Причины перекрытий внешней изоляции под действием снежных отложений

Page 1
background image

Page 2
background image

56

ВВЕДЕНИЕ

Исследование  возможного  влияния 

снежных  отложений  на  внешней  вы-

соковольтной  изоляции  особенно  ак-

туально  в  России,  территория  которой 

в  значительной  степени  расположена 

в зоне холодного климата. Под действи-

ем  низкой  температуры,  направления 

и  силы  ветра,  влажности  и  солнечной 

радиации,  под  влиянием  различного 

вида загрязнений, в зависимости от ре-

жима охлаждения и перемораживания, 

вода  в  состоянии  льда  и  снега  приоб-

ретает  различные  формы,  способные 

выступать в роли своеобразных загряз-

нений внешней изоляции. Как видно на 

рисунке 1 [1, 2], в сходных условиях на 

расположенных  рядом  гирляндах  изо-

ляторов  воздушной  линии  электропе-

редачи снежные отложения могут пол-

ностью  отсутствовать,  но  могут  также 

образовать сплошную корку, полностью 

покрывающую  все  изоляторы.  Вопрос 

о  возможном  влиянии  такого  рода  со-

бытий  на  электрическую  прочность 

изоляции  и  надежность  работы  элек-

троустановок  до  настоящего  времени 

изучен  еще  не  полностью  и  представ-

ляет значительный интерес.

Наибольшее  внимание  исследовате-

лей,  как  правило,  привлекает  диапазон 

температуры  вблизи  нуля  градусов  по 

шкале  Цельсия,  когда  снег  плавится, 

превращаясь  в  воду,  и  можно  ожидать 

увлажнения  загрязненной  изоляции 

с  образованием  поверхностных  разря-

дов  и  перекрытий  вдоль  загрязненной 

увлажненной поверхности изоляции.

Между тем имеется информация о пе-

рекрытиях изоляции с отключением элек-

троустановок, которые происходят также 

в  диапазоне  температуры  ниже  –20°С, 

когда жидкая фаза воды заведомо отсут-

ствует. События такого рода и существо-

вание проблемы, связанной со снежными 

отложениями  на  высоковольтной  изоля-

ции  при  низкой  (ниже  –20°С)  темпера-

туре описаны в [2]. Собственно явление 

заключается в том, что при температуре 

порядка –20°С и ниже, при отсутствии ве-

тра,  перенапряжений  и  других  видимых 

причин  происходят  перекрытия  изоля-

ции, покрытой снегом. Вопрос о причинах 

таких  перекрытий  и  возможном  физи-

ческом механизме этого явления до сих  

пор остается открытым. 

В работе [2] предложено объяснение, 

основанное на пробое воздушного про-

межутка из-за искажения электрическо-

го поля при наличии снежных отложений. 

Для обоснования этого предположения 

автор принимает гипотезу о высокой, до-

стигающей  81–84  от-

носительных  единиц, 

относительной 

ди-

элек трической 

про-

ницаемости 

снега, 

как  у  жидкой  воды. 

Это  представляется 

маловероятным ввиду 

имеющихся  многочис-

ленных теоретических 

и  экспериментальных 

исследований,  прямо 

указывающих  на  зна-

чительно  более  низ-

кую  диэлектрическую 

ВОЗДУШНЫЕ 

ЛИНИИ

Причины перекрытий внешней 
изоляции под действием
снежных отложений

УДК 621.315.61

Рассмотрено

 

влияние

 

снежных

 

отложений

 

на

 

формирование

 

электрического

 

поля

 

на

 

по

-

верхности

 

внешней

 

высоковольтной

 

изоляции

 

в

 

зависимости

 

от

 

температуры

Показано

что

 

в

 

диапазоне

 

температур

 

ниже

 

минус

 20°

С

 

изменение

 

диэлектрических

 

свойств

 

сне

-

га

 

приводит

 

к

 

существенному

 

росту

 

напряженности

 

электрического

 

поля

 

в

 

толще

 

снега

 

и

 

может

 

быть

 

причиной

 

перекрытия

 

по

 

внешней

 

поверхности

 

изоляции

.

Ярмаркин

 

М

.

К

.,

к.т.н., доцент, заведую-

щий кафедрой «Элек-

трическое оборудо-

вание электрических 

станций, подстанций 

и промышленных пред-

приятий» ФГАОУ ДПО 

«ПЭИПК» Минэнерго 

России

Ключевые

 

слова

:

 

диэлектрические 

свойства снега, низкая 

температура, внешняя 

изоляция, искажение 

электрического поля

Рис

. 1. 

Снежные

 

отложения

а

на

 

изоляторах

 

воздушной

 

линии

 

электропередачи

 [1]; 

б

на

 

линейных

 

вводах

 [2]

а)

б)


Page 3
background image

57

проницаемость  снега 

(например, [3]). 

