Научно-технические основы создания внешней изоляции электрооборудования высокого и сверхвысокого напряжения

Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

Научно-технические основы создания внешней изоляции электрооборудования высокого и сверхвысокого напряжения

Специальность 05.14.12 - Техника высоких напряжений

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Остапенко Евгений Ильич

Москва 2008

Работа выполнена в Федеральном государственном унитарном предприятии «Всероссийский электротехнический институт имени В.И. Ленина»

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор МАКСИМОВ БОРИС КОНСТАНТИНОВИЧ

доктор технических наук, профессор ОВСЯННИКОВ АЛЕКСАНДР ГЕОРГИЕВИЧ

доктор технических наук, профессор ХАЛИЛОВ ФИРУДИН ХАЛИЛОВИЧ

Ведущая организация: ОАО «Научно-исследовательский институт по передаче электроэнергии постоянным током высокого напряжения», г. Санкт-Петербург

Защита состоится « » 2009 г. в час. на заседании диссертационного совета Д 217.039.02 в Федеральном государственном унитарном предприятии «Всероссийский электротехнический институт имени В.И. Ленина» по адресу: 111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, 12.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного унитарного предприятия «Всероссийский электротехнический институт имени В.И. Ленина»

Автореферат разослан « » 200 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, старший научный сотрудник А.Р. Корявин

изолятор электропередача прочность

Общая характеристика работы

Актуальность темы

Работоспособность и экономическая эффективность внешней изоляции электрооборудования высокого (ВН) и сверхвысокого (СВН) напряжения являются основными составляющими общей проблемы обеспечения высокой надежности и улучшения технико-экономических показателей работы энергетической системы России.

Решение этих задач непосредственно связано с созданием оптимизированных вариантов исполнения изоляционных конструкций высокой надежности при минимальных затратах на их создание.

Важнейшим критерием при выборе внешней изоляции, как правило, определяющим габариты изоляции, является ее надежная работа в условиях загрязнения и увлажнения. Эта проблема возникла при сооружении первых воздушных линий электропередачи, и в дальнейшем, в связи с аварийностью в сетях из-за загрязнения изоляции, усложнилась вследствие общего ухудшения экологической обстановки.

Первоочередной интерес представляет задача выбора изоляции для линий электропередачи и подстанций переменного тока, обеспечивающих основной поток электроэнергии. В то же время высокоэкономичные и гибкие передачи постоянного тока с высокой пропускной способностью находят все большее применение, а в будущем они несомненно станут важнейшими элементами энергосистем. Поэтому обоснованный выбор изоляции по критерию ее надежной работы в системах постоянного тока представляет не меньший интерес.

Наиболее жесткие требования предъявляются к надежности изоляции подстанционного оборудования, так как аварии вследствие перекрытий этой изоляции могут вызвать значительный недоотпуск электроэнергии.

При выборе габаритов аппаратной изоляции по требованию ее надежной работы в условиях загрязнения и увлажнения обычно исходят из значений нормируемой длины пути утечки. Однако, как показывает опыт эксплуатации и результаты лабораторных исследований, длина пути утечки не всегда достаточно полно характеризует электрическую прочность загрязненных изоляторов вследствие чего выбранные по этому параметру изоляторы в ряде случаев не обеспечивают надежную работу изоляционных конструкций.

Позднее в работах НИИПТ для более надежного подхода к определению габаритов внешней изоляции было введено понятие эффективной длины пути утечки. Методы ее расчета охватывали ограниченный круг типов изоляторов, что при разработке новых видов изоляционных конструкций приводило к неизбежности проведения большого объема трудоемких и дорогостоящих экспериментальных исследований.

Потребность в разработке и создании новых перспективных изоляторов на базе полимерных материалов внесла дополнительные трудности, связанные с необходимостью решения сложных задач технологического плана и разработкой критериев оптимизации конструктивных параметров изоляторов на основе анализа их электрических и механических характеристик.

Насущной задачей исследований, проводимых в нашей стране и за рубежом, наряду с получением новых данных по разрядным характеристикам загрязненной изоляции являлось создание более совершенных методов расчета ее электрической прочности, учитывающих многочисленные влияющие факторы, а также реальные условия загрязнения изоляторов в эксплуатации.

С учетом сказанного, одна из основных задач, поставленных в настоящей работе, состояла в изучении наиболее общих закономерностей развития разрядного процесса вдоль загрязненной поверхности изоляторов и на этой основе, в совокупности с новыми экспериментальными данными по разрядным характеристикам широкого круга изоляционных конструкций, разработке методов расчета электрической прочности внешней изоляции при различных загрязнениях и формах воздействующего напряжения.

Вторая важная задача заключалась в разработке и создании новых перспективных полимерных трекингостойких изоляторов с оптимизированными конструктивными параметрами, обладающих высокой электрической прочностью по границе раздела многослойного диэлектрика.

Цель работы

Целью диссертационной работы является разработка научно-технических основ создания внешней изоляции электропередач высокого и сверхвысокого напряжения на основе развития представлений об обобщенной картине формирования разрядного процесса вдоль загрязненной поверхности изоляторов, совершенствование на этой основе методов расчета электрической прочности внешней изоляции, позволяющих с достаточной для практических целей точностью оптимизировать габаритные размеры изоляции, создание научных и инженерных основ конструирования полимерных изоляторов, а также разработка критериев оптимизации характерных параметров традиционных и полимерных изоляторов.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

исследовать процесс развития разряда вдоль загрязненной и увлажненной поверхности изоляторов;

изучить разрядные характеристики загрязненных изоляторов при воздействии напряжений различной формы;

установить взаимосвязь между характеристиками разрядного процесса и электрической прочностью изоляторов с различными конструктивными параметрами;

разработать критерий выбора оптимальных соотношений между конструктивными элементами для фарфоровых, а также полимерных изоляторов;

исследовать трекингостойкость полимерных материалов и выбрать наиболее оптимальный вариант выполнения полимерного покрытия изоляторов;

определить условие «монолитности» многослойной полимерной конструкции;

найти условия обеспечения высокой электрической прочности по границе раздела полимерного покрытия со стеклопластиковым основанием изолятора;

разработать методики конструирования ребер полимерных изоляторов минимальной толщины при обеспечении достаточной их прочности на пробой;

разработать методы испытаний полимерных изоляторов;

создать надежную внешнюю изоляцию для линий электропередач переменного и постоянного тока высокого, сверхвысокого и ультравысокого напряжения.

