Длина пути утечки — это наименьшее расстояние по поверхности изолирующей детали между металлическими частями разного потенциала.
Эффективная длина пути утечки — это длина пути утечки, фактически используемая при работе изолятора или изоляционной конструкции в условиях загрязнения и увлажнения.
Расчёт длины пути утечки при выборе изоляции — это критически важный этап проектирования любого электрооборудования, особенно высоковольтного. От правильного решения зависит работоспособность и стоимость оборудования, электробезопасность персонала и целостность материала на протяжении всего срока службы.
Какие виды изоляции существуют и в каком порядке выполняется их выбор — разберём в этой статье.
СОДЕРЖАНИЕ:
1. Виды изоляции
В электроэнергетике изоляторы можно разделить на керамические (фарфоровые, стеклянные) и полимерные (композитные). Каковы главные достоинства и недостатки каждого из них?
- абсолютно стойки к УФ-излучению и озону;
- очень высокая механическая прочность на сжатие;
- не «стареют» со временем;
- сами сигнализируют о пробое (раскалываются).
- тяжёлые (требуют мощных опор);
- хрупкие;
- активно накапливают пыль и влагу, что снижает их разрядные характеристики.
- очень лёгкие (в 5–10 раз легче керамики);
- гидрофобные (вода скатывается каплями, смывая грязь);
- устойчивы к ударам и взрывам;
- просты в обслуживании.
- ограниченный срок службы (из-за старения силикона под солнцем);
- боятся точечных повреждений (надрезов);
- не терпят химических растворителей.
Первоочередным параметром при выборе изоляции является степень загрязнения.
2. Определение степени загрязнения атмосферы
Начнём с вопроса выбора руководящего документа по определению степени загрязнения.
1) В РД 34.51.101-90 «Инструкция по выбору изоляции электроустановок» указано 7 степеней загрязнения (СЗ): от I до VII.
2) ПУЭ и ГОСТ 9920 устанавливают 4 степени загрязнения:
- 1 — лёгкая степень;
- 2 — средняя;
- 3 — сильная;
- 4 — очень сильная.
3) Современные ГОСТ (например, ГОСТ Р 56736), разработанные на основе европейских стандартов, выделяют 5 степеней загрязнения:
- а — очень лёгкое загрязнение;
- b — лёгкое;
- с — среднее:
- d — сильное;
- е — очень сильное.
4) В последние редакции (2025 г.) европейского стандарта IEC TS 60815 появился дополнительный, 6-й класс «f» (экстремально тяжёлый). Он предназначен для особых случаев, когда возможностей класса «e» недостаточно. В этих условиях предполагается использование полупроводящей глазури на изоляторах (которая прогревается и сжигает грязь) или обязательная установка систем горячей промывки водой под давлением.
В текущих проектах мы пока рассматриваем 4 степени загрязнения. Вот их характеристики:
- Степень 1. Загрязнение отсутствует, поверхность сухая, непроводящая. Пример: оборудование внутри герметичных шкафов с климат-контролем, лаборатории, медицинская техника.
- Степень 2. Непроводящее загрязнение, но возможна временная проводимость из-за конденсации. Пример: бытовые приборы, щитки, розетки, выключатели. Большинство потребительского оборудования рассчитано именно на эту степень загрязнения.
- Степень 3. Проводящее загрязнение. Пример: промышленная среда, цеха с цементной, угольной или текстильной пылью, помещения с высокой влажностью, ОРУ вблизи оживлённых магистралей.
- Степень 4. Загрязнение с устойчивой проводимостью. Пример: ОРУ вблизи морей, химических заводов, металлургии, где на изоляторах оседает проводящий налёт (соли, кислоты, дождя или снега).
Степень загрязнения в районе эксплуатации оборудования должна определяться в зависимости от характеристик источников загрязнения и расстояния от них до электроустановки. В нашем случае, вблизи ОРУ 110 кВ присутствует источник загрязнения атмосферы — химический завод. Производственное предприятие находится в 2,3 км от объекта энергетики, а расчётный объём выпускаемой продукции составляет более 3500 тыс. т/год.
В соответствии с табл. 1.9.3 ПУЭ принимается 3-я степень загрязнения для оборудования, установленного на открытом воздухе.
