Изчисляване на разстоянието на приплъзване за оборудване за високо напрежение

Въведение

Повърхностното прегаряне на формовани изолационни компоненти е един от най-коварните начини на повреда в оборудване за средно и високо напрежение - то рядко се обявява преди да е нанесена щета. За електроинженерите, които проектират разпределителни табла, и за мениджърите по снабдяването, които определят частите на формованата изолация, разстоянието на пълзене не е бележка под линия в информационния лист. То е основен проектен параметър, който определя дали вашата изолационна система ще оцелее десет години или ще се повреди през първия сезон на мусоните.

Разстоянието на пълзене е най-краткият път по повърхността на твърд изолационен материал между две проводящи части и правилното му изчисляване е единственият най-критичен фактор за предотвратяване на повърхностно възпламеняване на формовани изолационни компоненти в електроразпределителни системи за средно и високо напрежение. Въпреки това в практиката много инженери или прилагат общи таблици, без да отчитат степента на замърсяване, или бъркат разстоянието на пълзене с хлабината - два коренно различни параметъра с различни механизми на повреда.

Това ръководство представя инженерните принципи, които стоят зад изчисляването на разстоянието на пълзене, обяснява как геометрията на формованата изолация оказва пряко влияние върху устойчивостта на възпламеняване и предоставя структурирана рамка за избор на реални приложения за електроразпределителни и комутационни устройства.

Съдържание

• Какво представлява разстоянието на провлачване и как се прилага при формована изолация?
• Как се изчислява разстоянието на приплъзване за формована изолация за средно и високо напрежение?
• Как да изберете подходящото разстояние на приплъзване за вашето приложение и среда?
• Какви са най-често срещаните грешки при монтажа и практиките за поддръжка за ефективността на пълзящата изолация?

Какво представлява разстоянието на провлачване и как се прилага при формована изолация?

Разстоянието на преминаване и свободното пространство са два различни изолационни параметъра, които често - и опасно - се бъркат в спецификациите на разпределителните устройства. Разчистване е най-късото разстояние във въздуха между две проводими части. Разстояние на приплъзване е най-късото разстояние, измерено по повърхността на изолационния материал между същите тези две части.

При формованите изолационни компоненти - като изолатори от епоксидна смола, изолационни цилиндри, корпуси на контактни кутии и опори на шини, използвани във въздушно изолирани разпределителни устройства - повърхностният път е мястото, където се натрупват замърсявания, влага и замърсяване. Този натрупан слой създава проводящ филм, който прогресивно намалява ефективното съпротивление на изолацията, докато не настъпи повърхностен разряд или избухване.

Защо е важна геометрията на формованите изолации

Физическият профил на формования изолационен компонент пряко контролира разстоянието на провлачване. Конструкторите използват ребра, навеси и канали, за да увеличат дължината на повърхностния път, без да увеличават общите физически размери на компонента. Плосък изолатор и изолатор с ребра с еднаква височина могат да имат разстояния на приплъзване, различаващи се два или повече пъти.

Основни параметри на материала и структурата

• Материал на основата: Циклоалифатна епоксидна смола (APG процес) или епоксидна смола, подсилена със стъклени влакна (BMC/SMC)
• Диелектрична якост: ≥ 18 kV/mm (епоксидна смола, IEC 60243-1)¹
• Сравнителен индекс на проследяване (CTI): ≥ 600 V (група материали I по IEC 60112)² - от решаващо значение за ефективността на пълзене
• Термичен клас: Клас F (155°C) или клас H (180°C)
• Повърхностно съпротивление: ≥ 10¹² Ω при сухи условия (IEC 60167)³
• Приложими стандарти: IEC 60071-1 (координиране на изолацията), IEC 60664-1 (координиране на изолацията за ниско и средно напрежение), IEC 62271-1 (общи изисквания за разпределителни устройства за високо напрежение)

Преходно разстояние срещу разстояния: Критично разграничение

Параметър	Разстояние на пълзене	Разчистване
Измерен път	По повърхността на изолатора	Чрез въздуха
Основна заплаха	Повърхностно замърсяване, влага	Пренапрежение, импулс
Засегнати от	Степен на замърсяване, CTI на материала	Надморска височина, категория пренапрежение
Инструмент за проектиране	Геометрия на ребрата и навеса, материал CTI	Оразмеряване на въздушната междина
Управляващ стандарт	IEC 60664-1, IEC 60071-1	IEC 60071-1

Разбирането на това разграничение е отправна точка за всяко правилно изчисляване на разстоянието на пълзене при проектиране на формована изолация.

