Расчет проходного изолятора конденсаторного типа

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ 
 
 
 
 
 
 
Н.В. ЩЕГЛОВ 
 
 
 
РАСЧЁТ  
ПРОХОДНОГО ИЗОЛЯТОРА 
КОНДЕНСАТОРНОГО ТИПА 
 
 
Утверждено 
Редакционно-издательским советом университета  
в качестве учебного пособия 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
НОВОСИБИРСК 
2019 

УДК 621.3.048.8(075.8) 
   Щ 334 
 
Рецензенты: 
канд. техн. наук, доцент В.И. Ключенович 
канд. техн. наук, доцент Н.В. Цуркан 
 
 
Щеглов Н.В. 
Щ 334 
Расчёт проходного изолятора конденсаторного типа: учебное 
пособие / Н.В. Щеглов. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2019. – 72 с. 

ISBN 978-5-7782-3826-8 

Изложены вопросы выбора расчётных напряжений наружной и 
внутренней изоляции высоковольтных вводов конденсаторного типа. 
Рассмотрены методы электрического расчёта изоляции и порядок её 
расчета. Кроме того, приведены основные положения тепловой устойчивости изоляторов конденсаторного типа и порядок её расчёта. 

УДК 621.3.048.8(075.8) 

Щеглов Николай Владимирович 

РАСЧЁТ ПРОХОДНОГО ИЗОЛЯТОРА КОНДЕНСАТОРНОГО ТИПА 

Учебное пособие 

Редактор И.Л. Кескевич 
Выпускающий редактор И.П. Брованова 
Корректор И.Е. Семенова 
Дизайн обложки А.В. Ладыжская 
Компьютерная верстка Н.В. Гаврилова 

Налоговая льгота – Общероссийский классификатор продукции 
Издание соответствует коду 95 3000 ОК 005-93 (ОКП) 

Подписано в печать 06.03.2019. Формат 60 × 84 1/16. Бумага офсетная 

Тираж 50 экз. Уч.-изд. л. 4,18. Печ. л. 4,5. Изд. 336/18. Заказ № 553 
Цена договорная 

Отпечатано в типографии 
Новосибирского государственного технического университета 
630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20 
 
ISBN 978-5-7782-3826-8 
© Щеглов Н.В., 2019 
 
© Новосибирский государственный 
 
     технический университет, 2019 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Введение ................................................................................................................... 4 
1. Общие сведения о высоковольтных вводах ................................................. 5 
1.1. Назначение вводов. Схемы конструкции, её особенности ...................... 5 
1.2. Регулирование электрических полей  во вводах ...................................... 7 
1.3. Внешняя изоляция вводов .......................................................................... 9 
1.4. Внутренняя изоляция вводов ................................................................... 11 
1.5. Основные технические характеристики вводов ..................................... 14 
1.6. Конструкции вводов ................................................................................. 18 
1.7. Контроль состояния вводов в эксплуатации ........................................... 29 
2. Электрический расчёт .................................................................................... 30 
2.1. Выбор расчётных напряжений ................................................................. 30 
2.2. Общие положения электрического расчёта ............................................ 31 
2.3. Выбор размеров фарфоровых покрышек и определение  
допустимых продольных напряженностей ............................................. 35 
2.4. Выбор допустимых  радиальных напряжённостей ................................ 38 
2.5. Расчёт изолятора с постоянной  аксиальной напряжённостью 
электрического поля .................................................................................. 43 
2.6. Расчёт изолятора с наименьшей неравномерностью радиальной 
напряжённости электрического поля ...................................................... 53 
2.7. Порядок электрического расчёта изоляторов конденсаторного типа .......... 58 
3. Расчёт тепловой устойчивости ...................................................................... 60 
3.1. Основные положения расчёта тепловой устойчивости ......................... 60 
3.2. Порядок расчёта тепловой устойчивости  изоляторов конденсаторного типа ............................................................................................... 65 
Библиографический список .................................................................................. 67 
Приложение 1. Основные обозначения ............................................................... 68 
Приложение 2. Длительно допустимые токи для медных  и алюминиевых шин трубчатого сечения ..................................................... 71 
Приложение 3. Основные физические характеристики материалов, 
применяемых при изготовлении вводов высокого 
напряжения .................................................................................. 72 

 
 
 
 
 
 
 