Методы решения проблемыЧем выше степень загрязнения, тем меньше сопротивление изоляции в рабочем состоянии. Чтобы не происходило перекрытий можно использовать разные методы. Например:
- Увеличить расстояние между токоведущими частями разного потенциала.
- Усложнить профиль изоляции, увеличив длину пути утечки.
- Применить материалы с более высоким индексом трекингостойкости (например, керамику вместо полимера).
Изготовители часто производят оборудование с «запасом», для 2-4 СЗ. Поэтому в задании заводу степень загрязнения (необходимую длину пути утечки) указывают «не хуже» расчётных значений.
При отсутствии продукции для районов с 3-й и 4-й СЗ нормы требуют применять оборудование, изоляторы и вводы на более высокие номинальные напряжения. А в районах с условиями загрязнения, превышающими 4-ю СЗ, следует сооружать ЗРУ В обоснованных случаях допускается сооружение ЗРУ и в районах с 4-й СЗ. Изоляция внутри ЗРУ может приниматься для 1-й СЗ.
ОРУ напряжением 330 кВ и выше, а также ОРУ напряжением 110-220 кВ с большим количеством присоединений не должны располагаться в зонах с 3-й и 4-й СЗ.
3. Расчёт длины пути утечки изоляции
Наибольшее рабочее напряжение электрооборудования — это наибольшее напряжение частотой 50 Гц, неограниченно длительное приложение которого к зажимам разных фаз (полюсов) электрооборудования допустимо по условиям работы его изоляции.
Зачем это определение здесь? Обратим внимание, что понятие «изоляции» взаимосвязано с наибольшим рабочим напряжением. Не с номинальным напряжением сети, а именно с наибольшим рабочим.
В ГОСТ и ПУЭ значения удельной (эффективной) длины пути утечки λ получено отношением длины пути утечки внешней изоляции L к наибольшему рабочему (линейному) напряжению сети Uнр, а в СТО Россетей — к фазному Uфнр, рассчитанному как наибольшее рабочее напряжение сети, делённое на √3.
\[ \mathrm{\lambda = \frac{L}{U_{\text{нр}}} = \frac{L}{\sqrt{3} U_{\text{фнр}}}} \]
В табличных значениях этих документов при пересчёте удельной длины пути утечки имеются небольшие разночтения — спишем их на погрешность расчётов. И отразим в статье единую таблицу, которой можно пользоваться в проектах.
| Номинальное напряжение сети Uн, кВ | Наибольшее рабочее напряжение сети Uнр, кВ | Длина пути утечки внешней изоляции в зависимости от степени загрязнения L, см, не менее | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| I | II | II* | III | IV | ||
| λ, см/кВ | ||||||
| 1,6 | 2,0 | 2,25 | 2,5 | 3,1 | ||
| 6 | 7,2 | 13 | 17 | 18 | 21 | 25 |
| 10 | 12,0 | 22 | 28 | 30 | 35 | 42 |
| 20 | 24,0 | 44 | 55 | 62 | 69 | 84 |
| 35 | 40,5 | 75 | 95 | 105 | 116 | 140 |
| 110 | 126 | 200 | 250 | 280 | 315 | 390 |
| 220 | 252 | 405 | 505 | 570 | 630 | 790 |
| 330 | 363 | 580 | 725 | 800 | 905 | 1120 |
| 500 | 525 | 840 | 1050 | 1180 | 1315 | 1630 |
| 750 | 787 | 1260 | 1575 | 1770 | 1970 | 2440 |
Примечание. В районах со степенями загрязнения II и III допускается устанавливать подстанционное электрооборудование с удельной длиной пути утечки не менее 2,25 см/кВ, поэтому графы II и III предполагается рассматривать только для линейной изоляции, II* — для подстанционной.
ПримерУдельная длина пути утечки внешней изоляции проектируемого оборудования ОРУ 110 кВ в районе с II* СЗ принимается
λ = 2,25 см/кВ,
что соответствует общей длине
L = 2800 мм.
Удельная длина пути утечки для ОПН выбирается не менее, чем на 20% выше, чем для остального оборудования подстанции.
Для ОПН
λ = 2,7 см/кВ (L = 3400 мм).