Ниже в данной рабо-

те  предложена  другая 

гипотеза. Она заключа-

ется в том, что электри-

ческий пробой иниции-

руется  в  толще  снега, 

а не в воздушном про-

межутке.  Это  связано

с изменениями свойств 

снега,  наступающими 

при  низкой  температу-

ре,  в  ходе  которых  из-

меняется механизм ди-

электрических  потерь 

и  снег  приобретает 

свойства  «хорошего» 

диэлектрика.

ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ

 

СВОЙСТВА

 

СНЕГА

Как  всякий  неидеальный  диэлектрик,  снег  обладает 

некоторым удельным сопротивлением 

с

, Ом∙м, а так-

же  диэлектрической  проницаемостью 

с

,  Ф/м.  Оба 

эти параметра существенно зависят от температуры 

и плотности снега.

Наиболее  полное  известное  исследование  ди-

элек трических  свойств  снега  было  выполнено  в  Си-

бирском  научно-исследовательском  институте  энер-

гетики  (СибНИИЭ)  под  руководством  С.Г.  Соколова, 

начиная с 1958 года в течение нескольких лет в поле-

вой лаборатории, развернутой в районе Новосибир-

ска. Результаты этих работ были опубликованы в [4] 

и  использованы  в  настоящей  работе  в  качестве  ос-

новного источника экспериментальной информации.

На рисунке 2 показана зависимость удельного со-

противления  снега 

с

  от  температуры,  приведенная 

в [4], а также использованная в настоящей работе ап-

проксимация этой зависимости. Экспериментальные 

данные были получены в диапазоне температуры до 

–30°С.  В  настоящей  работе  выполнена  экстраполя-

ция этих результатов до температуры –40°С.

Как видно на рисунке 2, при уменьшении темпера-

туры от нуля до –30°С удельное сопротивление воз-

растает более, чем на три порядка, от 10

6

–10

7

 Ом∙см 

до 10

10

 Ом∙см. Как будет показано ниже, именно этот 

факт играет основную роль в предложенном объясне-

нии возникающих явлений.

Причиной  изменения  сопротивления  при  отрица-

тельных температурах являются примеси, загрязняю-

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

Относительная

диэлектрическая проницаемость снега

Температура, °С

Уде

льное с

опро

тив

ление снег

а, Ом·см

Температура, °С

10

11

10

10

10

9

10

8

10

7

10

6

–40

–30

–20

–10

0

Уде

льное с

опро

тив

ление снег

а, Ом·см

Температура, °С

10

10

10

9

10

8

10

7

10

6

–30

4

3

2

1

–20

–10

0

Температура, °С

r

11

9

7

–25

–20

–15

–10

0

Рис

. 2. 

Зависимость

 

удельного

 

сопротивления

 

снега

 

от

 

температуры

 (

номера

 

кривых

 

соот

-

ветствуют

 

различным

 

местам

 

сбора

 

снега

 

при

 

выполнении

 

экспериментов

): 

а

по

 [4]; 

б

аппрок

-

симация

использованная

 

для

 

расчетов

щие снег, и возникающее при этом явление снижения 

температуры  кристаллизации.  Например,  раствор 

поваренной соли NaCl может существовать в жидком 

состоянии  до  температуры  полной  кристаллизации 

–21,2°С, раствор хлористого кальция CaCl — до тем-

пературы  –51°С.  Ниже  указанных  пороговых  темпе-

ратур  образуется  смесь  кристаллов  льда  и  соответ-

ствующей примеси, называемая эвтектикой. При этом 

происходит существенное изменение проводимости.

Таким образом, ход графиков на рисунке 2 сильно 

зависит  от  наличия  и  рода  примесей  в  снеге.  Учи-

тывая изменение в загрязненности атмосферы в пе-

риод после выполненных в [4] исследований, совре-

менные значения могут отличаться от показанных на 

рисунке 2.

На  рисунке  3а  аналогичным  образом  показано 

изменение  относительной  диэлектрической  прони-

цаемости  снега 

'

c

  от  температуры.  Видно,  что  с  по-

нижением температуры от нуля до –24°С измеренная 

диэлектрическая  проницаемость  уменьшается  от 

10,8  до  6,4  относительных  единиц.  Причиной  может 

быть  как  отмеченное  выше  явление  эвтектики,  так 

и структурные изменения снега.

На рисунке 3б показана аппроксимирующая зави-

симость, использованная для расчетов ниже. В диа-

Рис

. 3. 