Как се изчислява разстоянието на приплъзване за формована изолация за средно и високо напрежение?

Изчисляването на необходимото разстояние на пълзене следва структурирана методология, определена в IEC 60071-1 (координация на изолацията) и IEC 60815 (за външни изолатори при замърсяване). За вътрешна изолация на въздушно изолирани разпределителни устройства основната референция е IEC 60664-1 в комбинация със специфични за оборудването стандарти, като например IEC 62271-1.

Формула за изчисляване на ядрото

Минималното изисквано разстояние на пълзене се определя от:

$L_{creepage} = \frac{U_{max}}{\rho_{min}}$

Къде:

• $L_{creepage}$ = минимално изисквано разстояние за преминаване (mm)
• $U_{max}$= максимално напрежение фаза-земя (kV rms) =$\frac{U_r}{\sqrt{3}}$
• $\rho_{min}$ = специфично разстояние на приплъзване⁴ (mm/kV), определен от степента на замърсяване

Специфично разстояние на приплъзване според степента на замърсяване (IEC 60815 / IEC 62271-1)

Степен на замърсяване	Описание на средата	Специфично разстояние на пълзене (mm/kV)
PD1 - Светлина	Чисто закрито помещение с контролиран климат	16 mm/kV
PD2 - Среден	Индустриални помещения, случайна кондензация	20 mm/kV
PD3 - Тежък	Крайбрежие, висока влажност, излагане на химикали	25 mm/kV
PD4 - Много тежък	Тежки индустриални условия, солена мъгла, силно замърсяване	31 mm/kV

Работен пример: 12 kV вътрешно разпределително устройство

За система 12 kV, инсталирана в крайбрежно промишлено съоръжение (степен на замърсяване 3):

$U_{max} = \frac{12}{\sqrt{3}} \приблизително 6,93 \текст{ kV}$

$L_{creepage} = 6.93 \times 25 = 173 \text{ mm}$

Това означава, че формованият изолационен компонент трябва да осигурява минимален път на пълзене по повърхността от 173 мм между фазовите и заземителните проводници. Стандартният плосък епоксиден опорен изолатор от този клас напрежение обикновено осигурява само 120-140 мм - недостатъчно за тази среда без оребрена геометрия или подобрен подбор на материали.

Реален инженерен случай

Изпълнител на електроразпределителна компания, работещ по разширяването на 12 kV подстанция в крайбрежен град в Югоизточна Азия, се свърза с нас, след като в рамките на 14 месеца след пускането в експлоатация се появиха повтарящи се повреди при проследяване на повърхността на съществуващите формовани изолационни опори. Първоначалната им спецификация е използвала стойности на пълзене PD2 (20 mm/kV) за среда, която очевидно е била PD3 - недостиг от 20% в дължината на повърхностния път.

След преминаването към оребрените епоксидни изолационни компоненти на Bepto, проектирани за PD3 със специфично разстояние на пълзене от 25 mm/kV и CTI ≥ 600 V (група материали I), заместващите устройства преминаха успешно тестовете за сухо и мокро запалване по IEC 62271-1. Осемнадесет месеца по-късно са отчетени нулеви инциденти с проследяване на повърхността в модернизираните панели.

Урокът: класификацията на степента на замърсяване не е консервативно инженерство - тя е точно инженерство.

Как да изберете подходящото разстояние на приплъзване за вашето приложение и среда?

Изборът на формована изолация с правилно разстояние на приплъзване изисква систематична оценка на три взаимозависими фактора: електрически изисквания, условия на околната среда и свойства на материала. Пропускането на всяка една от тези стъпки внася риск в изолационната система.