ВВЕДЕНИЕ 

Высоковольтные вводы служат изоляционными конструкциями в 
аппаратах электроэнергетического и электротехнического назначения 
и используются для ввода/вывода высокого напряжения. Они являются 
обязательными элементами силовых трансформаторов, реакторов,  
испытательных установок высоковольтных лабораторий и другого 
оборудования. 
В настоящее время техническая и учебная литература не отражает 
основных 
принципов 
проектирования 
высоковольтных 
вводов.  
В предлагаемом учебном пособии рассмотрены основные способы 
электрического расчёта внутренней и наружной изоляции вводов конденсаторного типа. Приведены основные положения тепловой устойчивости и порядок её расчёта. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ  
О ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ВВОДАХ 

1.1. НАЗНАЧЕНИЕ ВВОДОВ 
СХЕМЫ КОНСТРУКЦИИ, ЕЁ ОСОБЕННОСТИ 

Вводы, или проходные изоляторы, – это изоляционные конструкции, которые используют в местах, где проводник, работающий под 
напряжением, должен проходить через заземлённый металлический 
корпус трансформатора, реактора, аппарата или через стену или перекрытие здания. Ввод обеспечивает механическое крепление токоведущего проводника и необходимый уровень электрической прочности 
конструкции. 
Устройство ввода простейшей конструкции, установленного на 
крышке бака силового трансформатора, схематически показано на  
рис. 1.1. Такой ввод включает в себе следующие элементы: 
 токоведущий стержень (или труба), находящийся под рабочим 
напряжением; 
 изоляционное тело, обеспечивающее механическое крепление 
токоведущего стержня и электрическое изолирование его от заземлённой крышки бака; 
 металлическую втулку с фланцем, с помощью которого ввод 
крепится к крышке бака трансформатора; 
 верхний экран, выравнивающий электрическое поле у верхнего 
контактного узла для устранения стримерной короны в воздухе при 
рабочем напряжении; 
 нижний экран, выравнивающий электрическое поле у нижнего 
контактного узла для повышения электрической прочности изоляционного промежутка в масле ввод–стенка бака трансформатора. 

Рис. 1.1. Схема конструкции простейшего проходного  
изолятора (ввода): 

1 – токоведущий стержень (труба); 2 – изоляционное тело;  
3 – втулка; 4 – верхний экран; 5 – нижний экран 
 
 
 
 
 
 
 
Конструкции реальных вводов, особенно высших классов напряжения, значительно сложнее. Они содержат ещё ряд узлов, обеспечивающих необходимые технико-экономические показатели, в том числе 
высокие эксплуатационные качества. 
Первая особенность ввода: он, как и некоторые другие (но не все) 
изоляционные конструкции, имеет внешнюю и внутреннюю изоляцию. 
Процессы во внешней и внутренней изоляции, определяющие их электрическую прочность, существенно различны и зависят от разных факторов. 
Поэтому необходимые уровни электрической прочности внешней и 
внутренней изоляции достигаются разными средствами. 
Вторая особенность состоит в том, что в исходной простейшей 
конструкции электрическое поле существенно неравномерно в радиальном и осевом направлении. Поэтому невозможно создать вводы на 
напряжение 110 кВ и более с удовлетворительными габаритами и другими параметрами без применения специальных мер регулирования 
электрического поля. 
Электрическое поле в изоляционном теле между токоведущим 
стержнем и втулкой на удалении от краёв втулки – это поле между соосными цилиндрами, напряжённость в котором в радиальном направлении убывает обратно пропорционально радиусу. В результате для 
этого участка отношение максимальной напряжённости 
max
E
 к мини

мальной 
min
E
 равно отношению R

r
, где R – внутренний радиус втул
ки; r – радиус токоведущего стержня. 

При значениях, характерных для реальных вводов, отношения R

r
 

составляют примерно от 2,5 до 4,0 (при наличии средств регулирования электрического поля). В простейшей конструкции ввода отношение 
max
min
/
E
E
 имеет те же значения. Поэтому использование диэлектрических свойств изоляционного тела будет неравномерным по 
толщине и приведёт к нерациональному увеличению радиальных размеров ввода. 
Электрическое поле у краёв заземлённой втулки ввода является 
резко неравномерным. Напряжённость электрического поля непосредственно у краёв втулки (в воздухе и в изоляционном теле) может превышать среднюю напряжёность в промежутке стержень–втулка в 
5…10 раз и более (в зависимости от радиуса скругления кромок втулки). Напряженность электрического поля здесь имеет значительную 
нормальную составляющую к поверхности изоляционного тела. По 
мере удаления от краёв втулки в осевом направлении напряжённость 
быстро уменьшается. 
Электрическая прочность изоляционного тела на участках около 
краёв втулки из-за резко неравномерного поля оказывается наименьшей. Здесь же в воздухе при относительно низком напряжении возникает коронный разряд, который при рабочем напряжении недопустим, 
так как служит мощным источником радиопомех и оказывает разрушающее действие на изоляционное тело ввода. 