Зависимость

 

относительной

 

диэлектрической

 

проницаемости

 

снега

 

'

c

 

от

 

температуры

а

по

 [4]; 

б

ап

-

проксимация

использованная

 

для

 

расчетов

а)

б)

б)

а)

 2 (53) 2019


Page 4
background image

58

пазоне  температуры  от  –24°С  до  0°С  она  хорошо 

совпадает с экспериментальной кривой слева. В ди-

апазоне 

<  –24°С  зависимость  экстраполирована. 

Для экстраполяции использована формула из [5].

На  рисунке  4  показана  зависимость  электриче-

ской  прочности  (напряженности  пробоя)  снега  от 

его  удельного  сопротивления 

с

,  также  полученная 

в [4]. Как видно, эта зависимость близка к линейной. 

Максимальный достигнутый уровень напряженности 

пробоя порядка 0,6 кВ/см получен при удельном со-

противлении  порядка  10

10

  Ом∙см.  При  сопоставле-

нии  с  графиками  рисунка  1  можно  сделать  вывод, 

что указанное значение соответствует температуре, 

близкой к –30°С. Данные рисунка 4 получены на ла-

бораторных образцах размером в несколько десят-

ков  миллиметров  в  слабонеоднородном  электриче-

ском поле.

Необходимо  отметить,  что  в  соответствии  с  ри-

сунком  4  электрическая  прочность  снега  оказыва-

ется  значительно  (более,  чем  в  десять  раз)  ниже 

прочности  воздуха.  Такая  низкая  электрическая 

прочность была получена в [4] на образцах, плотно 

зажатых между плоскими электродами. Как показа-

но ниже, это обстоятельство является ключевым для 

понимания природы электрического пробоя снежных 

отложений при температуре ниже –(20–30)°С.

ФОРМИРОВАНИЕ

 

ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО

 

ПОЛЯ

 

В

 

ТОЛЩЕ

 

СНЕГА

Рассмотрим  слой  снега  на  поверхности  земли  тол-

щиной 

h

с

 (рисунок 5).

В начале рассуждений для простоты будем счи-

тать, что высоковольтный электрод с потенциалом 

U

0

  представляет  бесконечную  плоскость,  парал-

лельную  земле  и  расположенную  на  расстоянии 

h

с

 

+

 h

в

 от ее поверхности, где 

h

с

 — толщина слоя 

снега, 

h

в

 — толщина слоя воздуха. Таким образом, 

рассматриваемая модельная система представля-

ет собой бесконечно протяженный плоский конден-

сатор, заполненный слоем снега с диэлектрической 

проницаемостью 

с

 и удельным сопротивлением 

с

а также слоем воздуха с диэлектрической проница-

емостью 

и нулевой проводимостью (возможность 

коронного разряда в воздухе не рассматривается). 

Эту  систему  можно  рассматривать,  как  последо-

вательное  соединение  двух  плоских  конденсато-

ров, один из которых заполнен снегом, а второй — 

воздухом.  Конденсатор,  заполненный  снегом,  на 

площади  в  1  м

2

  обладает  удельной  емкостью 

C

с

 

и  сопротивлением 

R

с

.  Конденсатор,  заполненный 

воздухом, обладает удельной емкостью 

C

в

. В полу-

ченном  емкостно-омическом  делителе  потенциал 

поверхности снежного слоя 

U

1

 определяется по из-

вестной формуле:

 

Z

с

U

1

 = 

U

—,

 

Z

с

 + 

Z

в

где 

Z

с

  —  комплексное  сопротивление  слоя  снега 

на 1 м

2

Z

в

 — комплексное сопротивление слоя снега 

на 1 м

2

, причем

Z

в

 = 1/(

 

j

 

 

C

в

), 

Z

c

 = 1/(1/

R

с 

 

j

 

 

C

с

), 

где 

 — круговая частоты приложенного напряжения.

Тогда

 

1/(1/

R

с 

 

j

 

 

C

с

)

U

1

 = 

U

——.

 

1/(

 

j

 

 

C

в

) + 1/(1/

R

с 

 

j

 

 

C

с

)

После  преобразований  это  выражение  приобре-

тает вид:

 

(1 + 

C

с 

/

 

C

в 

) + 

 

j

 

 

/

 

R

с 

 

C

в

)

U

1

 = 

U

——.

 

(1 + 

C

с 

/

 

C

в 

)

2

 + 1/(

R

с 

 

C

в

)

2

Таким образом, коэффициент деления

 

(1 + 

C

с 

/

 

C

в 

) + 

 

j

 

 

/

 

R

с 

 

C

в

)

 

k

дел

 = 

U

/

 

U

 = —— 

(1)

 

(1 + 

C

с 

/

 

C

в 

)

2

 + 1/(

R

с 

 

C

в

)

2

является комплексной величиной, то есть изменяет-

ся  в  зависимости  от  фазы  приложенного  напряже-

ния.