Методы исследования

Исследования проводились с использованием современных методов и экспериментальной техники, включающей мощные высоковольтные испытательные установки и систему измерения высокого напряжения, аппаратуры для регистрации предразрядных явлений. Использовалась также скоростная киносъемка, съемка двухобъективной камерой и система синхронизированной регистрации оптических явлений.

Достоверность полученных результатов

Достоверность результатов исследований подтверждается большим объемом полученных экспериментальных данных, их соответствием с результатами расчетов, анализом физических процессов развития разряда, а также эксплуатационной надежностью внедренных разработок, подтвержденных многолетним опытом их использования.

Научная новизна работы

1. Разработаны научно-технические основы создания внешней изоляции оборудования для электропередач постоянного и переменного тока высокого и сверхвысокого напряжения, послужившие базой для конструирования новых образцов техники.

2. Изучено развитие разряда вдоль загрязненной и увлажненной изоляции.

Выявлены и исследованы 2 фазы развития разрядного процесса - электрическая и тепловая. Установлено, что при коммутационных импульсах и кратковременных воздействиях напряжения промышленной частоты развитие разряда протекает в электрической фазе. Для изоляторов высотой менее 2 м предразрядное время определяется скоростью продвижения частичного разряда, развивающегося по загрязненной поверхности изолятора. С помощью специально разработанного метода исследовано влияние различных факторов на скорость продвижения частичного разряда.

3. Разработана усовершенствованная методика расчета разрядных напряжений загрязненных аппаратных изоляторов при длительном воздействии напряжения промышленной частоты на основе установленных условий каскадного развития тепловой и электрической фаз разряда. Методика позволила оценить электрическую прочность изоляторов с различной конфигурацией ребер при разных уровнях загрязнения.

4. На основе найденной зависимости скорости развития разряда от напряженности электрического поля предложен метод расчета влияния интенсивности загрязнения, конструкции изолятора и формы воздействующего напряжения на разрядные напряжения изоляции.

5. Определен критерий оптимизации конфигурации ребер изоляторов, базирующийся на расчете электрической прочности кратчайших воздушных промежутков между соседними ребрами и наибольшими напряжениями, которые воздействуют на эти промежутки в начале электрической фазы развития разряда.

6. Получены новые экспериментальные данные по разрядным характеристикам крупногабаритных изоляционных конструкций высотой до 14,4 м при различных интенсивностях загрязнения в случае приложения переменного и постоянного напряжения, коммутационных импульсов, а также данные по влиянию плотности воздуха на разрядные напряжения загрязненных изоляторов.

7. На основе изучения скользящих разрядов и результатов исследований электрической прочности полимерных материалов на пробой установлены требования к профилю ребер полимерных изоляторов, обеспечивающие их непробиваемость исходя из координации электрической прочности внутренней и внешней изоляции ребра в любом сечении.

8. Предложено уравнение «монолитности» границы раздела цилиндр-оболочка при воздействии механических и термомеханических нагрузок на изолятор, а также при наличии давления газа во внутренней полости изоляционной покрышки.

9. Установлены условия и требования к технологии, при которых электрическая прочность полимерных изоляторов вдоль границы раздела цилиндр-оболочка после проведения испытаний на циклический изгиб и увлажнение существенно превосходит максимальные значения напряженности электрического поля, которые могут иметь место в реальных условиях эксплуатации.

10. Предложены и внедрены конструкции опорного и линейного полимерных изоляторов защищенных патентами РФ.

Практическая значимость и реализация результатов

1. Разработан метод определения электрической прочности внешней изоляции в условиях загрязнение и увлажнения, который положен в основу при проектировании различных изоляционных конструкций электропередач ВН и СВН.

2. Обоснованы габаритные размеры внешней изоляции оборудования на напряжение до 1150 кВ переменного тока и ±750 постоянного тока применительно к его эксплуатации в районах с различной степенью загрязнения.

3. Получены расчетные соотношения для оптимизации конструкции ребра полимерных изоляторов с целью достижения минимальной материалоемкости при сохранении высокой эксплуатационной надежности.

4. Даны рекомендации по методике испытаний полимерных изоляторов и комплектующих, обеспечивающих технологическую надежность производства.

5. Предложены системы пространственных изоляционных конструкций, позволяющих наиболее полно реализовать физические и технологические преимущества полимерных изоляторов.

Основные результаты работы нашли практическую реализацию при разработке и создании внешней изоляции выключателей серии ВНВ 110-1150 кВ, при разработке вводов постоянного тока напряжением ± 400-800 кВ, при разработке изоляции шинных опор и разъединителей, при создании изоляции комплектных кабельных устройств, при разработке полимерных покрышек для ограничителей перенапряжений, полимерных покрышек для трансформаторов напряжения, опорных полимерных изоляторов 35-110 кВ, оптоизолятора для электронно-оптического измерителя тока, при подготовке ГОСТ 10390-71, а также РТМ «Нормы и методы испытаний изоляции в загрязненном состоянии» и РТМ на вводы постоянного тока.

Личный вклад автора выразился в:

разработке физико-технических основ создания внешней изоляции высоковольтного электрооборудования;

проведении экспериментальных исследований процессов перекрытия загрязненной поверхности изоляторов для двух фаз развития разряда;

анализе результатов исследования развития разряда вдоль загрязненной изоляции, построении расчетных моделей и разработке методик расчета разрядных характеристик различных типов изоляции при загрязнении, определении критериев оптимизации изоляционных конструкций;

постановке задачи, планировании и участии в проведении экспериментов по определению разрядных характеристик крупногабаритной аппаратной изоляции применительно к системам переменного и постоянного тока;

постановке вопроса, участии в решении задач технологического плана и проведении экспериментов по определению оптимальной конструкции и характеристик полимерных изоляторов.

