Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Состояние вопроса и постановка задач исследования 15
1.1. Эксплуатационная надежность элементов сельских ВЛ 10 кВ 15
1.2. Сравнительный анализ физико-технических
свойств электроизоляционных стекол 25
1.3. Анализ существующих конструкций стеклянных штыревых изоляторов 10 кВ 29
1.4. Принципы разработки конструкций и обеспечение надежности линейных штыревых изоляторов 10 кВ. 42
Выводы по главе I и задачи исследования 45
Глава 2. Статистический анализ повреждаемости в эксплуатации стеклянных штыревых изоляторов кВ 48
2.1. Методика сбора статистической информации 48
2.2. Показатели повреждаемости стеклянных штыревых изоляторов типов ШСІ0-А и ШСЮ - 50
2.3. Анализ видов и причин повреждений 54
2.4. Некоторые итоги эксплуатации стеклянных штыревых изоляторов типов ШСІ0-Г и ШСІ0 59
Выводы по главе 2 62
Глава 3. Экспериментальное исследование электрических полей в конструкциях изоляторов 64
3.1. Влияние неравномерности поля на электрическую прочность изоляторов 64
3.2. Обоснование методов исследования 67
3.3. Методика моделирования плоских и объемных электрических полей 70
3.4. Анализ результатов моделирования 77
3.5. Численные алгоритмы и программа расчета электрических полей изоляторов на ЭЦВМ.. 91
3.6. Анализ результатов расчета на ЭЦВМ 97
Выводы по главе 3 100
Глава 4. Теореяичешое прогнозирование электрической прочности изоляторов
4.1. Неоднородность стекла и закон распределения вероятности пробивного напряжения изоляторов 103
4.2. Определение объема испытаний 107
4.3. Графическая интерпретация первого предельного распределения при исследовании минимумов 109
4.4. Построение выравнивающих прямых и контрольных полос по результатам испытаний изоляторов III
4.5. Пересчет результатов испытаний изоляторов и опенка запаса электрической прочности изоляции ВЛ 120
4.б.Анализ отбраковки изоляторов при испыта
нии повышенным напряжением 128
Выводы по главе 4 131
Глава 5. Теорешчвское и экспериментальное исследование механической и тееодїческой прочности изоляторов 133
5.1. Краткая характеристика прочностных свойств стекла 133
5.2. Теоретическая оценка изгибающих и срезывающих напряжений в изоляторах ШСЮ-Г и ШСЮ 137
5.3. Экспериментальное определение напряжений среза и изгиба 141
5.4. Анализ контактных напряжений в шейке изоляторов ШСЮ-Г и ШСЮ 144
5.5. Характер температурных условий эксплуатации изоляторов и термостойкость стекла 149
5.6. Экспериментальное определение термических напряжений в изоляторе ШСЮ 153
5.7 Исследование влияния термоударов на электрическую прочность изоляторов 158
Выводы по главе 5 163
Глава 6. Эконшические аспекш проблемы повышения надежности стеклянных штыревых изоляторов Ю кВ 164
6.1. Технико-экономический подход к обоснованию уровня надежности изоляторов 164
6.2. Экономическая эффективность применения изоляторов типа ШСЮ-Г 168
Выводы по главе 6 169
Заключение 170
Литература
- Анализ существующих конструкций стеклянных штыревых изоляторов 10 кВ
- Показатели повреждаемости стеклянных штыревых изоляторов типов ШСІ0-А и ШСЮ
- Графическая интерпретация первого предельного распределения при исследовании минимумов
- Теоретическая оценка изгибающих и срезывающих напряжений в изоляторах ШСЮ-Г и ШСЮ
Введение к работе
В решениях ХХУІ съезда партии получила свое дальнейшее развитие аграрная политика КПСС, предусматривающая на современном этапе значительный рост и повышение эффективности сельскохозяйственного производства. При этом, одной из важнейших задач является осуществление мер по сокращению потерь сельскохозяйственной продукции [і ] . Одной из причин таких потерь,как отмечалось в постановлении Щ КПСС и Совета Министров СССР "О мерах по дальнейшему развитию электрификации сельского хозяйства", являются перерывы в подаче электроэнергии из-за аварий, внеплановых отключений [2] . Поэтому сейчас особое внимание обращается на обеспечение надежности электроснабжения ферм, животноводческих комплексов, птицефабрик и других производственных объектов на селе.
В разработку проблем надежности сельских электроустановок значительный вклад внесли видные советские ученые И.А.Будз-ко, В.Ю.Гессен, А.А.Пястолов, М.С.Левин, А.Г.Захарин,Л.Е.Эбин и другие. Результаты их исследований способствовали повышению уровня надежности как сельских электрических сетей, так и приемников электрической энергии, работающих в условиях сельскохозяйственного производства.
