ГОСТ Р 56735-2015 (IEC/TS 60815-1:2008) Изоляторы высокого напряжения для работы в загрязненных условиях. Выбор и определение размеров. Часть 1. Определения, информация и общие принципы

Приложение B
(справочное)

Механизмы перекрытия загрязненной изоляции

B.1 Механизм перекрытия изоляции при загрязнении типа A

Для ясного понимания природы этого явления процесс перекрытия изолятора по его поверхности, предварительно загрязненной твердыми отложениями (загрязнение типа A), разделен на шесть фаз, описанных ниже. В действительности эти фазы не четко выражены, но склонны к сливанию.

На процесс формирования разряда вдоль загрязненной поверхности оказывают существенное влияние свойства поверхности изолятора. Различают два состояния поверхности: гидрофильное или гидрофобное. Гидрофильное состояние поверхности в целом присуще стеклянным и керамическим изоляторам, а гидрофобное - изоляторам, выполненным из полимерных материалов, в особенности, на основе силиконовой резины. При увлажнении дождем, туманом и т.д., гидрофильные поверхности полностью намокают. В результате на поверхности изолятора появляется электролитическая пленка. При увлажнении же гидрофобной поверхности вода собирается в отдельные капли.

На процесс формирования разряда вдоль загрязненной поверхности существенное влияние оказывают форма воздействующего напряжения (напряжение переменного или постоянного тока). При воздействии напряжения переменного тока процесс продвижения дуги вдоль поверхности изолятора может подвергаться нескольким циклам и поэтому в каждый полупериод напряжения дуга то возникает, то гаснет при напряжении, близком к нулевому значению.

Усложняющей характерной чертой рассматриваемого перекрытия является разряд в воздухе между соседними точками профиля изолятора (например, между ребрами), который ухудшает разрядную характеристику изолятора за счет сокращения общей длины дуги. Кроме того, водяные капли и струйки могут также способствовать снижению электрической прочности изоляции. Процесс, описанный ниже, характерен для гидрофильных поверхностей, таких как керамические материалы.

Фаза 1: Изолятор покрывается слоем загрязнения. Если загрязнение непроводящее (низкая проводимость) в сухом состоянии, то перед появлением разряда необходимо небольшое увлажнение (фаза 2).

Фаза 2: Поверхность загрязненного изолятора увлажняется. Увлажнение изолятора может происходить следующим образом: при поглощении влаги, конденсации и выпадении осадков. Сильный дождь (осадки) может смыть электролитические компоненты слоя загрязнения частично или полностью без возникновения других фаз разрядного процесса, или он может способствовать возникновению разряда в воздушных промежутках между ребрами. Поглощение влаги возникает в периоды высокой относительной влажности воздуха (<75% ОВ), когда температура изолятора и окружающего воздуха становится одинаковой. Конденсация возникает, когда увлажнение воздуха приводит к конденсации на поверхности изолятора, где температура ниже, чем точка росы. Это явление возникает на рассвете или перед ним.

Фаза 3: Находящийся под напряжением изолятор покрыт слоем проводящего загрязнения. Под действием протекающих поверхностных токов утечки в течение нескольких периодов промышленной частоты происходит нагрев, приводящий к высушиванию отдельных частей слоя загрязнения. В результате на поверхности изолятора образуются так называемые сухие пояса.

Фаза 4: Слой загрязнения высушивается неравномерно. Проводящие части поверхности изолятора прерываются сухими поясами, что приводит к прерыванию тока утечки.

Фаза 5: Фазное напряжение, действующее вдоль множественных сухих поясов (которые могут достигать нескольких миллиметров в ширину) вызывает перекрытие сухих поясов по воздуху с образованием дуговых каналов, последовательно соединенных с участками увлажненной проводящей поверхности слоя загрязнения изолятора. Каждый раз, когда происходит искровое перекрытие сухих поясов, возникают броски токов утечки.

Фаза 6: Если сопротивление увлажненной и проводящей части слоя загрязнения будет достаточно низкое, то дуги, перекрывающие сухие пояса, будут поддерживаться и, в конечном итоге, могут продолжать распространяться вдоль изолятора, занимая все большую и большую часть его длины. В свою очередь, это приводит к снижению сопротивления цепочки, состоящей из последовательного соединения проводящих участков поверхности изолятора и дуговых каналов, перекрывающих сухие пояса. В результате ток утечки возрастает, обеспечивая условия для дальнейшего удлинения дуг. В конечном итоге дуги распространяются на всю длину изолятора, т.е. наступает завершающая стадия разряда (перекрытие - изоляции относительно земли).