При большом удельном сопротивлении снега, ког-

да 

R

с

→∞, предельное значение коэффициента деле-

ния определяется выражением:
 

k

 = 

C

в 

/

 

(

C

с 

C

в

), 

(2)

что совпадает с известным выражением для емкост-

ного делителя напряжения.

С другой стороны, при малом удельном сопротив-

лении снега 

R

с

→0 и формула (1) приобретает вид:

 

j

 

/

 

(

R

с 

 

C

в

)

2

 

k

 = — = 

j

 

R

с 

 

C

в

→ 0. 

 

1/(

R

с 

 

C

в

)

2

Это означает, что при малом сопротивлении сне-

га нулевой потенциал земли практически полностью 

вынесен на верхнюю поверхность слоя снега.

После  преобразований  модуль  комплексной  ве-

личины 

k

дел

 приобретает вид:

 

____________________________________

 

mod

(

k

дел

) = 1 / √ (1 + 

C

/

 

C

в

)

2

 + 1

 

/

 

(

R

с 

 

C

в

)

2

(3)

10

5

 кОм·см

E

, кВ/см

0,8

0,6

0,4

0,2

3

24

48

72

Рис

. 4. 

Изменение

 

электрической

 

прочности

 

снега

 

при

 

изменении

 

его

 

удельного

 

сопротивления

 [4] (

номера

 

кривых

 

обозначают

 

места

 

сбора

 

образцов

 

снега

)

Рис

. 5. 

Слой

 

снега

 

в

 

плоской

 

бесконечной

 

системе

U

0

h

в

C

в

C

c

R

c

h

с

U

1

U

 = 0

1 м

2

ВОЗДУШНЫЕ 

ЛИНИИ


Page 5
background image

59

Выражения для емкостей 

C

с

C

в

 и со-

противления 

R

с

 определяются на осно-

вании известных формул:

C

с

 = 

с 

S

 

h

c

,

C

в

 = 

S

 

h

c

R

с

 = 

с 

h

c

 

/

 

S

,

где 

=

 

1 м

2

, причем параметры 

с

 

'

∙ 

0

 

и 

с

 зависят от температуры, как показа-

но на рисунках 2 и 3.

Формула  (3)  позволяет  построить 

графики зависимости mod(kдел) от тем-

пературы, показанные на рисунке 6. Для 

построения  этих  графиков  использова-

ны аппроксимации зависимостей 

'

c

 и 

с

 

от температуры, действующие в диапа-

зоне от нуля до –40°С (рисунки 2 и 3).

Расчеты  выполнены  применитель-

но к полной высоте системы рисунка 5, 

равной 

=

 

1 м (

h

с

 

+

  h

в

 

=

 

1 м) при раз-

личном заполнении промежутка снегом.

Как  видно  на  рисунке  6,  при  темпе-

ратуре  вблизи  нуля  градусов  коэффи-

циент  деления  имеет  малые  значения, 

то  есть  потенциал  верхней  поверх-

ности  слоя  снега  близок  к  нулю.  Это 

связано  с  относительно  высокой  проводимостью 

снега  (удельное  сопротивление 

с

  не  превышает 

10

8

 Ом∙см

 

=

 

10

6

 Ом∙м). По мере уменьшения темпе-

ратуры в диапазоне от –10°С до –25°С наблюдается 

интенсивный рост коэффициента деления, при этом 

растет потенциал поверхности снега и вместе с ним 

возрастает  напряженность  электрического  поля 

в слое снега. 

Установившееся при низкой температуре значение 

коэффициента  деления  соответствует  записанному 

выше выражению (2) и свидетельствует о распреде-

лении потенциала в модельной системе рисунка 5 по 

емкостям. Переход от малых значений потенциала на 

границе «снег–воздух» к большим значениям соответ-

ствует переходу от емкостно-омического распределе-

ния потенциала при «теплом» снеге к чисто емкостно-

му при предельно низкой температуре.

Малый потенциал на поверхности снега означает 

малую напряженность в толще снега. Как видно на 

рисунке 6, она составляет исчезающе малую величи-

ну вблизи нуля температуры, однако быстро возрас-

тает  при  низкой  температуре.  Большой  потенциал 

на поверхности снега означает большую напряжен-

ность  в  толще  снега.  Например,  при  напряжении 

73 кВ, 

h

с

 

 

=

 

0,6 м и коэффициенте деления, равном 

0,4, напряженность в слое снега составит:

73 кВ × 0,4 / 60 см 

 

=

 

 0,49 кВ/см.

Эта величина вполне сопоставима с уровнем про-

бивной напряженности, показанным на рисунке 4.

