО «ЭЛВО»
г. Великие Луки

Фарфор

180

Для контактной сети

1

ОПН-П1-3,3 УХЛ1

АО «ЭЛВО»
г. Великие Луки

Силиконовая резина

280

2

ОПН-3,3 КС УХЛ1

ОАО «НИИ Электрокерамики»
г. Санкт-Петербург

Фарфор

300

3

Polim – C 4,7 DС

АВВ High Voltage Technologies Ltd.
Швейцария

Силиконовая резина

262

4

Polim – C 5,6 DС

АВВ High Voltage Technologies Ltd.
Швейцария

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,
не менее

Основание для выбора

03

IV

150

150

Снижение закупочной стоимости ОПН
для КС в зоне IV СЗА

02

V-VI

200

150

Снижение закупочной стоимости ОПН
для КС в зоне V-VI СЗА

01

VII

300

150

Базовый вариант для контактной сети 3,3 кВ

00

экстремальные условия

600

150

Формальное обеспечение требования
п. 2.9.16 Правил ЦЕ-0023 и требований, заложенных в документации конкурсных торгов.

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.

назад к статьям