Весь процесс можно охарактеризовать как взаимодействие между изолятором, загрязнениями, условиями увлажнения и приложенным напряжением (и внутренним сопротивлением источника питания в лабораторных условиях).

По мере роста тока утечки вероятность возникновения перекрытия увеличивается. В свою очередь величина тока утечки определяется в основном проводимостью слоя загрязнения. Поэтому на основе изложенных представлений о механизме перекрытия загрязненной и увлажненной изоляции можно заключить, что поверхностная проводимость слоя загрязнения является решающим фактором вероятностного события: будет ли перекрытие изолятора или оно не произойдет. Поверхностную проводимость слоя загрязнения можно определить, если допустить равномерное распределение загрязнения и увлажнения вдоль поверхности изолятора - при использовании коэффициента формы (см. приложение H).

Перекрытие загрязненной изоляции в засушливых районах, таких как пустыни, может оказаться серьезной проблемой. Такие перекрытия часто объясняются эффектом "теплового запаздывания", возникающим при восходе солнца, когда появляется разница между температурой поверхности изолятора и быстро растущей температурой воздуха. Даже при довольно низких значениях относительной влажности воздуха для существенной конденсации требуется разница температур всего в несколько градусов. Теплоемкость и теплопроводность изоляционного материала определяют скорость его нагрева.

Более полная информация о процессах формирования перекрытия загрязненной изоляции и моделировании этих процессов изложена в [1].

B.2 Механизм перекрытия изоляции при загрязнении типа B

B.2.1 Проводящий туман

"Мгновенное загрязнение" типа B относится к загрязнению высокой проводимости, которое быстро откладывается на поверхностях изолятора, что приводит к условиям, при которых состояние поверхности изолятора изменяется от приемлемо чистого к слабо проводящему, а затем - к критическому, при котором за короткое время (<1 ч) происходит перекрытие изолятора, после чего состояние поверхности изолятора вновь возвращается к состоянию низкой проводимости.

Для ясного понимания природы перекрытия изолятора при "мгновенное загрязнение" типа В используется тот же процесс, который изложен в разделе B.1. Однако мгновенное загрязнение обычно откладывается в виде высоко проводящего слоя жидкого электролита, например: соляные брызги, соляной туман или промышленный кислотный туман, поэтому процесс начинается с описанной выше фазы 3 и может быстро достигнуть фазы 6. В действительности эти фазы не четко выражены, но склонны к сливанию. Эти фазы характерны только для гидрофильных поверхностей. Наибольшему риску перекрытия изоляции подвергаются конструкции, расположенные вблизи химических заводов или в морских прибрежных зонах с известной историей температурных изменений.

B.2.2 Птичьи струи

Характерным случаем загрязнения типа B являются птичьи струи. Это тип птичьего испражнения, которое при выходе наружу образует протяженную струю высокой проводимости (20-40 кОм/м), в результате чего воздушный промежуток существенно сокращается, обеспечивая тем самым условия для возникновения разряда. В этом случае геометрия и характеристики изолятора играют малую роль или вообще никакой роли не играют, и лучшим решением может быть установка отпугивающих устройств или как альтернатива - насестов, соответствующих местной фауне или изоляционной конструкции.

B.3 Механизм перекрытия по загрязненной гидрофобной поверхности

Благодаря динамической природе гидрофобной поверхности и сложному ее взаимодействию с загрязнителями (проводящими и непроводящими) и смачивающими веществами, на сегодняшний день нет общепризнанной модели формирования перекрытия вдоль загрязненной поверхности изолятора, выполненного на основе гидрофобного материала. Однако проявляется качественная картина механизма формирования такого перекрытия, которая включает в себя такие процессы как переход соли в водяные капли, неустойчивость водяных капель, образование жидких поверхностных волокон и развитие разряда между ними или каплями при достижении электрическим полем достаточно высокого значения.

Однако в эксплуатации гидрофобные материалы подвергаются динамическому процессу оседания загрязнения, увлажнения, локализованным разрядам или действию высокого электрического поля, что может в совокупности этих факторов обусловить временное превращение части или всей поверхности изолятора в более гидрофильное состояние. Поэтому к природе процесса формирования перекрытия вдоль загрязненной гидрофобной поверхности номинально применяются те же представления, что и для гидрофильных материалов, либо частично, либо для ограниченного периода времени.