Надежность систем электроснабжения сельскохозяйственных потребителей во многом зависит от надежности сельских воздушных линий(ВЛ). В настоящее время в сельском хозяйстве страны эксплуатируется свыше 3,5 млн.км ВЛ [3] , из них около половины приходится на ВЛ напряжением 6-20 кВ [167] , надежность которых, в свою очередь, определяется поведением в эксплуатации отдельных конструктивных элементов, в т.ч. линейных изоляторов.
В последние годы в отечественной изоляторной промышленности наметилась тенденция к наращиванию выпуска более дешевых и технологичных стеклянных штыревых изоляторов .10 кВ при росте общего объема выпускаемых стеклянных линейных изоляторов с 14 % в 1966 г. до 50 % в настоящее время [4,15б] . В то же время, как показывает опыт эксплуатации, надежность стеклянных штыревых изоляторов 10 кВ наиболее распространенных типов не отвечает современным требованиям, в результате чего народному хозяйству страны, в том числе сельскохозяйственному производству, наносится значительный ущерб.
Одним из наиболее эффективных путей повышения уровня качества, в том числе и надежности, изоляторов является сочетание при их разработке методов конструирования и научных исследований. Иначе говоря, оценка и сравнение вариантов конструкции изолятора должна производиться не только на основе использования опыта, а с помощью моделирования и теоретического анализа, лабораторного экспериментирования и испытаний.
Все вышесказанное, в конечном счете, и предопределило направление настоящей диссертационной работы.
Цель работы. Разработать методику комплексной сравнительной оценки как вновь создаваемых, так и существующих конструкций стеклянных линейных штыревых изоляторов; выявить наиболее рациональную, надежную и перспективную конструкцию стеклянного штыревого изолятора 10 кВ из числа существующих.
Объектом исследования явились серийные изоляторы типов ШСІО-Аі ШСЮ-В и ШСЮ-Г, а также опытный изолятор типа ШСЮ.
Научная новизна. Предложен и осуществлен комплексный научный подход к оценке конструкций стеклянных штыревых изоляторов. Экспериментально исследован характер электрического поля различных конструкций изоляторов методом математического
аналогового моделирования. Впервые разработана методика прогнозирования минимальных значений пробивного напряжения изоляторов на основе теории распределения крайних членов выборки, получены расчетные аналитические выражения. Впервые при оценке црочностных свойств конструкций изоляторов методом электротензометрии получено подтверждение теоретических выводов.
Практическая ценность. Материалы диссертационной работы могут быть использованы заводами-изготовителями линейных штыревых изоляторов, службами высоковольтной изоляции и надежности энергетических управлений, высшими учебными заведениями при преподавании ряда дисциплин.
Реализация результатов исследований. Результаты исследований одобрены и приняты Львовским изоляторным заводом,районным энергетическим управлением "Бурятэнерго", Восточно-Сибирским технологическим институтом, что подтверждается соответствующей документацией.
Апробация. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всесоюзном научно-техническом совещании "Вопросы реконструкции сельских электрических сетей" ( г.Киров, сентябрь 1977 г.), научно-технических конференциях Челябинского ордена Трудового Красного Знамени института механизации и электри(|икации сельского хозяйства (1976-1977 гг.), научно-технических конференциях Восточно-Сибирского технологического института ( г.Улан-Удэ, 1976 г., 1978 г.), технических советах при главном инженере Львовского изоляторного завода (1977 г., 1981 г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано шесть статей и зарегистрировано два научных отчета.
- 8 -Краткое содержание работы
Диссертация включает в себя введение, шесть глав, заключение, библиографический указатель и приложения.
В первой главе рассмотрено состояние вопроса и поставлены задачи исследования.
Здесь на основании многочисленных данных отечественных исследователей показано, что для сельских БД 10 кВ характерно значительное количество аварийных и плановых отключений; при этом одной из основных причин такого положения является высокая повреждаемость в эксплуатации линейных штыревых изоляторов. Сопоставление физико-технических характеристик электроизоляционных стекол и фарфора указывает в целом на равноценность этих материалов для изготовления изоляторов, а анализ характеристик существующих типов стеклянных штыревых изоляторов 10 кВ отечественного производства и большой группы зарубежных изоляторов дает возможность утверждать, что отечественные изоляторы, за исключением ШСІ0-В, находятся на уровне зарубежных образцов.
В то же время анализ методов разработки конструкций штыревых изоляторов показывает их упрощенность и безусловную недостаточность в рамках современного научно-технического прогресса. Особенно это относится к той части процесса разработки изоляторов, какой является исследование ряда явлений и свойств при оценке и сравнении уровня качества их конструкций и выборе наилучшего варианта.