4. Расчёт количества изоляторов в гирлянде
Количество подвесных тарельчатых изоляторов определяется по формуле
\[ \mathrm{m = \frac{L}{L_u}} \]
где Lu — длина пути утечки изолятора (например, у ПСД-70Е Lu = 41,1 см);
L — длина пути утечки изоляционной конструкции
L = λ∙Uнр∙k,
где удельная длина пути утечки для II* СЗ
λ = 2,25 см/кВ;
наибольшее рабочее линейное напряжение
Uнр = 126 кВ;
коэффициент использования длины пути утечки
k = ku∙kk,
где коэффициент использования изолятора
ku = 1,2;
коэффициент использования составной конструкции с параллельными или последовательно-параллельными ветвями
kk = 1.
Итого, расчётное количество подвесных тарельчатых изоляторов в гирляндах на ОРУ 110 кВ
\[ \mathrm{m = \frac{\lambda \cdot U_{нр} \cdot k_u \cdot k_k}{L_u} = \frac{2{,}25 \cdot 126 \cdot 1{,}2 \cdot 1}{41{,}1} = 8{,}28} \]
В соответствии с НТД в натяжные и поддерживающие гирлянды ОРУ к расчётным значениям необходимо добавлять: для 110-150 кВ — 1 изолятор, 220-330 кВ — 2, 500 кВ — 3, 750 кВ — 4 изолятора.
Добавим 1 изолятор, округлим в большую сторону и примем m = 10 штук.
В гирляндах опор больших переходов ВЛ должно предусматриваться по одному дополнительному тарельчатому изолятору из стекла или фарфора на каждые 10 м превышения высоты опоры сверх 50 м по отношению к количеству изоляторов нормального исполнения.
При расчёте изоляторов различной конфигурации (специального исполнения с сильно развитой поверхностью, со слабо развитой поверхностью и пр.) вводятся дополнительные корректирующие коэффициенты. Их можно найти в ПУЭ и СТО — см. ссылку ниже.
ВЫВОД
Для выбора изоляции на объекте электроэнергетики требуется определиться с вариантами, оценить степень загрязнения атмосферы и рассчитать длину пути утечки. Указанных параметров достаточно на первом этапе выбора оборудования, определения состава гирлянд изоляторов и обращения к производителям. Отражение данной информации — основная цель настоящей статьи.
О других важных параметрах при выборе оборудования, а также порядке расчётов при выборе и проверке ошиновки можно прочитать в других наших статьях.
ССЫЛОЧНАЯ ЛИТЕРАТУРА
Все НТД, скомпонованные по этой теме, можно найти на нашем сайте по ссылке⎘.
ИНТЕРЕСНЫЙ ПУТЬ ОТЕЧЕСТВЕННОЙ И МИРОВОЙ ЭНЕРГЕТИКИ ОТ ФАРФОРА К ПОЛИМЕРУ, ОТ ПОЛИМЕРА К ФАРФОРУ И ОБРАТНО
На первом этапе перехода с традиционной фарфоровой изоляции на полимерную в начале 2000-х годов была эйфория! Полимерные изоляторы продвигались как технология будущего. У них были неоспоримые плюсы: они в разы легче керамики, гидрофобны (не накапливают грязь), устойчивы к вандализму и дешевле в монтаже. Казалось, они решат все проблемы.
Но в процессе внедрения появились и первые разочарования. К 2010-м годам накопилась статистика отказов. Практика показала, что срок годности полимеров не соответствует заявленному. Накопились проблемы: разрушение стеклопластикового сердечника при нагрузке, разрушение силиконовой оболочки под действием электрических разрядов, возникновение внутреннего пробоя при попадании влаги через стыки и поражение оболочки колониями грибов в некоторых климатических зонах. Энергетики столкнулись с тем, что дефекты полимеров сложно диагностировать, в отличие от стекла или фарфора.
Около 10-ти лет назад наметился обратный переход. Россети начали массово заменять полимерную опорную изоляцию ОРУ и полимерные изоляторы ЛЭП обратно на фарфор и стекло.
Последние события в стране поднимают этот цикл на новый уровень. На первый план выходит такое важное достоинство полимера, как устойчивость к ударам... и взрывам
