Izolacja instalacji elektrycznych

Izolacje instalacji elektrycznych dzielimy na zewnętrzne i wewnętrzne.

Do izolacji zewnętrznej instalacje wysokiego napięcia zalicza się szczeliny izolacyjne między elektrodami (przewody linie energetyczne (linie energetyczne), opony rozrządu (RU), zewnętrzne części pod napięciem urządzenia elektryczne itp.), w którym rolę głównego dielektryk wykonuje powietrze atmosferyczne. Izolowane elektrody znajdują się w określonych odległościach od siebie i od ziemi (lub uziemionych części instalacji elektrycznych) i są mocowane w określonej pozycji za pomocą izolatorów.

Do izolacji wewnętrznej zalicza się izolację uzwojeń transformatorów i maszyn elektrycznych, izolację kabli, kondensatorów, zagęszczoną izolację przepustów, izolację między stykami wyłącznika w stanie wyłączonym, tj. izolacja, hermetycznie oddzielona od otoczenia przez obudowę, obudowę, zbiornik itp. Izolacja wewnętrzna jest zwykle kombinacją różnych dielektryków (ciekłych i stałych, gazowych i stałych).

Ważną cechą izolacji zewnętrznej jest jej zdolność do przywracania wytrzymałości elektrycznej po usunięciu przyczyny uszkodzenia. Jednak wytrzymałość dielektryczna izolacji zewnętrznej zależy od warunków atmosferycznych: ciśnienia, temperatury i wilgotności. Na wytrzymałość dielektryczną izolatorów zewnętrznych mają również wpływ zanieczyszczenia powierzchniowe i opady atmosferyczne.

Cechą izolacji wewnętrznej urządzeń elektrycznych jest starzenie się, tj. pogorszenie właściwości elektrycznych podczas pracy. Straty dielektryczne nagrzewają izolację. Może dojść do nadmiernego nagrzania izolacji, prowadzącego do przebicia termicznego. Pod wpływem wyładowań niezupełnych występujących w wtrąceniach gazowych izolacja ulega zniszczeniu i zanieczyszczeniu produktami rozkładu.

Awaria izolacji stałej i kompozytowej — zjawisko nieodwracalne prowadzące do uszkodzenia urządzeń elektrycznych. Izolacja płynna i wewnętrzna gazowa jest samonaprawiająca się, ale jej właściwości ulegają pogorszeniu. Konieczne jest ciągłe monitorowanie stanu izolacji wewnętrznej podczas jej eksploatacji w celu identyfikacji powstających w niej usterek i zapobieżenia awaryjnemu uszkodzeniu urządzeń elektrycznych.

Izolacja zewnętrzna instalacji elektrycznych

W normalnych warunkach atmosferycznych wytrzymałość dielektryczna szczelin powietrznych jest stosunkowo niska (w jednorodnym polu z odległościami międzyelektrodowymi około 1 cm ≤ 30 kV/cm). W większości konstrukcji izolacyjnych, gdy stosowane jest wysokie napięcie, występuje duża niejednorodność pole elektryczne… Wytrzymałość elektryczna w takich polach przy odległości między elektrodami 1–2 m wynosi około 5 kV/cm, a przy odległościach 10–20 m spada do 2,5–1,5 kV/cm.W związku z tym rozmiary napowietrznych linii przesyłowych i rozdzielnic szybko rosną wraz ze wzrostem napięcia znamionowego.

Celowość wykorzystania właściwości dielektrycznych powietrza w elektrowniach o różnych klasach napięcia tłumaczy się niższym kosztem i względną prostotą tworzenia izolacji, a także zdolnością izolacji powietrznej do pełnego przywrócenia wytrzymałości dielektrycznej po usunięciu przyczyny wyładowania awaria luki.

Izolacja zewnętrzna charakteryzuje się zależnością wytrzymałości dielektrycznej od warunków atmosferycznych (ciśnienie p, temperatura T, wilgotność bezwzględna H powietrza, rodzaj i intensywność opadów atmosferycznych), a także od stanu powierzchni izolatorów, tj. ilość i właściwości znajdujących się na nich zanieczyszczeń. W związku z tym szczeliny powietrzne dobiera się tak, aby miały wymaganą wytrzymałość dielektryczną w niekorzystnych kombinacjach ciśnienia, temperatury i wilgotności.

Wytrzymałość elektryczną na izolatorach instalacji zewnętrznej mierzy się w warunkach odpowiadających różnym mechanizmom procesów wyładowań, a mianowicie, gdy powierzchnie izolatory czyste i suche, czyste i mokre od deszczu, brudne i wilgotne. Napięcia rozładowania mierzone w określonych warunkach nazywane są odpowiednio napięciem wyładowania suchego, wyładowania mokrego i wyładowania brudu lub wilgoci.

Głównym dielektrykiem izolacji zewnętrznej jest powietrze atmosferyczne — nie podlega ono starzeniu, tj. niezależnie od napięć działających na izolację i trybów pracy sprzętu, jego średnie charakterystyki pozostają niezmienione w czasie.