Апробация работы

Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на:

· Всесоюзных научно-технических конференциях по вопросам загрязнения высоковольтной изоляции (г. Ташкент, 1969 г., 1973 и 1979 г.г.);

· научно-технических конференциях ВЭИ им. В. И. Ленина (1971-1974 г.г.);

· Всесоюзном научно-техническом совещании по вопросу применения электрооборудования высокого и низкого напряжения на отметках более 1000 м над уровнем моря (г. Ереван, 1978 г.);

· совещании по обсуждению вопросов нормирования электрической прочности загрязненной изоляции (г. Москва, 1979 г.);

· научно-техническом совете Отделения высоких напряжений ВЭИ им. В.И. Ленина (1979 г.);

· научном семинаре Всесоюзного научно-исследовательского института электрокерамики (г. Москва, 1980 г);

· научном семинаре Лаборатории техники высоких напряжений НИИПТ (г. Ленинград, 1981 г.);

· II-VI симпозиумах «Электротехника 2010», 1994-2001 г.г.;

· собрании 10-го отделения Академии электротехнических наук, (г. Москва, 2002 г.).

Публикации по теме диссертации

По материалам работы опубликовано 50 статей, докладов и тезисов докладов на международных и отечественных научно-технических конференциях и симпозиумах, получено 2 авторских свидетельства и 2 патента.

На защиту выносятся:

1. Теоретические и экспериментальные исследования в области изоляции высокого и сверхвысокого напряжения, создающие основу для разработки физико-технических основ конструирования внешней изоляции высоковольтного оборудования.

2. Результаты исследования закономерностей развития разряда вдоль загрязненной поверхности при разных формах воздействующего напряжения:

существование двух фаз развития разряда - тепловой и электрической, резко различающихся как скоростью их протекания, так и связанными с ними физическими процессами;

определение условий завершения тепловой фазы развития разряда и начала электрической фазы;

определение критического тока, соответствующего началу электрической фазы развития разряда;

определение зависимости скорости движения поверхностных частичных разрядов от приложенного напряжения.

3. Метод расчета разрядных напряжений загрязненной изоляции при длительном воздействии напряжения.

4. Принцип оптимизации соотношения между вылетом ребер и расстояниями между ними для аппаратных изоляторов, изготовленных из фарфора или полимерного материала, основанный на сравнении электрической прочности воздушных промежутков между ребрами и напряжений, возникающих на них в процессе развития разряда.

5. Метод расчета изоляции при ограниченной длительности приложенного напряжения промышленной частоты.

6. Разрядные характеристики загрязненной аппаратной изоляции с габаритами, характерными для передачи СВН и УВН (до 14,4 м), при различных видах воздействующего напряжения и материалов, из которых изготовлены изоляторы.

7. Зависимость разрядных напряжений загрязненной и увлажненной изоляции от атмосферного давления.

8. Рекомендации по выбору габаритов аппаратных изоляторов и пространственных изоляционных систем для различных условий загрязнения.

9. Результаты исследования трекингостойкости эластомеров и электрической прочности по границе раздела между полимерным покрытием и стеклопластиковым основанием. Требования к «монолитности» цилиндров, применяемых для изготовления полимерных полых изоляторов, работающих при избыточном давлении внутри цилиндра.

10. Метод оптимизации конструкции ребер полимерных изоляторов, основанный на требовании их непробиваемости при различных эксплуатационных воздействиях.

11. Соотношение между электрической прочностью загрязненных изоляторов при длительном воздействии переменного или постоянного напряжения, из которого следует, что разрядные напряжения при постоянном токе не выше эффективных значений при переменном токе.

12. Вывод о том, что оптимизированные конструкции полимерных изоляторов имеют более высокую электрическую прочность при одной и той же поверхностной проводимости по сравнению с традиционными изоляторами.

13. Конструкции опорного и линейного полимерных изоляторов

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. Изученность проблемы и задачи исследований

На протяжении десятилетий вопрос электрической прочности изоляции в условиях загрязнения и увлажнения неизменно находился в центре внимания специалистов. Изучались как теоретические аспекты формирования разряда в условиях загрязнения и увлажнения прежде всего при длительном воздействии напряжения промышленной частоты, так и вопросы, связанные с оптимизацией конструкций изоляторов, в том числе на основании опыта эксплуатации.

Большой вклад в решение этой проблемы в России внесли ведущие специалисты НИИПТ (Тиходеев Н.Н., Мерхалев С Д., Соломоник Е.А. и др.), ЛПИ (Александров Г.Н., Кизеветтер В.Е.), НИИ «Электрокерамика» (Трусова В.Н.), ВЭИ (Лебедев Г.А., Кожухов В.К., Годулян В.В.) и еще целый ряд отечественных и зарубежных специалистов.

Разрядные характеристики загрязненных изоляторов зависят от большого количества факторов, а испытания изоляторов в загрязненном и увлажненном состоянии чрезвычайно трудоемки и дорогостоящи. Поэтому разработка методов расчета электрической прочности загрязненной изоляции, основанных на анализе процессов формирования разряда, является принципиально важной задачей.

Обычно теоретический анализ влияния различных факторов на электрическую прочность загрязненной изоляции проводится исходя из условия непогасания поверхностного частичного разряда (ПЧР) в процессе его развития вдоль изоляционной поверхности. Это условие, являясь физически обоснованным и необходимым для развития разряда, позволяет объяснить влияние целого ряда факторов (проводимости слоя загрязнения, диаметра изолятора и т. п.) на величину разрядного напряжения. Однако с его помощью нельзя достаточно полно учесть влияние конструкции ребер на разрядные напряжения изоляционной конструкции, а также описать динамику развития разряда, необходимую для оценки разрядных характеристик при ограниченном времени воздействия напряжения.

С учетом сказанного, исследования закономерностей развития разряда вдоль загрязненной поверхности аппаратной изоляции приобретают особую актуальность.