Исходя из выше перечисленного, в работе поставлены следующие научные задачи:
исследовать повреждаемость в эксплуатации стеклянных штыревых изоляторов 10 кВ и выявить основные виды и причины пов-
реждений;
установить характеристики изоляторов, определяющие их повреждаемость в эксплуатации;
обосновать и разработать теоретические и экспериментальные методы исследования физических явлений, связанных с этими характеристиками;
сопоставить существующие конструкции стеклянных штыревых изоляторов 10 кВ и выявить из их числа наиболее рациональную и надежную;
обосновать направление совершенствования конструкции стеклянного штыревого изолятора 10 кВ.
Во второй главе проведен статистический анализ повреждаемости в эксплуатации стеклянных штыревых изоляторов 10 кВ. Показано, что изоляторы старых типов ШСІ0-А и ШСЮ-В в целом не удовлетворяют требованиям ГОСТ 20510-75 в части вероятности безотказной работы. В то же время новые типы изоляторов ШСЮ-Г и ШСІ0 обладают более высокой эксплуатационной надежностью.
Установлено, что основной причиной повреждений изоляторов является наличие в них дефектов, связанных с изготовлением, транспортировкой и монтажом. При этом дефекты проявляют себя в основном при эксплуатационных перенапряжениях.
Выявлены основные виды повреждений, к числу которых относятся электрический пробой и механическое разрушение изоляторов.
В результате обоснован тот факт, что наибольший интерес для исследований представляют электрическая прочность (главным образом в части пробивного напряжения) и механические свойства конструкций изоляторов.
В третьей главе осуществлено экспериментальное исследование электрических полей в конструкциях стеклянных штыревых
изоляторов 10 кВ.
Известно, что любая конструкция должна удовлетворять требованию наибольшей равномерности электрического поля.Поэтому анализ характера электрического поля является непременным условием достижения наибольшей рациональности конструкции изолятора. Особенно это важно для стекла, зависимость электрической прочности которого от степени неравномерности поля выражена значительно ярче, чем у фарфора.
Изучение электрического поля стеклянных штыревых изоляторов достаточно просто и надежно может быть осуществлено методом математического аналогового моделирования с помощью твердых моделей из электропроводной бумаги. При этом данный метод позволяет исследовать как двумерные (плоские), так и трехмерные осесимметричные (объемные) ПОЛЯ.
В работе изложены методика моделирования, принципы и технология изготовления плоских и объемных моделей, результаты исследования. Несколько частных задач, кроме того, решено методом сплайновой аппроксимации решения интегральных уравнений на ЭЦШ "БЭСМ-б".
В итоге установлено, что моделирование плоских электрических полей является достаточным при практической оценке характера поля вариантов конструкции изолятора. Выяснено также, что наиболее удачной из числа существующих является конструкция изолятора типа ШСЮ-Г. Вместе с тем показана возможность снижения неравномерности электрического поля в шейке этого изолятора, что в конечном счете позволит лучше использовать здесь толщину стекла для повышения пробивного напряжения. Результаты моделирования позволяют также утверждать, что дальнейшее совершенствование штыревых изоляторов следует вести в направлении оптимального развития боковой поверхности в вертикаль-
- II -
ной плоскости.
В четвертой главе рассмотрены вопросы теоретического прогнозирования электрической прочности стеклянных штыревых изоляторов 10 кВ. Показано, что неоднородность стекла, определяемая большим количеством дефектов в виде микротрещин, инородных включений, газовых пузырей и т.п., предопределяет значительный разброс величины пробивного напряжения ( Unp) изоляторов. Установлено, что распределение иИр может быть описано первым предельным (двойным показательным) распределением наименьших величин; при этом результаты испытаний изоляторов на пробой, нанесенные на экстремально-вероятностную бумагу, хорошо с ним согласуются.
Для каждого типа изоляторов получены уравнения выравнивающих прямых, с помощью которых на экстремально-вероятностной бумаге можно осуществлять прогноз величины Uhp изолятора ВЛ, "наиболее слабого" с точки зрения электрической прочности. Одновременно для целей прогнозирования предложены аналитические выражения, позволяющие рассчитать UnpMM изоляции ВД в зависимости от степени неоднородности стекла, среднего арифметического значения Unp изоляторов малой выборки и длины линии с достоверностью 50$ и 95,4%.
Изложена также методика прогнозирования величин отбраковки изоляторов при испытании их гарантируемым ГОСТ (или ТУ) напряжением с помощью выравнивающих прямых и аналитических расчетных выражений.