Regulacja pól elektrycznych w izolacji zewnętrznej

Przy wysoce niejednorodnych polach w izolacji zewnętrznej wyładowania koronowe są możliwe na elektrodach o małym promieniu krzywizny. Pojawienie się korony powoduje dodatkowe straty energii i intensywne zakłócenia radiowe. W związku z tym duże znaczenie mają działania zmniejszające stopień niejednorodności pól elektrycznych, które pozwalają ograniczyć możliwość powstawania wyładowań koronowych, a także nieznacznie zwiększyć napięcia wyładowań izolacji zewnętrznej.

Regulacja pól elektrycznych w izolacji zewnętrznej odbywa się za pomocą ekranów na wzmocnieniu izolatorów, które zwiększają promień krzywizny elektrod, co zwiększa napięcie wyładowania szczelin powietrznych. Przewody dzielone stosowane są w napowietrznych liniach przesyłowych klas wysokiego napięcia.

Izolacja wewnętrzna instalacji elektrycznych

Izolacja wewnętrzna odnosi się do części struktury izolacyjnej, w której środkiem izolującym jest ciekły, stały lub gazowy dielektryk lub ich kombinacje, które nie mają bezpośredniego kontaktu z powietrzem atmosferycznym.

Celowość lub konieczność stosowania izolacji wewnętrznej zamiast otaczającego nas powietrza wynika z kilku powodów. Po pierwsze, wewnętrzne materiały izolacyjne mają znacznie wyższą wytrzymałość elektryczną (5-10 razy lub więcej), co może znacznie zmniejszyć odległości izolacyjne między przewodami i zmniejszyć rozmiar sprzętu. Jest to ważne z ekonomicznego punktu widzenia. Po drugie, poszczególne elementy izolacji wewnętrznej pełnią funkcję mechanicznego mocowania przewodów; płynne dielektryki w niektórych przypadkach znacznie poprawiają warunki chłodzenia całej konstrukcji.

Wewnętrzne elementy izolacyjne w konstrukcjach wysokiego napięcia podczas pracy narażone są na silne obciążenia elektryczne, termiczne i mechaniczne. Pod wpływem tych wpływów właściwości dielektryczne izolacji ulegają pogorszeniu, izolacja „starzeje się” i traci swoją wytrzymałość dielektryczną.

Obciążenia mechaniczne są niebezpieczne dla izolacji wewnętrznej, ponieważ w tworzących ją stałych dielektrykach mogą pojawić się mikropęknięcia, gdzie wówczas pod wpływem silnego pola elektrycznego nastąpią wyładowania niezupełne i przyspieszy starzenie się izolacji.

Szczególną formą oddziaływania zewnętrznego na izolację wewnętrzną jest kontakt z otoczeniem oraz możliwość zanieczyszczenia i zawilgocenia izolacji w przypadku przerwania hermetyczności instalacji. Zwilżenie izolacji prowadzi do gwałtownego spadku rezystancji upływu i wzrostu strat dielektrycznych.

Izolacja wewnętrzna musi mieć wyższą wytrzymałość dielektryczną niż izolacja zewnętrzna, tj. poziom, przy którym przebicie jest całkowicie wykluczone przez cały okres użytkowania.

Nieodwracalność uszkodzeń izolacji wewnętrznej znacznie komplikuje gromadzenie danych eksperymentalnych dla nowych rodzajów izolacji wewnętrznej oraz dla nowo opracowanych dużych struktur izolacyjnych urządzeń wysokiego i ultrawysokiego napięcia. W końcu każdy kawałek dużej, drogiej izolacji można przetestować pod kątem uszkodzeń tylko raz.

Materiały dielektryczne muszą również:

• mają dobre właściwości technologiczne, tj. muszą nadawać się do wysokowydajnych procesów izolacji wewnętrznej;

• spełniać wymagania środowiskowe, tj.nie mogą zawierać ani tworzyć toksycznych produktów podczas eksploatacji, a po zużyciu całego surowca muszą zostać poddane obróbce lub zniszczeniu bez zanieczyszczania środowiska;

• nie być rzadkie i mieć taką cenę, że struktura izolacji jest ekonomicznie opłacalna.

W niektórych przypadkach do powyższych wymagań można dodać inne wymagania ze względu na specyfikę określonego typu sprzętu. Na przykład materiały na kondensatory mocy muszą mieć podwyższoną stałą dielektryczną, materiały na komory przełączające — wysoką odporność na szoki termiczne i łuki elektryczne.

Wieloletnia praktyka w tworzeniu i prowadzeniu różnorodnych sprzęt wysokiego napięcia pokazuje, że w wielu przypadkach cały zestaw wymagań jest najlepiej spełniony, gdy w składzie izolacji wewnętrznej stosuje się kombinację kilku materiałów, wzajemnie się uzupełniających i pełniących nieco odmienne funkcje.

Zatem tylko stałe materiały dielektryczne zapewniają wytrzymałość mechaniczną konstrukcji izolacyjnej. Zwykle mają najwyższą wytrzymałość dielektryczną. Części wykonane z litego dielektryka o dużej wytrzymałości mechanicznej mogą pełnić funkcję kotwy mechanicznej dla przewodów.

Stosowanie ciekłe dielektryki pozwala w niektórych przypadkach na znaczną poprawę warunków chłodzenia dzięki naturalnemu lub wymuszonemu obiegowi cieczy elektroizolacyjnej.