Обеспечение высокой надежности изоляции электропередач переменного и постоянного тока СВН обуславливает необходимость определения электрической прочности загрязненной изоляции, как при длительном воздействии рабочего напряжения, так и при кратковременном воздействии напряжения промышленной частоты и коммутационных импульсов. Между тем, экспериментальные данные по разрядным характеристикам аппаратной изоляции при перенапряжениях различной формы ограничены. Поэтому значительный практический интерес представляют исследования загрязненной аппаратной изоляции при воздействиях, имитирующих различного вида перенапряжения, возникающие в реальных условиях эксплуатации.

Многочисленные исследования проведены по вопросу изучения изоляции для систем постоянного тока. В целом получено, что в аналогичных условиях загрязнения электрическая прочность при постоянном токе не превышает значений электрической прочности при переменном напряжении (кВэф). В этой ситуации вызывают повышенное внимание появившиеся в последнее время публикации, из которых следует, что размеры изоляции при постоянном токе, определяющие основные габариты опор, могут быть значительно снижены.

Совершенствование технико-экономических показателей высоковольтных аппаратов требует создания качественно новых изоляционных конструкций. Эта задача может быть решена при замене фарфоровых изоляторов и покрышек полимерными.

Использование полимерных изоляторов (ПИ) в конструкциях аппаратов различного класса напряжений позволяет улучшить их электрические, механические и весо-габаритные характеристики. Особенно эффективно применение ПИ в сейсмоактивных районах и районах с сильными загрязнениями.

Первые полимерные изоляторы были внедрены в опытную эксплуатацию в конце 60-х годов прошлого века. Почти 30-летняя работа многих зарубежных фирм и отечественных НИИ позволила решить большинство проблем по разработке и созданию новых комбинированных полимерных изоляционных конструкций. Особенно большой вклад в решение этих задач внесли известные ученые: Шумилов Ю.П., Аксенов В.А., Тиходеев Н.Н., Владимирский Л. Л., Гутман И.Ю., Александров Г.Н., Яшин Ю.Н., Гринблат Н.П., Горошков Ю.И., Кравченко В.А., Трифонов В.З. и др.

Были сооружены опытные линии электропередачи на разные классы напряжений, полностью оборудованные полимерными изоляторами.

В целом положительный опыт эксплуатации полимерных изоляторов позволяет считать, что по надежности они не уступают традиционным изоляторам из фарфора и стекла. Исключение составляют ПИ с фторопластовым защитным покрытием, которые, проработав в эксплуатации короткое время, выходили из строя вследствие плохой адгезии защитного покрытия к стеклопластиковому стержню. Случаи же отказов ПИ с использованием силоксановой резины объясняются, в основном, несовершенством технологических процессов изготовления образцов, использованием стеклопластиковых материалов с низкой электрической прочностью и невысокой стойкостью к агрессивным электрохимическим воздействиям, недостатками элементов конструкции, требующими дальнейшей доработки.

Основными причинами, препятствующими широкому применению ПИ являлись: весьма ограниченный объем экспериментальных данных по разрядным характеристикам загрязненных ПИ и электрическим характеристикам материалов в условиях реальных воздействий, что затрудняло задачу оптимизации их конструктивных параметров, неполнота изученности вопросов, связанных с обеспечением высокой трекингостойкости полимерных материалов, и необходимой электрической прочности по границе раздела многослойного диэлектрика, отсутствие норм и методов испытаний ПИ перед их установкой в работу, а также методов контроля их механических и электрических характеристик в процессе эксплуатации.

Возникшие проблемы потребовали создания научных и инженерных основ конструирования полимерных изоляторов и разработки методических материалов по их испытаниям.

2. Исследуемые объекты и испытательные установки.

Методика проведения исследований

Для решения поставленных в работе задач исследовались широко распространенные типы фарфоровых изоляторов с простым профилем ребра (Ф1,Ф9), сложным профилем (Ф2,Ф3,Ф6,Ф7), c относительно небольшим значением отношения длины пути утечки к строительной высоте изолятора L/H (Ф1,Ф2,Ф4,Ф9) и с большим значением этого отношения (Ф3,Ф6,Ф7,Ф8), цилиндрические (Ф9,Ф4) и конические (Ф2,Ф3) покрышки, изоляторы различных диаметров (Ф10,Ф1,Ф4,Ф6), полимерные изоляторы с различной конфигурацией ребер (П1-П9). Исследованные варианты охватывают основные типы опорной изоляции разъединителей, выключателей, изоляторов для вводов, а также других аппаратов.

Основные геометрические параметры испытуемых изоляторов приведены в таблице 1.



Таблица 1

Основные геометрические параметры испытуемых изоляторов

Испытуемый объект	Условное обозначение	Высота фарфора, H, см	Длина пути утечки, L, см	Средний диаметр, Dэк, см	Межреберное расстояние, см	L/H
Опорный изолятор типа КО-110	Ф1	88.0	202.0	20.1	5.0	2.3
Коническая покрышка с простым профилем ребра	Ф2	91.0	200.0	25.5	9.5	2.2
Коническая покрышка со сложным профилем ребра	Ф3	104.0	270.0	22.2	10.0	2.6
Цилиндрическая покрышка	Ф4	131.0	275.0	45.0	10.5	2.1
Цилиндрическая покрышка	Ф5	163.0	378.0	45.0	10.5	2.3
Цилиндрическая покрышка	Ф6	136.0	436.0	63.0	6.5	3.2
Опорный изолятор усиленного исполнения	Ф7	105.0	298.0	31.0	5.5	2.8
Опорный изолятор усиленного исполнения	Ф8	123.0	330.0	35.0	5.5	2.7
Опорный изолятор нор-мального исполнения	Ф9	87.0	201.0	31.0	6.5	2.3
Подвесной длинностержневой изолятор	Ф10	110.0	280.0	11.0	4.0	2.6
Фарфоровый стержневой изолятор	Ф11	88.0	145.0	16.0	10.0	1.65
Фарфоровая покрышка	Ф12	106.0	300.0	22.5	8.6	2.8
Фарфоровая покрышка	Ф13	97.5	206.0	18.5	8.0	2.1
Полимерные изоляторы с клиновидными ребрами	П1	42.0	124.0	6.7	4.2	3.0
	П2	41.0	146.0	6.7	3.2	3.56
	П3	41.0	107.0	6.7	5.1	2.54
	П4	30.0	130.0	13.0	5.0	4.35
	П5	44.0	112.0	8.8	4.4	2.55
	П6	45.0	163.0	8.8	2.6	3.6
	П7	42.0	91.0	6.7	7.0	2.17
	П8	45.0	102.0	8.8	5.6	2.27
	П9	30.0	76.6	13.0	10.0	3.18

Для определения габаритов изоляции оборудования преобразовательных подстанций использовались покрышки высотой 4,0 - 5,5 м с разным профилем ребер, опорная изоляция шин и разъединителей, выполненных в виде треног высотой 2,2 - 12,2 м, и вертикальные одиночные колонки высотой до 14,4 м.