1.2. РЕГУЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ  
ВО ВВОДАХ 

Практика проектирования вводов показала, что без применения 
специальных мер регулирования электрического поля в осевом и радиальном направлении удаётся создать рациональные конструкции на 
номинальные напряжения (6…10 кВ), иногда до 35 кВ. Выполнить 
вводы на напряжения 110 кВ и более без эффективного регулирования 
электрического поля невозможно. 

Практически во всех реальных конструкциях вводов с бумажномасляной и твёрдой внутренней изоляцией на напряжения 110 кВ и 
выше для регулирования электрического поля используют системы конденсаторных (уравнительных) обкладок (рис. 1.2). 
Обкладки выполняют, как правило, из алюминиевой фольги толщиной 0,012…0,020 мм и закладывают в изоляционное тело при намотке слоёв бумаги. Эффект регулирования электрического поля 
достигается при этом за счёт того, что обкладки 
из проводящего материала принудительно создают такую систему эквипотенциальных поверхностей, которой соответствует более равномерное 
поле во внешней и внутренней изоляции ввода. 
В частности, используются так называемые 
равноёмкостные системы конденсаторных обкладок, в которых размеры обкладок выбираются такими, что ёмкость между всеми парами соседних 
обкладок получаются одинаковыми. Вследствие 
этого напряжение, приложенное к вводу, равномерно распределяется по слоям между обкладками. Если при этом длины уступов одинаковы для 
всех пар обкладок, то средние напряжённости в 
аксиальном направлении получаются постоянными. Одновременно более равномерным получается поле и в радиальном направлении. 
У краёв конденсаторных обкладок электрическое поле получается резко неравномерным. Однако области повышенных напряжённостей имеют относительно небольшие размеры. Например, область у края обкладки, в пределах которой напряжённость поля превышает среднюю в 3 раза и более, имеет 
размеры около 2 % от толщины слоя изоляции между обкладками. Поэтому число обкладок принимается достаточно большим, чтобы толщины слоёв изоляции между обкладками были относительно малыми. 
В результате области с резко неравномерными полями у краёв конденсаторных обкладок оказываются настолько малыми, что развитие в 
них разрядных процессов затрудняется. 

Рис. 
1.2. 
Система

конденсаторных обкладок для регулирования электриче ского поля во вводе:

1 – токоведущий 
стержень (труба); 
2 – втулка 

Необходимо обратить внимание на то, что длина последней, заземлённой конденсаторной обкладки (считая от токоведущего стержня) 
несколько больше, чем длина втулки. Благодаря этому экранируются 
острые края втулки и напряжённость электрического поля около этих 
краёв существенно снижается. Тем самым исключается возможность 
появления короны на втулке и значительно повышается разрядное 
напряжение в воздухе вдоль поверхности изоляционного тела. 

1.3. ВНЕШНЯЯ ИЗОЛЯЦИЯ ВВОДОВ 

Внешняя изоляция ввода – это промежуток в атмосферном воздухе 
вдоль поверхности верхней части изоляционного тела. Электрическая 
прочность такого элемента внешней изоляции зависит от геометрических размеров промежутка, плотности воздуха и (наиболее сильно) от 
состояния поверхности изоляционного тела. 
Плотность воздуха, определяемая давлением и температурой, относительно слабо влияет на разрядное напряжение по поверхности верхней части ввода. Регулярные и случайные изменения давления и температуры воздуха в районах, расположенных на высоте до 1000 м над 
уровнем моря, вызывают изменения разрядных напряжений в пределах 
±10…15 %, не более. 
При чистой или загрязнённой, но сухой поверхности верхней части 
изоляционного тела электрическое поле внешней изоляции определяется законами электростатики. При отсутствии средств регулирования 
поле получается резко неравномерным. При использовании средств 
регулирования – слабо неравномерным. В обоих случаях главный геометрический размер, определяющий разрядное напряжение, – это высота верхней части изоляционного тела (наикратчайшее расстояние по 
воздуху от верхнего экрана до втулки). При современных средствах 
регулирования электрического поля разрядное напряжение внешней 
изоляции почти линейно зависит от высоты верхней части изоляционного тела. При этом средние разрядные напряжённости составляют 
3,0…3,5 кВ/см при воздействии напряжения промышленной частоты. 
В случае загрязнённой и увлажнённой поверхности изоляционного 
тела картина резко меняется. Увлажнение слоя загрязнения атмосферными осадками приводит к резкому увеличению проводимости этого 
слоя. Распределение напряжения вдоль поверхности изоляционного 
тела определяется теперь только распределением загрязнения и может 