Стъпка 1: Определяне на електрическите изисквания

• Напрежение на системата: Определяне на номиналното напрежение Ur и изчисляване на максималното напрежение между фазите $U_{max} = U_r / \sqrt{3}$
• Категория пренапрежение: Потвърждаване на изискванията за издръжливост на импулси от мълнии (LIWV) и импулси при превключване
• Честота: Стандартно 50/60 Hz; по-високите честоти изискват допълнително намаляване на изолацията на повърхността

Стъпка 2: Класифициране на средата на замърсяване

• PD1: Затворена, климатизирана вътрешна среда (рядко срещана в промишлената практика)
• PD2: Стандартни индустриални среди на закрито с умерена запрашеност и случайна кондензация
• PD3: Крайбрежни райони, химически заводи, циментови фабрики, тропическа среда с висока влажност⁵
• PD4: офшорни платформи, зони със солена мъгла, съоръжения за тежка химическа обработка

Стъпка 3: Избор на група CTI за материали

Сравнителният индекс на проследяване (CTI) на формования изолационен материал влияе пряко върху това колко голямо разстояние е необходимо. Материалите с по-висок CTI се противопоставят по-ефективно на повърхностното проследяване, което позволява по-къси пътища за пълзене при една и съща степен на замърсяване.

Обхват на CTI	Група материали	Коефициент на намаляване на пълзенето	Типичен материал
CTI ≥ 600 V	Група I	1,0 (базова линия)	Циклоалифатна епоксидна смола
400 ≤ CTI < 600 V	Група II	1,25× (необходимо е увеличение)	Стандартна епоксидна смола
175 ≤ CTI < 400 V	Група IIIa	1,6× (значително увеличение)	Полиестер, някои BMC

За формована изолация за средно напрежение в разпределителни разпределителни устройства, Група материали I (CTI ≥ 600 V) е инженерен стандарт, а не премиум опция.

Сценарии на приложение и препоръчителни спецификации

Приложение	Степен на замърсяване	Специфично пълзене (mm/kV)	Препоръчителен материал
Индустриални комутационни апарати на закрито	PD2	20 mm/kV	Епоксидна смола, CTI ≥ 600
Крайбрежна подстанция	PD3	25 mm/kV	Циклоалифатна епоксидна смола, CTI ≥ 600
Комутационна апаратура DC/AC за слънчеви ферми	PD2-PD3	20-25 mm/kV	UV стабилизирана епоксидна смола
Морски / офшорен панел	PD4	31 mm/kV	Силикон или епоксидна смола с високо съдържание на CTI
Подземни разпределителни устройства за минно дело	PD3	25 mm/kV	Епоксидна смола против проследяване, IP54+

Какви са най-често срещаните грешки при монтажа и практиките за поддръжка за ефективността на пълзящата изолация?

Процедура за инсталиране

1. Проверка преди инсталиране: Потвърдете, че разстоянието между компонентите от листа с данни съответства на изчисленото минимално изискване за конкретната степен на замърсяване
2. Проверка на повърхността: Проверете за транспортни повреди, микропукнатини или повърхностно замърсяване на изолационния корпус преди монтажа
3. Проверка за ориентация: Изолаторите с ребра трябва да се монтират с ребра, ориентирани така, че да увеличат максимално ефективния път на пълзене - неправилната ориентация може да намали ефективното пълзене с 30-40%
4. Управление на въртящия момент: Прекомерното затягане на монтажния хардуер води до концентрация на механично напрежение, което с течение на времето инициира микропукнатини по повърхността на пълзящата стена.
5. Проверка на запечатването: Уверете се, че IP класът на панела се запазва след монтажа, за да се запази предположението за степента на замърсяване, използвано при изчисляването на пълзящата връзка.