В обоих случаях с физической точки зрения име-

ет место накопление зарядов на верхней поверхно-

сти снега. При высокой проводимости снега (вбли-

зи нуля температуры) перенос зарядов обусловлен 

токами проводимости, а при низкой температуре — 

токами  смещения.  При  высокой  температуре  снег 

является  плохим  диэлектриком,  при  низкой  тем-

пературе снег проявляет свойства идеального ди-

электрика, заряды на его поверхности — это поля-

ризационные заряды.

На рисунке 6 указана температура вблизи –25,5°С, 

при которой на частоте 50 Гц выполняется условие: 
 



с 

с

 = 1. 

 (4)

При этом 

с

 

 

=

 

6,2·10

7

 Ом·м, 

'

c

 

 

=

 

5,8.

Выполнение  этого  условия  принято  считать  гра-

ницей раздела относительно «плохих» и «хороших» 

диэлектриков. Как известно [6], тангенс диэлектриче-

ских потерь в диэлектрике 

tg

(

) выражается соотно-

шением:

tg

(

) = 1

 

/

 

(



 

),

где 

 и 

 — удельное сопротивление и диэлектриче-

ская проницаемость диэлектрика. 

Таким  образом,  условие  (4)  означает  также,  что 

тангенс угла диэлектрических потерь равен единице. 

При этом ток проводимости через слой снега точно 

равен току смещения.

Произведение 

 

·

 формально является посто-

янной времени перезарядки емкости любого кубиче-

ского объема снега через его собственное сопротив-

ление. В физике диэлектриков его принято называть 

временем релаксации Максвелла-Вагнера, а произ-

ведение   иногда называют постоянной Максвелла.

ВЛИЯНИЕ

 

СНЕЖНЫХ

 

ОТЛОЖЕНИЙ

 

НА

 

ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ

 

ПОЛЕ

 

РЕАЛЬНЫХ

 

КОНСТРУКЦИЙ

Рассмотрим ситуацию, когда граница раздела «снег-

воздух»  проходит  через  изолятор,  снабженный  ме-

таллической арматурой. Для этого внесем в систему 

на рисунке 5 длинно-стержневой полимерный изоля-

тор, как показано на рисунке 7. 

-40

-30

-20

-10

0

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

Преимущественно
емкостное деление
напряжения

Преимущественно

резистивное деление

напряжения

-25,5°С

tg

(

G

) = 1

tg

(

G

) < 1

tg

(

G

) > 1

0.4

0.6

0.80

0.9

0.95

h

с

=0.99

Коэффициент деления 

k

дел

Температура, °С

Рис

. 6. 

Графики

 

зависимости

 

коэффициента

 

деления

 

от

 

температу

-

ры

 

при

 

различных

 

толщинах

 

слоя

 

снега

 h

с

 (

h

с

 

h

в

 

= 1 

м

) (

цифрами

 

на

 

графиках

 

указаны

 

значения

 

h

с

м

)

 2 (53) 2019


Page 6
background image

60

В том случае, когда один из оконцева-

телей изолятора размещен в слое снега, 

он  оказывается  экранирован  слоем  за-

рядов на поверхности снега от противо-

положного  оконцевателя.  Вблизи  нуля 

температуры  напряженность  электри-

ческого поля в слое снега мала, и также 

будет мала напряженность на поверхно-

сти размещенного в снегу оконцевателя. 

При  понижении  температуры  потенциал 

на  границе  «снег-воздух»  возрастает 

и  одновременно  возрастает  напряжен-

ность  в  слое  снега  и  на  поверхности 

размещенного  в  нем  оконцевателя.  При 

этом  заряды  на  поверхности  оконцева-

теля создают электрическое поле значи-

тельно более сильное, чем равномерное 

поле в плоском конденсаторе. Учитывая 

низкую  электрическую  прочность  снега, 

такое  понижение  температуры  вполне 

может  привести  к  электрическому  про-

бою снега, а вместе с ним и всего изоли-

рующего промежутка.

Это  показано  на  серии  картин  рас-

пределения  электрического  поля,  полу-

ченных  в  результате  расчета  при  отсут-

ствии  снега,  а  также  при  наличии  снега 

в  зависимости  от  температуры  (рису-

нок  8).  В  расчетную  модель  включен 

стеклопластиковый  стержень  радиусом 

11  мм,  снабженный  двумя  оконцевате-

лями.  Относительная  диэлектрическая 

проницаемость  стеклопластика  принята 

равной  5,0.  Потенциал  нижнего  оконце-

вателя  условно  принят  равным  100  кВ, 

верхний  оконцеватель  заземлен.  Рас-

стояние  между  оконцевателями  в  свету 

равно 1 м. 

В  осесимметричную  модель  рисун-

ка 8 включен также слой снега, покрыва-

ющий верхний зазем-

ленный оконцеватель 

и  половину  длины 

стержня  изолятора. 