Изучение общих закономерностей развития разряда вдоль загрязненной изоляционной поверхности проводилось на простейших моделях - прямоугольных стеклянных пластинах, покрытых слоем электролита или увлажненного цемента.

В качестве испытательных установок в случае исследования изоляции для систем переменного тока применялись трансформаторы, обеспечивающие токи короткого замыкания 4,2 - 9,0А, и импульсные установки большой емкости, обеспечивающие нестабильность длительности импульса из-за токов утечки по изоляции не более 10%.

При испытаниях на постоянном токе источниками высокого напряжения служили мощные выпрямительные установки, обеспечивающие падение напряжения при нагрузке не более 7-10%. При испытаниях объектов высотой до 1,5 м использовалась установка, собранная по двухполупериодной схеме выпрямления; при испытании крупногабаритных объектов - установка постоянного тока напряжением 1250 кВ, 0,5 А.

Для испытания изоляции воздействиями, имитирующими перенапряжения различной формы и длительности, применялись высоковольтные установки, коммутируемые специальными механическими или тиристорными устройствами.

Измерения напряжений проводились с помощью емкостно-омических делителей напряжения и осциллографов.

Процессы развития разряда вдоль загрязненной и увлажненной поверхности изучались с помощью специально разработанного прибора на базе фотоумножителей, скоростной кинокамеры СКС-16М, а также с применением 2х-объективной оптической системы, позволяющей получать высококачественные изображения предразрядных процессов с интервалом времени до 0,3ч 0,5 мс.

Поверхность изоляторов загрязнялась двумя методами, регламентированными ГОСТ 10390-71: методом предварительного загрязнения (ПЗ) поверхности слоем пыли, содержащей ионообразующие вещества, и методом соленого тумана (СТ).

В качестве загрязняющего вещества при использовании метода ПЗ применялись либо цемент, либо смесь чистых солей (CaSO₄x2H₂O+CaCO₃) с каолином. Плотность запыления обычно составляла I; 3 или 10 мг/см².

Для увлажнения изоляторов использовалась вода, проводимость которой не превышала 200 мкСм при 20°С. Увлажнение проводилось с помощью специальных сопел.

Испытания по методу СТ проводились в камере диаметром 4,8 м и высотой 5,0 м. Конструкция и расположение сопел в камере соответствовали ГОСТ 10390-71. Соленый раствор приготавливался путем растворения в воде соли NaCl. Изоляция испытывалась при трех концентрациях раствора: 1,25; 2,5 и 10 г/л.

Порядок проведения испытаний при длительном приложении напряжения 50 Гц соответствовал ГОСТ 10390-71. Напряжение прикладывалось к изоляции толчком (способ ПТ) и изменялось в процессе проведения испытаний ступенями - способом «вверх-вниз».

Разрядные характеристики загрязненных изоляторов при воздействии перенапряжений изучались с учетом тепловых процессов, имеющих место при предварительных воздействии на изоляцию рабочего напряжения и приводящих к неравномерному подсыханию слоя загрязнения и возникновению на увлажненной поверхности участков с малой проводимостью - «сухих поясов» (СП).

При испытаниях коммутационными импульсами, характерными для систем переменного тока, к изолятору, на поверхности которого тем или иным способом был создан СП, с интервалом в одну минуту прикладывалось три импульса напряжения с амплитудой, равной ожидаемому разрядному напряжению. Если в двух или трех случаях происходило перекрытие изоляции, то напряжение снижалось на 7-10 %, если нет - повышалось. Затем прикладывалось еще три импульса и т. д. Через 9-12 импульсов слой загрязнения увлажнялся, а примерно через 100 импульсов на изоляционную поверхность наносился новый слой загрязнения.

При кратковременном приложении напряжения 50 Гц опыты проводились в следующем порядке. К загрязненному и увлажненному изолятору прикладывалось рабочее напряжение на время, которое обеспечивало формирование на загрязненной поверхности СП. После этого объект за 0,03 или 5,0 с (в зависимости от высоты изоляции) переключался на источник повышенного напряжения.

Для оценки влияния давления воздуха на электрическую прочность загрязненных изоляторов проведены исследования при изменении давления в диапазоне 0,05-0,125 МПа. Опыты показали, что поправки на давление воздуха можно вносить по формуле

U_p/U_po = 0.5 + P/2P_o, (1)

где U_p - выдерживаемое напряжение загрязненной изоляции при давлении воздуха P; U_po - выдерживаемое напряжение загрязненной изоляции при нормальном атмосферном давлении P_o.

3. Исследование развития разряда вдоль загрязненной и увлажненной поверхности изоляции

После перекрытия «сухих поясов», возникающих под воздействием рабочего напряжения, формируется поверхностный частичный разряд (ПЧР), который заканчивается несколькими нитевидными каналами-ветвями.