Результаты прогнозирования позволяют оценить запас электрической прочности изоляции М со стеклянными штыревыми изоляторами, а также величины отбраковки изоляторов рассматриваемых типов. Установлено, что уровень качества изоляторов новых типов 1СІ0-Г и ШСІ0 в среднем в несколько раз выше, чем изолято-
- 12 -ров ШСЮ-А и ШСЮ-В. Данные прогнозирования согласуются с результатами статистического анализа повреждаемости изоляторов в эксплуатации.
В пятой главе проведено теоретическое и экспериментальное исследование механической и термической прочности изоляторов.
Стекло, как известно, является классическим примером хрупкого материала, у которого несоответствие между теоретической и технической прочностью огромно. Это несоответствие объясняется наличием мельчайших поверхностных дефектов (микротрещин), являющихся концентраторами напряжений. Кроме этого, разупрочняющее воздействие на стекло оказывают контакты с другими телами и влага. Особую опасность представляют абразивные частицы, попадающие в зону контакта и образующие микронадрывы.
Теоретическая оценка изгибающих и срезывающих напряжений произведена для изоляторов типа ШСЮ-Г и ШСЮ, т.к. конструкции изоляторов старых типов ШСІ0-А и ШСЮ-В предопределяют работу стекла главным образом на сжатие. Установлено, что при максимально возможной эксплуатационной нагрузке эти напряжения не являются опасными. Данный вывод подтвержден экспериментально измерением деформаций электротензорезиетивным методом.
Анализ контактных напряжений в шейке изоляторов на основе теории прочности Мора показал, что в области контакта отдельной проволоки провода со стеклом условие прочности соблюдается с небольшим запасом. Однако в случае попадания в зону контакта твердых абразивных частиц возможно появление более значительных по величине контактных напряжений, способных вызвать образование микронадрывов и в дальнейшем разрушение стекла.
Помимо чисто механических напряжений,в процессе эксплуатации в изоляторах возникают термические напряжения, вызываемые изменением температуры их поверхности. Теоретическое исследова-
- ІЗ -
ниє, подтвержденное экспериментом, показывает, что в реальных условиях эксплуатации термические напряжения не являются опасными для стекла изоляторов, т.е. их термостойкость достаточна. Выяснено также, что в результате резких тешюсмен (термоударов) электрическая прочность изоляторов не снижается.
В шестой главе рассмотрены экономические аспекты проблемы повышения надежности стеклянных штыревых изоляторов 10 кВ.
Показано, что между стоимостью линейных штыревых изоляторов и народнохозяйственным ущербом по их вине нет соответствия. Шесте с тем утверждается, что повышение надежности изоляторов можно и нужно осуществлять, в первую очередь, за счет неиспользованных резервов путем создания более рациональных конструкций при той же стоимости. Такой подход характеризуется наибольшей экономической эффективностью. Например, применение изоляторов типа ШСІ0-Г вместо изоляторов ШСІ0-В при их одинаковой стоимости дает годовую экономию 6 тыс.руб. на 100 км ВЛ 10 кВ. Однако некоторое увеличение стоимости изоляторов не должно служить препятствием созданию еще более надежных конструкций, если такое решение является в целом экономически обоснованным.
В заключении подведены итоги проведенных исследований и сформулированы выводы, позволяющие вынести на защиту следующие положения диссертационной работы:
1. Существующие методы разработки штыревых изоляторов
10 кВ не отвечают современным требованиям и нуждаются в расширении и углублении главным образом научно-исследовательской стороны, обеспечивающей изделию высокий уровень качества.
2. При конструировании линейных штыревых изоляторов, осо
бенно стеклянных, на стадии эскизной разработки необходима
оценка неравномерности электрического поля в вариантах конст-
- 14 -рукции и поиск путей ее снижения.
На этой же стадии целесообразен анализ механической и термической прочности вариантов конструкции с учетом всех особенностей материала диэлектрика.
На стадии опытных образцов прогнозирование запаса электрической прочности и отбраковки при сопоставлении с апробированными в эксплуатации типами изоляторов дает возможность судить об уровне качества вариантов конструкции.
Анализ существующих конструкций стеклянных штыревых изоляторов 10 кВ, выполненный с использованием предлагаемых методов исследований, показал следующее:
а) изолятор типа ШСІ0-В является неудачным, а принятое в
его конструкции направление развития поверхности в горизонталь
ной плоскости - бесперспективным, т.к. этот путь ведет к резко
му увеличению габаритов и массы изолятора при незначительном
улучшении его характеристик;
б) наиболее рациональной и надежной конструкцией стеклян
ного штыревого изолятора 10 кВ на сегодняшний день является
конструкция изолятора типа ШСЮ-Г (1ДСІ0), а принятое здесь на
правление развития поверхности изолятора в вертикальной плоскос
ти - перспективным.