Внешний радиус слоя 

снега  равен  150  мм, 

его  удельное  сопро-

тивление 

с

 и диэлек-

трическая  проницае-

мость 

с

  изменяются 

в зависимости от тем-

пературы  в  соответ-

ствии  с  графиками 

рисунков 2 и 3.

На  рисунке  8a  по-

казано  распределе-

ние  электрического 

поля при 

с

 

=

 

∞, 

'

c

 

=

 

1. 

При  этих  параметрах 

наличие  слоя  снега 

имеет 

формальный 

характер  и  не  влия-

ет  на  распределение 

электрического  поля. 

Видно, что картина по-

ля  симметрична  от-

носительно  середины

изолятора.  При  пол-

ном  отсутствии  снега 

на  изоляторе  макси-

мальная 

напряжен-

ность  на  верхнем 

оконцевателе  равна 

6,4 кВ/см.

На  рисунке  8б  по-

казано  распределе-

ние  электрического 

поля при температуре 

–5°С,  когда  снег  име-

ет  высокую  проводи-

мость.  Электрическое 

U

 = 0

U

0

Рис

. 7. 

Полимерный

 

изолятор

частич

 

но

 

покрытый

 

снегом

Рис

. 8. 

Картины

 

электрического

 

поля

 

вблизи

 

стержневого

 

изолятора

 

при

 

различной

 

температуре

 

снега

: a) 

при

 

отсутствии

 

снега

б

температура

 

снега

 –5°

С

'

c

 = 10,73, 

с

 = 4,75·10

5

 

Ом

·

м

в

температура

 

снега

 –25°

С

'

c

 = 5,95, 

с

 = 5,62·10

7

 

Ом

·

м

г

темпера

-

тура

 

снега

 –40°

С

'

c

 = 1,57, 

с

 = 5,54·10

8

 

Ом

·

м

ВОЗДУШНЫЕ 

ЛИНИИ

а)

в)

б)

г)


Page 7
background image

61

поле  при  этом  практически  полностью  вытеснено 

из толщи снега и сконцентрировано вблизи нижней 

части  изолятора.  Напряженность  поля  на  поверх-

ности верхнего оконцевателя в толще снега близка

к нулю.

Температура на рисунке 8в соответствует –25°С, 

когда выполнено условие (4) и тангенс угла потерь 

близок к единице. Изменение потенциала в толще 

снега отличается от нулевого, однако значительно 

меньше, чем в воздухе.

Наконец,  рисунок  8г  показывает  картину  поля 

при экстремально низкой температуре –40°С. При 

большом удельном сопротивлении снега и близкой 

к единице диэлектрической проницаемости распре-

деление  поля  приближается  к  случаю  отсутствия 

снега (рисунок 8a). Разница заключается в том, что 

при этом высокая напряженность возникает в тол-

ще снега, а не в воздухе. При относительно низкой 

электрической прочности снега (рисунок 4) это мо-

жет привести к пробою в толще снега и, в дальней-

шем, к перекрытию всего изолятора.

Результаты  расчетов,  частично  показанные  на 

рисунке  8,  обобщены  в  виде  графика  изменения 

максимальной напряженности на верхнем оконце-

вателе от температуры, показанного на рисунке 9. 

При любой температуре максимум напряженности 

расположен  на  скруглении  кромки  оконцевателя. 

При  этом,  однако,  величина  этого  максимума  ме-

няется  от  исчезающе  малого  значения  при  нуле 

температуры до уровня более 4,5 кВ/см при –40°С. 

Важно, что в любом случае эта напряженность воз-

никает именно в толще снега. Сопоставление полу-

ченного результата с данными рисунка 4 показыва-

ет, что возникающее в снеге при низкой температуре 

электрическое поле может быть значительно боль-

ше уровня электрической прочности снега. В этих 

условиях  возможен  электрический  пробой  снега 

и, как следствие, перекрытие всего изолятора.

-40

-30

-20

-10

0

0

1

2

3

4

5

Напряженность электрического

поля, кВ/см

Температура, °С

Рис

. 9. 

Зависимость

 

от

 

температуры

 

на

-

пряженности

 

на

 

верхнем

 

оконцевателе

а

в

 

модели

 

рисунков

 7 

и

 8; 

б

показано

 

место

 

формирования

 

максимальной

 

напряженности

 

электрического

 

поля

U

 = 0

E

max

а)

б)

На прав

ах рек

ламы

 2 (53) 2019


Page 8
background image

62

ЛИТЕРАТУРА
1.  Hiroya  Homma,  Kohei  Yaji,  Teruo 

Aso,  Masato  Watanabe,  Gaku 

Sakata.  Evaluation  of  Flashover 

Voltage Properties of Snow. Accreted 

Insulators  on  Transmission  Lines. 