Опубликованные данные и результаты настоящих исследований позволяют выделить две фазы развития разряда при длительном приложении напряжения. В процессе первой, тепловой (медленной) фазы частичный разряд распространяется за счет тепловых процессов - идет подсушка слоя загрязнения в области головки канала ПЧР, вызывающая увеличение «сухого пояса» и удлинение канала. Поскольку напряженность поля в канале ПЧР при интенсивности загрязнения, опасной для изоляции, существенно меньше средней напряженности вдоль изоляционной поверхности, удлинение частичного разряда вызывает увеличение напряженности E_LH на неперекрытом участке. Когда значение приложенного напряжения U достигает критического значения, начинается вторая, электрическая (быстрая) фаза, которая приводит к полному перекрытию изоляции. Эта же фаза является определяющей в случае перекрытия изоляции при коммутационных импульсах.

Анализ снимков, сделанных кинокамерой СКС-16М и 2х-объективной оптической системой, позволил более детально рассмотреть процесс развития разряда в зависимости от приложенного напряжения. В случае, если напряжение не превышает 0,6-0,7 от критического, длины ветвей практически не зависят от их расположения по отношению к заземленному электроду. При увеличении напряжения до критического значения та из ветвей, которая направлена к заземленному электроду, начинает развиваться более интенсивно, в то время как другие ветви начинают распадаться. В конечном счете, направленная к заземленному электроду ветвь становится продолжением канала ПЧР, то есть при критическом напряжении начинается процесс развития разряда вдоль загрязненной и увлажненной поверхности изолятора.

Критическому напряжению соответствует критическое значение тока утечки I_кр.

Опыты на простейших моделях загрязненной изоляции позволили установить эмпирическую формулу для расчета критического тока утечки

А (2)

где с_s - поверхностное сопротивление слоя загрязнения, к0м;

b - ширина модели, см;

В, m - константы, которые для загрязненных цементом моделей в диапазоне с_s/b = (I-4), характерном для реальных загрязнений и конструкций изоляторов, равны соответственно 0,52 и 0,37.

Анализ процессов, происходящих при развитии частичных разрядов, а также расчеты показали, что минимальное значение критического тока может быть определено, исходя из условия устойчивости горения частичного разряда параллельно увлажненному слою загрязнения.

Изучение кинокадров развития разряда и осциллограмм токов утечки позволило установить, что при длительности воздействующего напряжения менее одной секунды предразрядное время, в основном, определяется скоростью движения ПЧР вдоль загрязненной поверхности. На основании полученных экспериментальных данных скорость продвижения разряда может быть определена по формуле

, (3)

где I = f_I(U_(t), R_C) - ток утечки по слою загрязнения,

U_(t) - напряжение на неперекрытом участке изоляции в данный момент времени,

R_с = f_R(с_s, l, b) - сопротивление слоя загрязнения при горении ПЧР на поверхности модели, к0м;

l - длина неперекрытого участка изоляции,

С и p - константы. При отрицательной полярности напряжения они равны 6 см/мс и 1,5 соответственно, а при положительной полярности С равно 70 см/мс, для случая, когда разряд развивается вдоль слоя электролита, и 32 см/мс - для увлажненного цемента, p = 2.

Анализ фоторегистраций канала ПЧР показал, что при положительной полярности напряжения разряд развивается значительно ближе к поверхности, чем при отрицательной.

На основании изученных закономерностей формирования разряда по загрязненной и увлажненной поверхности были разработаны методики расчета разрядных напряжений изоляторов при длительном воздействии напряжения промышленной частоты и перенапряжениях различной формы.

4. Разрядные напряжения аппаратных изоляторов при длительном воздействии напряжения

Известные методы расчета разрядных напряжений загрязненных изоляторов основываются на определении предельных длин ПЧР. При этом не учитывается, на стадии какой фазы развития разряда эти длины достигаются.

В данной работе было получено, что предельные длины ПЧР зависят от скорости их развития: с увеличением скорости от 4 до 100 см/с длины существенно возрастают. Экспериментально было найдено, что при скоростях, соответствующих тепловой фазе, предельные длины ПЧР могут быть определены по формуле

, см (4)

где - приложенное напряжение, кВ,

D и n - коэффициента, равные для напряжения промышленной частоты и постоянного тока 0,9, 0,24 и 1,72, 0,59 соответственно;

I₀ - ток, ограниченный сопротивлением неперекрытой части изолятора и определяемый выражением



, А, (5)

где R_C - сопротивление неперекрытой части изолятора.

Для переменного напряжения указанные выше коэффициенты относятся к эффективным значениям тока и напряжения.

Зависимость Rc = f(, L, I) может быть определена экспериментально или приближенно, если заменить изолятор цилиндром с эквивалентным диаметром D_эк, и применить известные методы расчета электрического поля на проводящей поверхности при растекании тока с круглого электрода

R_с = , (6)

L - длина пути утечки изолятора,

d_эк - эквивалентный диаметр растекания опорной точки частичного разряда.

Значение d_эк может быть найдено по формуле, полученной на основе экспериментальных данных

, (7)

где с_s - в кОм, I - в А, (d_эк - в мм).

Была разработана методика расчета разрядных напряжений изоляции, в которой в качестве необходимого и достаточного условия ее перекрытия принят переход процессов развития разряда в электрическую фазу. Методика расчета заключается в следующем.

1. По формуле (4) методом последовательных приближений определяется предельная длина ПЧР, достигаемая в процессе теплового (медленного) его развития. При этом значение приложенного напряжения принимается равным ожидаемому разрядному напряжению.

2. По формуле

, (8)

находится ток утечки по изоляции I_m. (, I_m - амплитудные значения).

напряженность электрического поля вдоль канала частичного разряда, определяемая известным выражением

кВ/см). (9)

3. По формуле (2) определяется значение I_кр и сравнивается с I_m . В зависимости от того, что больше (I_кр или I_m ) расчет повторяется с увеличенным или уменьшенным значением до тех пор, пока с заданной степенью точности не будет достигнуто равенство: I_m = I_кр. Соответствующее значение принимается равным разрядному напряжению.

Результаты расчетов разрядных напряжений изоляторов по разработанной методике для большинства типов изоляторов удовлетворительно согласуются с опытными данными при изменении проводимости в диапазоне 3-16 мкСм при воздействии как переменного, так и постоянного напряжений (табл. 2).