6. Экономически эффективно повышать надежность изоляторов
за счет резервов конструкции без увеличения их стоимости. Однако
в некоторых случаях, при соответствующем технико-экономическом
обосновании, создание новых, более надежных конструкций изоля
торов не должно ограничиваться стоимостными соображениями.
Анализ существующих конструкций стеклянных штыревых изоляторов 10 кВ
Производством стеклянных штыревых изоляторов в нашей стране занимаются заводы треста "Электросетьизоляция" (Львовский, Славянский), а также комбинат "Ярваканды-Техасед" в Эстонской ССР. В настоящее время только Львовский изоляторные завод выпускает ежегодно около 5 млн.шт.изоляторов.
Конструкции стеклянных штыревых изоляторов принципиально не отличаются от аналогичных конструкций из фарфора. Так, для изолятора типа ШСЮ-А аналогом является фарфоровый изолятор типа ИШ0-А,для ШСЮ-В - ШШО-В , для ШСЮ и ШСЮ-Г -- ШШО-Г. Однако, исходя из особенностей стекольного производства, стеклянные изоляторы изготавливаются с меньшей толщиной стенок, с более точными размерами и т.п.
В табл.1.9 представлены характеристики стеклянных штыревых изоляторов Ю кВ в сопоставлении с характеристиками лучшего на сегодняшний день фарфорового штыревого изолятора типа ШШ0-Г. Из приведенных данных следует, что по своим характеристикам стеклянные изоляторы практически ни в чем не уступают фарфоровым.
Штырь (или крюк) крепится к траверсе опоры нижней, резьбовой частью, длина которой зависит от размеров траверсы; для соединения с телом изолятора на штыре имеются насечки, а конец штыря обматывается паклей, пропитанной суриком.
Закрепление штыревых изоляторов 10 кВ на штырях и крюках допускается также заливкой специальным составом, представляющим собой раствор из 40 % портландцемента марки 400-500 и 60 % речного тщательно промытого песка. При армировании конец штыря (крюка) покрывается тонким слоем битума. Сухая поверхность армировки покрывается влагостойким лаком в два слоя [l4] .
В настоящее время наиболее широкое распространение получил метод крепления изоляторов на крюках и штырях при помощи полиэтиленовых колпачков [14,41,62,90, 155J . Результаты исследований показывают, что норма времени на 1000 шт. линейных изоляторов, закрепляемых с помощью колпачков, составляет на ВД 10 кВ 4,2 чел»ч , что примерно на 25 % ниже норм для изоляторов, закрепляемых с помощью волокнистого материала. Экономический эффект при строительстве I км линии составляет 1,8 руб. Одновременно имеет место увеличение пробивного напряжения конструкции в среднем на 15 % [90 J .
Однако метод крепления штыревых изоляторов с помощью полиэтиленовых колпачков имеет и некоторые недостатки. Так при посадке на штырь часто происходит разрыв колпачка в месте разъема матриц. Серьезным недостатком колпачков следует считать их усадку во времени, которая в сумме составляет свыше 4 %, что создает значительные трудности при насадке колпачков на штыри и крюки. Поэтому, как совершенно справедливо предлагает Н.И.Марфин, следует шире применять метод непосредственного литья колпачков на крюки и штыри [90 ] .
В последние годы предпринимаются попытки заменить на ВЛ металлические штыри стеклянными, стеклопластиковыми или даже деревянными [14,80,128,148,155] . Такие изоляционные конструкции имеют повышенные разрядные характеристики и в электрическом отношении более надежны в работе. Однако им присущ и ряд существенных недостатков: низкая механическая прочность, слабая трекингостойкость стеклопластика. Поэтому широкого распространения неметаллические штыри не получили и пока еще находятся лишь в стадии опытной разработки. Абсолютное же большинство ВЛ 10 кВ комплектуется металлическими штырями и крюками.
Наиболее известными зарубежными фирмами, занимающимися производством линейных стеклянных изоляторов, являются французская фирма "Седивер" и английская фирма "Пилкингтон". В табл.I.10 представлены характеристики некоторых типов стеклянных штыревых изоляторов, выпускавшихся этими фирмами в разное время, а также отдельных изоляторов других предприятий и фирм [162, 171, 173, 180].
Характерной особенностью зарубежной изоляторной промышленности является наличие в ее номенклатуре большой группы многоэлементных изоляторов. Как правило, это двух- и трехэлементные конструкции. Поэтому разрядные характеристики имеют у них высокие значения.
Дальнейший анализ конструктивных особенностей как отечественных, так и зарубежных стеклянных штыревых изоляторов показывает, что все их представляется возможным разбить на 4 группы.