2015 INMR World Congress.

2.  Брыкин В.П. Снег как фактор «за-

грязнения» внешней изоляции вы-

соковольтных  электроустановок  // 

Ежеквартальный  спецвыпуск  жур-

нала  «ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ.  Пере-

дача  и  распределение»,  2017, 

№ 1(4). С. 39–46.

3.  Узлов  В.А.,  Шишков  Г.И.,  Щерба-

ков  В.В.  Основные  физические 

параметры  снежного  покрова  // 

Труды  Нижегородского  государ-

ственного  технического  универси-

тета  им.  Р.Е.  Алексеева.  Ядерная 

энергетика и техническая физика, 

2014, № 1(103). С. 119–129.

4.  Соколов С.Г.  Электрические и аэро-

 динамические 

характеристики 

высоковольтных изоляторов. Но-

восибирск:  Издательство  «На-

ука», Сибирское отделение, 1968. 

100 с.

5.  Ярмаркин М.К., Соловьев Э.П. Вы-

соковольтные электрические аппа-

раты.  Материалы  для  диэлектри-

ческого  экранирования  //  Новости 

электротехники, 2016, № 6(102).

6.  Богородицкий Н.П., Волокобинский 

Ю.М.,  Воробьев  А.А.,  Тареев  Б.М. 

Теория  диэлектриков.  М.-Л.:  Изда-

тельство «Энергия», 1965. 344 с.

REFERENCES
1.  Hiroya  Homma,  Kohei  Yaji,  Teruo 

Aso, Masato Watanabe, Gaku Saka-

ta.  Evaluation  of  Flashover  Voltage 

Properties  of  Snow.  Accreted  Insu-

lators  on  Transmission  Lines.  2015 

INMR World Congress.

2.  Brykin V.P. Snow as a factor of ex-

ternal  insulation  "pollution"  in  high-

voltage 

electrical 

installations. 

ELEK TROENERGIYa: peredacha 
i raspredelenie

  [ELECTRIC  POW-

ER:  Transmission  and  Distribution], 

2017,  no.  1(4),  pp.  39-46.  (in  Rus-

sian)

3.  Uzlov V.A., Shishkov G.I., Shcherba-

kov  V.V.  The  main  physical  parame-

ters of snow cover. Trudy Nizhegorod -

skogo gosudarstvennogo tekhniches-

kogo universiteta im. R.E.Alekseyeva. 

Yadernaya energetika i tekhniches-
kaya 

 zika

  [Proceedings  of  Nizhny 

Novgorod  State  Technical  Univer-

sity.  Nuclear  power  engineering  and 

technical  physics],  2014,  no.  1(103), 

pp. 119-129. (in Russian)

4.  Sokolov S.G.

 Elektricheskiye i aero-

dinamicheskiye kharakteristiki vyso-
kovoltnykh izolyatorov

  [Electrical 

and  aerodynamic  characteristics 

of  high-voltage  insulators].  Novo-

sibirsk,  Nauka  (Siberian  Branch) 

Publ., 1968. 100 p.

5.  Yarmarkin  M.K.,  Solovyev  E.P.  High 

voltage  electrical  apparatus.  Materi-

als  for  dielectric  shielding. 

Novosti 

Elektrotekhniki

 [Electrical engineering 

news], 2016, no. 6(102). (in Russian)

6.  Bogoroditskiy  N.P.,  Volokobinskiy 

Yu.M., Vorobyev A.A., Tareyev B.M. 

Teoriya dielektrikov

  [Theory  of  di-

electrics]. Moscow-Leningrad, Ener-

giya Publ., 1965. 344 p.

ВОЗДУШНЫЕ 

ЛИНИИ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Как  показано  при  экспериментальных  исследова-

ниях  [4],  свойства  снега  сильно  изменяются  при 

изменении  температуры:  при  изменении  темпера-

туры от нуля до –30°С удельное электрическое со-

противление  возрастает  более,  чем  в  тысячу  раз, 

а  относительная  диэлектрическая  проницаемость 

уменьшается почти втрое. Это приводит к тому, что 

снег из разряда «плохих» диэлектриков переходит 

в разряд «хороших» диэлектриков. Высокая прово-

димость снега — «плохого» диэлектрика — вблизи 

нуля температуры приводит к вытеснению электри-

ческого поля в окружающий воздух, в то время как 

в  снеге  —  «хорошем»  диэлектрике  —  электриче-

ское поле формируется иначе и достигает гораздо 

более высоких значений. Это приводит к тому, что 

при  низкой  температуре  становится  возможным 

электрический пробой толщи снега, который затем 

инициирует  и  полное  перекрытие  внешней  изоля-

ции ВЛ и подстанций.