График за поддръжка

• На всеки 6 месеца: Визуална проверка за следи по повърхността (кафяви или черни карбонизирани следи), креда или проникване на влага.
• Ежегодно: Почистете изолационните повърхности със суха кърпа без власинки или одобрен разтворител; измерете съпротивлението на изолацията на повърхността (цел ≥ 500 MΩ при 1 kV DC)
• На всеки 3-5 години: Пълно изпитване за диелектрична устойчивост по IEC 62271-1, за да се потвърди, че целостта на изолацията не се е влошила

Често срещани грешки в спецификацията и инсталацията

• Използване на стойности на разстоянието вместо стойности на пълзящото разстояние при определяне на изолационните компоненти - това са различни параметри и не са взаимозаменяеми
• Прилагане на степента на замърсяване в помещенията към инсталации, разположени на открито: Оборудването в близост до вентилационни отвори, места за въвеждане на кабели или в тропически климат без херметически затворени корпуси често се сблъсква с условията на PD3, въпреки че номинално е “вътрешно”.”
• Пренебрегване на групата CTI при сравняване на доставчиците: Два компонента с идентични размери на разстоянието на приплъзване, но с различни стойности на CTI, имат коренно различна устойчивост на възпламеняване - често срещан източник на повреда при преминаване към по-евтини алтернативи.
• Пренебрегване на ориентацията на ребрата по време на монтажа: Хоризонталните ребра на вертикално монтиран изолатор може да не отвеждат ефективно влагата, което отхвърля предимството на геометрията на ребрата за удължаване на пълзенето.

Заключение

Изчисляването на разстоянието на пълзене не е упражнение с отметка - то е инженерната основа на надеждната изолация в електроразпределителните системи за средно и високо напрежение. За формованите изолационни компоненти в разпределителните устройства с въздушна изолация правилното класифициране на степента на замърсяване, прилагането на правилното специфично разстояние на пълзене и изборът на епоксидна смола от група материали I с CTI ≥ 600 V са трите задължителни стъпки, които разделят 20-годишната изолационна система от тази, която се поврежда на втората година. В Bepto Electric всеки формован изолационен компонент се проектира в съответствие с IEC 62271-1 с пълна документация за разстоянието на пълзене, сертифициране на CTI и класификация на степента на замърсяване - защото предотвратяването на повърхностни възпламенявания започва на етапа на спецификацията.

Често задавани въпроси относно изчисляването на разстоянието на приплъзване за оборудване за високо напрежение

1. “Диелектрични свойства на епоксидни смоли”, https://ieeexplore.ieee.org/document/871329. Изследователска статия, в която подробно се описва якостта на разрушаване на епоксидните изолатори. Роля на доказателството: статистическо; Тип на източника: изследване. Поддържа: ≥ 18 kV/mm (епоксидна смола, IEC 60243-1). ↩

2. “IEC 60112:2020 Метод за определяне на доказателствените и сравнителните показатели за проследяване на твърди изолационни материали”, https://webstore.iec.ch/publication/504. Международен стандарт, определящ измерването на CTI и групирането на материалите. Роля на доказателство: стандарт; Тип източник: стандарт. Поддържа: ≥ 600 V (група материали I по IEC 60112). ↩

3. “IEC 60167:1964 Методи за изпитване за определяне на изолационното съпротивление на твърди изолационни материали”, https://webstore.iec.ch/publication/704. Стандарт, определящ изпитването на устойчивост на повърхността и обема. Роля на доказателство: стандарт; Тип източник: стандарт. Поддържа: ≥ 10¹² Ω при сухи условия (IEC 60167). ↩

4. “IEC TS 60815-1:2008 Избор и оразмеряване на изолатори за високо напрежение, предназначени за използване в замърсени условия”, https://webstore.iec.ch/publication/3807. Техническа спецификация, определяща степента на замърсяване и параметрите на пълзене. Роля на доказателство: стандарт; Тип на източника: стандарт. Подкрепя: специфично разстояние на преминаване (mm/kV). ↩

5. “Картографиране на степента на замърсяване на изолатори за високо напрежение”, https://ieeexplore.ieee.org/document/6339185. Теренно проучване за класифициране на нивата на замърсяване на околната среда. Evidence role: general_support; Source type: research. Подкрепя: крайбрежни места, химически заводи, циментови фабрики, тропическа среда с висока влажност. ↩