Первая группа - однореберные изоляторы с развитой в горизонтальной плоскости поверхностью. Изоляторы этой группы являются одноэлементными.
Показатели повреждаемости стеклянных штыревых изоляторов типов ШСІ0-А и ШСЮ
Данные этой таблицы показывают, что изоляторы типа ШСІ0-А в среднем за год имеют большую повреждаемость как на деревянных, так и на железобетонных опорах (соответственно в 1,5 и 1,1 раза) по сравнению с изоляторами типа ШСЮ-В. Такое положение естественно, т.к. изолятор типа ШСЮ-В имеет большую толщину стекла в шейке и более высокие разрядные характеристики. Однако этот изолятор конструктивно скоординирован неудачно и поэтому его повреждаемость, особенно на железобетонных опорах, достаточно высока.
Как видно из полученных данных, на железобетонных опорах повреждаемость обоих типов изоляторов больше, чем на деревянных (для ШСІ0-А - в 1,2 раза, для ШСЮ-В - в 1,6 раза). Это также естественно, т.к. на железобетонных опорах изоляция работает в более тяжелых с электрической точки зрения условиях.
На рис.2.I представлены частота отказов и вероятность безотказной работы изоляторов в динамике. Как следует из диаграмм, характеризующих частоту отказов, у изоляторов типа ШСЮ-А этот показатель в последние два года заметно снизился. Это может быть объяснено, во-первых, приработкой большого количества изоляторов, установленных в предыдущие годы, во-вторых,тем, что продолжая выпуск изоляторов данного типа, заводы-изготовители, несомненно, совершенствуют технологию их производства и повышают качество отбраковки дефектных изоляторов в ходе заводских испытаний.
Частота отказов изоляторов типа ШСЮ-В, установленных на деревянных опорах, также заметно снизилась в последние два года. Это тоже может быть объяснено приработкой ранее установленных изоляторов, а также тем, что основная часть выпускавшихся в последние годы изоляторов данного типа устанавливалась на железобетонных опорах. Поэтому частота отказов изоляторов типа ШСІО-В на железобетонных опорах, хотя и несколько снизилась в последние два года, все-таки продолжает оставаться на достаточно высоком уровне.
ГОСТ 20510-75 [45] требует, чтобы вероятность безотказной работы стеклянных штыревых изоляторов 10 кВ была не менее 0,996 в течение каждого года эксплуатации. Из представленных диаграмм следует, что этому требованию изоляторы типа ШСЮ-А удовлетворяли лишь в течение двух лет, изоляторы типа iliCIU-B на деревянных опорах - трех, а на железобетонных опорах - одного года из шести.
Полученные данные (табл.2.2) показывают, что основными видами повреждений, присущими стеклянным штыревым изоляторам являются механическое разрушение и электрический пробой.В целом по обоим типам изоляторов без учета материала опор удельный вес этих двух видов повреждений достигает почти 60 %.
Ряд соображений, основывающихся на том, что картина механического разрушения изоляторов в принципе не отличается от картины разрушения их при импульсном пробое [136 J , позволяют предположить, что доля пробоя среди всех видов повреждений значительно выше, т.к. механическое разрушение, на первый взгляд, маловероятно ввиду достаточно высокой прочности стеклянных штыревых изоляторов, которая заметно превышает возможные механические усилия в пролете [79] . Все это, однако, не исключает во многих случаях и чисто механического разрушения изоляторов. Необходимо отметить также, что довольно высока доля расстрела изоляторов (18,7$). Полученные данные также показывают, что изоляторы типа
В значительно чаще повреждаются в результате перекрытия, чем изоляторы типа ШСІ0-А (на железобетонных опорах в 2,3 раза, на деревянных - 2,7 раза). Исследования, проведенные В.Я.Синельниковым и В.И.Мозырским, позволяют объяснить это более низкой дугостойкостью изоляторов типа ШСІ0-В [131J . Следовательно, нерациональность конструкции этого изолятора, его плохая координация подтверждаются еще раз.
Анализ причин повреждений изоляторов (табл.2.3) показывает, что основной причиной их повреждений в эксплуатации являются дефекты самих изоляторов (20,1 %), которые, как уже отмечалось в гл.1, образуются либо в процессе изготовления,либо в ходе транспортировки к месту монтажа. При монтаже также закладывается большое количество дефектов, являющихся причиной повреждений изоляторов в 9,3 % всех случаев.