быть различным, в том числе и слабо неравномерным. Но при этом 
изменяется механизм развития разряда в воздухе вдоль поверхности 
изоляционного тела. 
Сравнительно большой ток утечки по загрязнённой и увлажнённой 
поверхности ввода вызывает значительные тепловыделения и рост  
интенсивности выделения влаги. При определённых условиях на поверхности образуются так называемые сухие пояски – полностью осушенные участки длиной 1,0…1,5 см, сопротивление которых много 
больше, чем участков, оставшихся увлажнёнными. Происходит перераспределение напряжения вдоль поверхности ввода: почти всё приложенное к вводу напряжение приходится на сухие пояски, поэтому 
происходит перекрытие этих участков и над ними возникают частичные дуговые разряды (ЧДР). 
Далее возможны два варианта развития процесса. При относительно небольшом токе утечки, проходящем через канал ЧДР, разряд оказывается неустойчивым и быстро (доли секунды) гаснет. Сухой участок вновь увлажняется осадками, и весь процесс повторяется. Таким 
образом, возникают перемежающиеся ЧДР (многократные зажигания и 
погасания дуговых разрядов), которые при неизменных внешних условиях могут существовать часами. Полного перекрытия изоляции при 
этом не происходит. Но такой режим опасен тем, что ЧДР развиваются 
вблизи поверхности изоляционного тела и вследствие высокой температуры в канале ЧДР эти разряды могут разрушать поверхность изоляционного тела, образуя на ней чёрные проводящие (обугленные)  
разветвлённые следы – треки. Появление треков резко снижает разрядное напряжение в воздухе вдоль поверхности ввода. Поэтому внешняя 
часть вводов, предназначенная для работы на открытом воздухе, 
должна выполняться из трекингостойких (стойких к воздействию ЧДР) 
материалов. К их числу принадлежат фарфор, стекло, кремнийорганические резины и ещё ограниченный круг изоляционных материалов. 
При относительно большом токе утечки (при сильном загрязнении) 
ЧДР горит устойчиво, быстро увеличивается в длине (со скоростью до 
50 м/с) и процесс завершается полным перекрытием поверхности изоляционного тела ввода. 
Этот процесс развития разряда в воздухе является сравнительно 
длительным, так как включает такие медленные стадии, как нагрев 
слоя загрязнения и образование сухих поясков. Поэтому он возможен 
только при длительных воздействиях напряжений, т. е. при рабочем 

напряжении. Разрядные напряжения получаются при этом наименьшими, они в несколько раз ниже, чем при грозовых и коммутационных 
импульсах. 
Разрядные напряжения в воздухе вдоль загрязнённой и увлажнённой поверхности изолятора пропорциональны длине пути утечки по 
этой поверхности и зависят от удельной поверхностной проводимости 
увлажнённого слоя загрязнения. Основным средством повышения разрядного напряжения в условиях загрязнения и увлажнения наружной 
поверхности ввода является создание на изоляционном теле рёбер, 
увеличивающих длину пути утечки без увеличения высоты 
в
H  конструкции. 
Для обеспечения достаточно малой вероятности перекрытия по загрязнённой и увлажнённой поверхности ввода при рабочем напряжении нормирована удельная длина пути утечки по поверхности, т. е. 
длина пути утечки на единицу наибольшего рабочего (линейного) 
напряжения ввода. Нормированные значения удельной длины пути 
утечки зависят от степени загрязнения атмосферы в месте работы изоляционной конструкции. 
Важная особенность внешней изоляции – её способность к полному восстановлению электрической прочности после процесса пробоя 
(перекрытия) и быстрого отключения. 

1.4. ВНУТРЕННЯЯ ИЗОЛЯЦИЯ ВВОДОВ 

Внутренняя изоляция ввода – это промежуток между токоведущим 
стержнем и втулкой, заполненной твёрдым диэлектрическим материалом (в реальных конструкциях – в сочетании с жидким диэлектриком 
или высокопрочным газом). К внутренней изоляции относится также 
промежуток в масле вдоль поверхности нижней части изоляцион- 
ного тела. 
Особенность внутренней изоляции состоит в том, что практически 
для всех её разновидностей характерна сильная зависимость электрической прочности от длительности воздействия напряжения. Поэтому 
в инженерной практике принято для внутренней изоляции различать: 
 кратковременную электрическую прочность при грозовых импульсах напряжения стандартной формы; 
 кратковременную электрическую прочность при коммутационных импульсах напряжения стандартной формы;