Для некоторых изоляторов экспериментальные разрядные напряжения оказываются меньше расчетных, что, как показал анализ траектории разряда, объясняется шунтированием межреберных промежутков частичным разрядом. Анализ условий, при которых наблюдается такое шунтирование, необходим для оптимизации конфигурации ребер и будет проведен ниже.



Таблица 2

Сопоставление расчетных и экспериментальных данных на постоянном токе

Условное обозначение изолятора	Ф1	Ф11	Ф12	Ф13
Расчетные разрядные напряжения, кВ	84	68	112	84
Экспериментальные разрядные напряжения, кВ	62	66	105	86

Из рисунка видно, что электрическая прочность опорной изоляции, как при напряжении промышленной частоты, так и при постоянном напряжении увеличивается пропорционально ее высоте. Это значит, что разработанная методика расчета применима при выборе изоляции наивысших классов напряжения, включая электрооборудование 1150 кВ переменного тока и ±750 кВ постоянного тока. Из рисунка также следует, что электрическая прочность изоляторов при постоянном токе и высоте конструкции, превышающей 1 м, всегда ниже, чем при напряжении промышленной частоты (действующее значение).

Измерения разрядных напряжений еще 5-ти типов аппаратных изоляторов подтвердили, что электрическая прочность загрязненных изоляторов на постоянном напряжении близка или ниже, чем на переменном. Такие же выводы следуют из анализа известных данных в части линейной изоляции и расчетов по разработанной методике.

Поэтому длина изоляционной части, определенная напряжением постоянного тока полюс-земля, не может быть меньше, чем длина для систем напряжением переменного тока с таким же значением фазового напряжения (кВ эф.). Вместе с тем тот факт, что амплитудное значение при постоянном токе в 1,41 раза ниже, чем при напряжении 50 Гц, позволяет для конструкций постоянного тока существенно снизить размеры воздушных промежутков.

5. Оптимизация конфигурации ребер изоляторов

Выше отмечалось, что при отклонении конструкции изолятора от оптимальной в процессе развития разряда вдоль загрязненной поверхности может наблюдаться шунтирование межреберных промежутков поверхностными разрядами, что вызывает снижение разрядных напряжений. Анализ фото и кинокадров, показал, что могут иметь место три процесса, приводящих к шунтированию межреберных промежутков:

- электрический пробой между ребрами в местах с наибольшей напряженностью электрического поля;

- движение канала ПЧР, возникшего у тела изолятора (в местах с наибольшей плотностью тока), к кромкам ребер;

- перебрасывание канала ПЧР с верхней поверхности ребра в межреберный промежуток, вероятно, за счет конвекционных потоков воздуха.

Исследование, проведенное на макете изолятора, позволило установить, что шунтирование электрическим пробоем воздушного промежутка между ребрами может иметь место в том случае, когда выдерживаемое напряжение воздушного промежутка между соседними ребрами меньше напряжения , возникающего между ними в случае перекрытия «сухого пояса» при критическом токе утечки - токе, соответствующем критическому напряжению.

Экспериментальные значения , определенные на макете изолятора при увлажнении загрязненной цементом поверхности до насыщения, в диапазоне изменения кратчайшего расстояния между соседними ребрами S, равном примерно 1-6 см, можно аппроксимировать формулой

, кВ.эф. (10)

Если заменить реальный изолятор эквивалентным цилиндром, напряжение может быть рассчитано приближенно по формуле, полученной исходя из выражения (6):



, (11)

где y₁, y₂ - расстояние от края сухого пояса до соответствующих точек на изоляционной поверхности.

Максимальная электрическая прочность изолятора при заданном профиле ребра имеет место в случае, если = . Соответствующие межреберные расстояния и длина пути утечки являются оптимальными.

Если <, то разрядное напряжение изолятора пропорционально длине пути утечки, так как пробой промежутков между ребрами исключается. Последнее свидетельствует о завышенном запасе электрической прочности промежутков. Некоторое уменьшение расстояний между ребрами позволяет увеличить длину пути утечки и, следовательно, разрядное напряжение изоляторов. При слишком малом расстоянии между ребрами может оказаться, что > . В этом случае, несмотря на повышенную длину пути утечки, разрядные напряжения оказываются заниженными из-за шунтирования межреберных промежутков разрядами.

С целью исследования влияния конструктивных параметров на разрядные харктеристики полимерных изоляторов были изготовлены образцы с различной конфигурацией ребер (изоляторы П1-П9). Исследуемые объекты представляли собой комбинированную конструкцию, состоящую из несущего стержня диаметром d и ребер из силоксановой резины диаметром D. Герметизация границы раздела покрытия и стержня обеспечивалась однокомпонентным герметиком.

Исследованиями установлено, что существует область оптимального соотношения между вылетом ребра и межреберным расстоянием b (/b), которое примерно равно 1,1 - 1,2. Однако это соотношение не может служить геометрическим критерием, однозначно характеризующим конструкцию изолятора по электрической прочности при загрязнении.

Полученная зависимость средних разрядных напряженностей Е_Н от отношения удельной длины пути утечки к строительной высоте изолятора показывает, что для однотипных по конструкции изоляторов существует оптимальное отношение L/H_опт, причем для обследованных конструкций получено L/H_опт ~ 3 (рис. 1).

Рис. 1 Зависимость средней разрядной напряженности Е_Н полимерных изоляторов от отношения L/H

Расчеты по предложенному критерию оптимизации дают близкие результаты.

Увеличение длины пути утечки сверх оптимального значения не только не эффективно, но приводит к уменьшению электрической прочности за счет шунтирования части длины пути утечки электрической дугой в межреберном пространстве. Отсюда следует, что для обеспечения высокой электрической прочности изоляторов необходимо добиваться оптимального соотношения между вылетом ребра и межреберным расстоянием.

Из анализа кадров скоростной киносъемки развития разряда по поверхности изоляторов можно сделать следующие выводы.