Из причин эксплуатационного характера, связанных с атмосферными условиями окружающей среды, наибольший удельный вес имеют грозовые перенапряжения (7,9 %). Однако не вызывает сомнений тот факт, что грозовые перенапряжения следует считать одной из основных причин повреждений изоляторов, т.к. любые дефекты изоляторов (заводские, транспортировки, монтажа)прояв-ляют себя,главным образом,в грозовые периоды, т.е. тогда, когда имеют место перенапряжения. В эти периоды и пробиваются дефектные изоляторы. Подтверждением данного вывода является высокая эффективность предварительных испытаний изоляторов переменным током промышленной частоты напряжением 40-50 кВ [59, 80, 122, 148, 160]. Поэтому можно считать, что пробой изоляторов вызван совокупностью их дефектов и грозовых перенапряжений и разделить эти причины более строго в большинстве случаев не представляется возможным.
Графическая интерпретация первого предельного распределения при исследовании минимумов
В качестве оценки степени согласованности эмпирического и теоретического распределений при каком-либо значении Хт вычисляют величину /N бСНт) 5f = (4-9) СХм) /No. при этом числитель берут из таблицы [l35] . Проверка согласованности проводится на экстремально-вероятностной бумаге первого предельного распределения при значениях ГП / N + 4 » не слишком близких к нулю или к единице (0,15 ҐП/N + i 0,85). Величина бл т\ используется для построения критической области по обе стороны от теоретического значения X , лежащего на прямой.
На экстремально-вероятностной бумаге может быть построена также шкала периода повторяемости, значения которой обычно указаны с правой стороны сетки X и у . Эти значения периода повторяемости определяются из следующего выражения [47, 152] : \ 7(х)« (4.10) W I- Р(х) т.е. если событие имеет вероятность --Р(х) , то нужно сде лать в среднем опытов для того, чтобы событие про изошло один раз [47] . Практическая ценность этой шкалы бу дет понятна в дальнейшем.
Данные испытаний стеклянных штыревых изоляторов на пробой по ГОСТ 20510-75 [45] представлены в табл.4.1, а резуль - 112 таты их статистической обработки приведены в прил.5. При этом значения U n расположены в вариационные ряды в порядке убывания. Для каждого значения Unp определяется накопленная частость 171/N"4 , для которой по таблице [l35J находится соответствующее значение величины Ут . При N = 20 эти величины будут иметь значения, представленные в табл.4.2.
Данные этой таблицы, а также значения Unp для каждого изолятора в отдельности наносятся в виде точек ( Unpm, \)т ) на экстремально-вероятностные бумаги (рис.4.I - 4.4). При исследовании минимальных значений случайной величины Unp ее значения откладываются на оси X в порядке возрастания от
Unp до Unp , а значения приведенной переменной у -в порядке убывания от у до у , т.е. таким образом, что максимальному значению случайной величины Unp,, соответствует накопленная частость 1/ N + 1 , а минимальному Unp N/N4 .
На полученных таким образом графиках проводятся прямые, описывающие зависимости между пробивными напряжениями,с одной стороны, и отвечающими им вероятностями г (х) и нормированными отклонениями у , с другой. Для этого пользуются выражениями (4.5), (4.7) и (4.8). Искомые уравнения представлены в табл.4.3.
Расчет величины 6fc \ для каждого изолятора производится по формуле (4.9) при значениях у = 0; I; 1,5. Принимая доверительную вероятность 0,95 (уровень значимости 5 %), определяется отклонение границы доверительного интервала от центра, равное 1,96 б(хт) Значения 1,96 б(х ) Для всех че тырех исследуемых изоляторов также приведены в табл.4.3. Используя эти значения, наносятся на графики границы контрольных полос.
Как видно из рис.4.1-4.4 опытные точки Unp всех рас- смотренных типов изоляторов группируются вокруг выравнивающих линий на всем протяжении графиков и находятся в пределах контрольных полос. Следовательно, эмпирические распределения Unp данных изоляторов хорошо согласуются с первым предельным распределением. Данный вывод подтверждается с помощью критерия Пирсона (прил.б).
Изоляция ВЛ в общем случае может быть представлена как цепь, состоящая из П одинаковых звеньев (изоляторов) [б9, 135, 139J . Электрическая прочность любого 1-го звена есть величина случайная,с некоторой функцией распределения, одинаковой для всех звеньев. При этом прочности отдельных звеньев не зависят друг от друга. Тогда не вызывает сомнений тот факт, что отказ всей цепи будет иметь место при отказе звенаумеющего наименьшую прочность. Т.е. прочность всей цепи равна прочности наиболее слабого звена.
С увеличением числа звеньев следует ожидать появления звена с более низкой прочностью. Применительно к изоляции ВЛ, таким образом, можно говорить о том,что с увеличением числа изоляторов (т.е. с увеличением длины линии) возрастает вероятность появления изолятора с более низким значением Unp и чем неоднороднее диэлектрик, тем больше эта вероятность [95] . Поэтому, строго говоря, зависимость Unp т числа изоляторов (или длины линии) должна учитывать неоднородность диэлектрика, проявляющуюся в значительном разбросе значений Unp и характеризуемую величиной среднего квадратического отклонения Оу или коэффициента вариации V .