ВЫВОДЫ

1.  Электрический  пробой  внешней  изоляции  при 

наличии  снежных  отложений  при  температуре 

ниже  –20°С  может  быть  инициирован  в  толще 

снега, что связано с существенными изменения-

ми свойств снега по сравнению с температурами 

вблизи нуля градусов.

2.  Полученные  результаты  указывают  на  необхо-

димость  выполнения  исследовательских  работ 

по изучению диэлектрических свойств снега при 

температуре ниже –20°С.

3.  Для предотвращения формирования снежных от-

ложений на внешней изоляции линий электропе-

редачи и подстанций целесообразно применение 

и, возможно, разработка специальных типов изо-

ляторов, препятствующих налипанию снега. 

4.  Для оценки действительной опасности снежных 

отложений  следует  организовать  сбор  соответ-

ствующей информации в сетях высокого напря-

жения.  

В

 

издательстве

 

Инфра

-

Инженерия

 

вышла

 

в

 

свет

 

новая

 

книга

 

к

.

т

.

н

В

И

Гуревича

 

объемом

 

свыше

 500 

страниц

 

под

 

интригующим

 

названием

«

Электромагнитный

 

импульс

 

высотного

 

ядерного

 

взрыва

и

 

защита

 

электрооборудования

 

от

 

него

»

В

 

этой

 

необычной

 

книге

 

рассказывается

 

об

 

исто

-

рии

 

развития

 

военных

 

ядерных

 

программ

 

в

 

СССР

 

и

 

США

роли

 

разведки

 

в

 

создании

 

ядерного

 

ору

-

жия

 

в

 

СССР

обнаружении

 

электромагнитного

 

импульса

 

при

 

ядерном

 

взрыве

 (

ЭМИ

 

ЯВ

), 

много

-

численных

 

испытаниях

 

ядерных

 

боеприпасов

.

В

 

доступной

 

для

 

неспециалистов

 

в

 

области

 

ядерной

 

физики

 

форме

 

описан

 

процесс

 

образо

-

вания

 

ЭМИ

 

ЯВ

 

при

 

подрыве

 

ядерного

 

боеприпаса

 

на

 

большой

 

высоте

показано

 

влияние

 

много

-

численных

 

факторов

 

на

 

интенсивность

 

ЭМИ

 

ЯВ

 

и

 

его

 

параметры

Рас

 

смот

 

ре

 

но

 

влияние

 

ЭМИ

 

ЯВ

 

на

 

электронные

 

компоненты

 

и

 

устройства

а

 

также

 

и

 

на

 

силовое

 

электрооборудование

 

энергосистем

.

Большую

 

часть

 

книги

 

занимает

 

описание

 

прак

-

тических

 (

а

 

не

 

теоретических

как

 

в

 

сотнях

 

отчетов

 

на

 

эту

 

тему

средств

 

и

 

методов

 

защиты

 

электрон

-

ного

 

и

 

электротехнического

 

оборудования

 

от

 

ЭМИ

 

ЯВ

испытания

 

этого

 

оборудования

 

на

 

устойчи

-

вость

 

к

 

ЭМИ

 

ЯВ

оценки

 

эффективности

 

средств

 

защиты

В

 

книге

 

использованы

 

многочисленные

 

до

-

кументы

 

и

 

фотографии

 

с

 

грифами

 

секретности

которые

 

были

 

рассекречены

 

и

 

стали

 

общедоступ

-

ными

 

лишь

 

недавно

По

 

широте

 

охвата

 

проб

 

лемы

новизне

глубине

 

и

 

практической

 

значимости

 

описанных

 

технических

 

решений

 

книга

 

является

 

фактически

 

энциклопедией

 

ЭМИ

 

ЯВ

 

и

 

не

 

имеет

 

аналогов

 

на

 

книжном

 

рынке

Книга

 

рассчитана

 

на

 

инженеров

-

электриков

 

и

 

энергетиков

 

разрабатывающих

проектирующих

 

и

 

эксплуатирующих

 

электронное

 

и

 

электротех

-

ническое

 

оборудование

а

 

также

 

будет

 

полезна

 

преподавателям

 

вузов

 

и

 

студентам

Много

 

инте

-

ресного

 

найдут

 

в

 

ней

 

также

 

и

 

любители

 

истории

 

техники

.

Заказать книгу можно на сайте издательства www.infra-e.ru или по электронной почте infra-e@yandex.ru и телефону 8 (8172) 75-15-54


Читать онлайн

Рассмотрено влияние снежных отложений на формирование электрического поля на поверхности внешней высоковольтной изоляции в зависимости от температуры. Показано, что в диапазоне температур ниже минус 20°С изменение диэлектрических свойств снега приводит к существенному росту напряженности электрического поля в толще снега и может быть причиной перекрытия по внешней поверхности изоляции.

Поделиться:

«ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ. Передача и распределение»