Для больших межреберных расстояний разряд развивается по контуру пути утечки тока, для малых - по кромкам ребра. Для изоляторов с соотношением /b, соответствующим максимальной электрической прочности, разряд с кромки ребра направлен вдоль изоляционной поверхности. В случаях испытаний изоляторов при больших загрязнениях, а также на постоянном токе, наблюдались процессы шунтирования межреберных промежутков не только из-за электрического пробоя между ребрами, но и за счет процессов, о которых говорилось выше. Разработка соответствующих количественных критериев является предметом дальнейших исследований. Предложенная методика оптимизации относится к изоляции, предназначенной для оборудования переменного тока при умеренных загрязнениях.

Оптимальным следует считать такое межреберное расстояние и соответствующую ему длину пути утечки, при котором выдерживаемое напряжение воздушного промежутка между соседними ребрами равно напряжению, возникшему между ними в случае перекрытия сухого пояса на стержне изолятора.

Из сопоставления как экспериментальных, так и расчетных разрядных напряженностей изоляторов Ф7, Ф8, Ф9, которые были разработаны для воздушных выключателей, следует, что самые высокие электрические характеристики имеет изолятор Ф7, на основании чего он и был применен при создании опорной изоляции воздушных выключателей серии ВНВ 110-1150 кВ.

6. Электрическая прочность загрязненной изоляции при кратковременном воздействии напряжения промышленной частоты и воздействии коммутационных импульсов

Расчет разрядных напряжений загрязненных изоляторов при воздействии напряжения произвольной формы может быть проведен исходя из условия: за время воздействия напряжения ПЧР должен успеть зашунтировать весь изоляционный промежуток, то есть,

, (12)

где - расстояние, на которое успел продвинуться ПЧР за время воздействия напряжения.

Значение в общем виде определяется как

, (13)

где - длительность перенапряжения;

- скорость продвижения ПЧР, которая может быть определена по формуле (3).

Предложенная методика расчета разрядных напряжений основывается на решении уравнения и применима для оценки электрической прочности загрязненных изоляторов, как при кратковременных воздействиях напряжения 50 Гц, так и при коммутационных импульсах.

Результаты расчетов электрической прочности при кратковременном воздействии напряжения 50 Гц соответствуют экспериментальным значениям разрядных напряжений. Киносъемка процесса развития разряда показала, что примерно до половины изоляционного промежутка развитие разряда происходит со скоростью не более нескольких метров в секунду, в то время как остальной промежуток перекрывается за время не более 2 мс, причем завершение разряда может наблюдаться как на положительном, так и на отрицательном полупериодах. При расчетах результат получается аналогичным.

Исследования изоляторов при воздействии коммутационных импульсов позволили установить, что элементы регулирования электростатического поля (экранирующая арматура, выравнивающие конденсаторы, остов ввода) практически не повышают разрядных напряжений. Поэтому при исследовании загрязненной изоляции нет необходимости моделировать элементы конструкции, влияющие на электростатическое поле, если они не находятся в зоне возможной траектории разряда.

Исследования при различных параметрах апериодического коммутационного импульса показали, что увеличение длительности импульса от одной до восьми миллисекунд снижает разрядное напряжение на 15-30%, в то время как изменение длительности фронта в пределах 10-500 мкс почти не влияет на разрядные напряжения.

Анализ влияния полярности воздействующего напряжения показал, что при отрицательной полярности разрядные напряжения близки или несколько выше, чем при положительной. Полученные данные хорошо согласуются с выполненными за рубежом исследованиями разрядных характеристик линейных изоляторов.

Изучение разрядных характеристик изоляторов различной высоты, а также анализ фотографий свидетельствуют, что возможны два варианта развития разряда: при высоте изоляции меньшей 1,5-2,0 м разряд по большей части идет непосредственно вдоль загрязненной изоляционной поверхности, в то время как при больших высотах наблюдается каскадный разряд по воздуху кратчайшим путем. В первом случае разрядные напряжения существенно зависят от конструкции изоляторов и могут быть рассчитаны по разработанной методике, базирующейся на экспериментальной зависимости скорости развития разряда от приложенного напряжения. Во втором случае разрядные напряжения слабо зависят от конструкции и приближенно могут быть определены по усредненной зависимости разрядных напряжений от высоты изоляции. Минимальные разрядные напряжения могут быть найдены как



, кВ, (14)

где Н - высота изоляции, м;

- удельная поверхностная проводимость, мкСм.

На рис. 4 вместе с экспериментальными данными представлена зависимость U_мин.к.и = F(H), построенные с использованием формулы (14).

Разрядные напряжения загрязненных и увлажненных аппаратных изоляторов высотой более двух метров при поверхностной проводимости =6 мкСм оказываются примерно на 35% меньше, чем в сухом состоянии изоляции, что может быть объяснено искажением распределения напряжения вдоль изоляции из-за неоднородности проводящего слоя. Увеличение интенсивности загрязнения приводит к снижению разрядных напряжений.

7. Конструирование и технологические особенности полимерных изоляторов

7.1 Трекингостойкость полимерных материалов

Полимерный опорный изолятор представляет собой сложную конструкцию, в которую входят стеклопластиковая труба или стержень с нанесенным на них покрытием для защиты от внешних воздействий и фланцы.

Стеклопластиковые стержни и трубы не могут длительно эксплуатироваться без дополнительного защитного покрытия в виде ребристой оболочки, так как под воздействием атмосферных условий в сочетании с воздействием рабочего напряжения на поверхности стеклопластикового стержня или цилиндра развивается трекинг и эрозия, что приводит к снижению их электрических характеристик и последующему выходу из строя.

На основании анализа опыта эксплуатации и результатов собственных исследований сделан вывод, что комплексу требований к полимерным изоляторам наружной установки наилучшим образом удовлетворяют защитные оболочки из кремнийорганических (силоксановых) резин. Они технологичны, позволяют получать химические соединения между оболочкой и стеклопластиковым стержнем, сохраняют эластичность в условиях холодного климата, обладают необычайно высокой устойчивостью к действию влаги, озона, солнечной радиации и действию поверхностных частичных разрядов, т.е. являются трекингостойкими. Гидрофобная поверхность кремнийорганических резин приводит к тому, что на поверхности изоляторов осаждающаяся влага собирается в капли и скатывается, не создавая сплошной плёнки увлажнения.

...