Теоретическая оценка изгибающих и срезывающих напряжений в изоляторах ШСЮ-Г и ШСЮ
Механизм повреждаемости стекла еще мало изучен. Однако считается, что степень повреждаемости стекла определяется твердостью и размером абразивных частиц в зоне контакта стекла с другим твердым телом [ИЗ,116] . Находясь на поверхности стекла и оказываясь под действием давления, эти частицы образуют микронадрывы [ ИЗ J . Исследования состава промышленной пыли [бо] показали, что она состоит из твердых частиц диаметром 0,1-100 мкм. При этом частицы представляют собой,главным образом, окислы кремния (50 %), железа (20 %), алюминия (15 %). Наиболее твердыми из них являются окислы алюминия (корунд). Вероятность попадания абразивной частицы в контактную зону определяет большой разброс частных значений прочности при контактном повреждении [ііб] . Было установлено, что нанесение на стекло тонких полимерных покрытий делает его прочность нечувствительной к прикасаниям, в том числе и под давлением, свидетельствуя тем самым о принципиальной возможности защиты стекла от потери прочности [ИЗ] .
Наряду с механической контактной повреждаемостью одним из разупрочняющих факторов для стекла является влага как присутствующая в атмосфере, так и адсорбированная на его поверхности [104,116 ] . Эксперименты Чарлза [88] показали, что вода вызывает коррозию поверхности стекла, действуя на слабо связанные ионы натрия в его структуре, что, в свою очередь, играет роль катализатора при воздействии ионов гидроокисла на связи кремния с кислородом. Такое воздействие ускоряется под действием растягивающих напряжений и скорость процесса определяется скоростью диффузии ионов натрия к центрам воздействия. Поэтому наиболее напряженная область в вершине трещины становится местом, где коррозия в высшей степени опасна. Когда длина трещины увеличивается до размера, удовлетворяющего критерию разрушения Гриффитса [76 J при данном уровне напряжений, наступает быстрое разрушение.
Изоляторы воздушных линий электропередачи во время эксплуатации подвергаются механическим, электрическим, термическим и химическим воздействиям [177 J . При этом они несут главным образом электрическую и механическую нагрузки [152 J .
На механическую прочность линейных изоляторов, точно также как и на любое другое стеклянное изделие, оказывают разуп-рочняющее действие контактная повреждаемость и влага. Кроме того, в результате прессовки изоляторов в них образуются внутренние напряжения. Для снятия этих напряжений изоляторы подвергаются отжигу, в результате чего они приобретают упорядоченную структуру и обладают, благодаря этому, максимально допустимыми для данного состава стекла свойствами [156 ] . В отожженном исполнении, как уже отмечалось, из стекла состава 13-в промышленностью выпускались и выпускаются изоляторы типов ШСІ0-А, ШСІ0-В, ШСІ0-Г. В то же время- более перспективным способом упрочнения изоляторов является закалка, которая к тому же значительно увеличивает и термостойкость изделия. Суть этого процесса в том, что в результате резкого охлаждения разогретой до определенной температуры стеклодетали, наружные слои стекла охлаждаются и твердеют значительно быстрее внутренних. Это приводит к образованию жесткого "панциря" [і5б] на поверхности изолятора, после чего происходит охлаждение и усадка внутренних слоев стекла. В результате образуются растягивающие усилия во внутренних слоях стекла и сжимающие - в наружних. Такое предварительно напряженное состояние позволяет противостоять значительным термоударам и большим механическим нагрузкаїл. Закалке подвергаются главным образом подвесные стеклянные изоляторы. Что же касается штыревых изоляторов, то для них рекомендован процесс полузакалки, создающий в поверхностных слоях частичные напряжения сжатия [l56J , что также повышает механическую прочность и термостойкость изоляторов. В настоящее время, как уже отмечалось, в опытной эксплуатации находится партия таких полузакаленных штыревых изоляторов типа ШСІ0.
Расчеты показывают [79J ,что максимальная изгибающая нагрузка на штыревой изолятор немногим превышает 6 кН. Определенный интерес, в связи с этим, вызывает исследование механических напряжений, возникающих в изоляторах под действием этой нагрузки.
Учитывая то, что конструкции изоляторов типов ШСІ0-А и ШСІ0-В определяют работу стекла, главным образом, на сжатие, прочность при котором значительно выше, чем при растяжении или изгибе [ИЗ, 156 ] , исследования проведены для изоляторов типов ШСІ0-Г и ШСІ0, диэлектрик которых работает на срез и изгиб.
