Исследование диагностических параметров опорных изоляторов комплектных экранированных генераторных токопроводов

Размещено на http://www.allbest.ru/

АО «СО ЕЭС», Москва, Россия

Исследование диагностических параметров опорных изоляторов комплектных экранированных генераторных токопроводов

Д.А. Ивановский

Аннотация

Состояние вопроса: Аварийные отказы комплектных экранированных генераторных токопроводов, как правило, приводят к останову блока электростанции. Основной причиной отказов является повреждение опорной изоляции фаз токопровода. Существующие способы поиска поврежденной изоляции, применяемые в комплексе противоаварийных работ, достаточно трудоемки и требуют значительных временных затрат, а применение аппаратуры, предназначенной для поиска повреждений в воздушных и кабельных линиях, неэффективно вследствие особенностей конструкции и повреждений. Также отсутствует специализированная аппаратура, позволяющая вести мониторинг опорной изоляции при эксплуатации токопроводов. Данное обстоятельство требует дополнительных исследований диагностических параметров опорной изоляции для разработки новых методов и средств выявления поврежденных изоляторов комплектных экранированных генераторных токопроводов.

Материалы и методы: В ходе исследований проведены теоретические и экспериментальные исследования электрофизических процессов, протекающих при ухудшении изоляционных свойств опорных изоляторов комплектных генераторных токопроводов. Выполнен расчет характеристик (R; С; tgд) опорной изоляции. Проведено сравнение расчетных и экспериментальных значений указанных характеристик.

Результаты: На основании проведенных экспериментов и расчетов локальных параметров дефектных изоляторов определены наиболее информативные диагностические параметры. Выявлены физические проявления ухудшения изоляционных свойств опорной изоляции комплектных токопроводов. Даны предложения по совершенствованию существующих методов и технических средств выявления поврежденных опорных изоляторов.

Выводы: Предложенные методы позволят сократить трудозатраты на локализацию поврежденных опорных изоляторов, а также существенно снизить вероятность отказа токопровода при эксплуатации.

Ключевые слова: диагностика опорной изоляции токопроводов, диагностика токопроводов, мониторинг опорной изоляции токопроводов, поиск повреждения опорной изоляции токопроводов.

Abstract

Background: Emergency outages of prefabricated isolated generator current leads (PIGCL) frequently end up with an outage of the whole generating unit. In the vast majority of cases an origin of outage appears as insulation failure. Insulation failure locating activities, currently carrying out as a part of emergency provisions at power plants, are cumbersome and time-consuming. Respective technical measures, designed for overhead lines and underground cable lines, cannot be implemented directly here due to distinctive construction features of PIGCL and insulation failure characteristics. As by now there has been no technical measure, specifically designed for insulation-state monitoring of PIGCL. As an initial stage of overcoming the established issue, the research of insulation diagnostic parameters, inherent for PIGCL, should be conducted.

Materials and methods: Literature research and measures of electrophysical processes, rising while insulation properties degrading, calculations of characteristic (R; С; tgд) are conducted. Relative comparison of evaluated and real values of abovementioned characteristics is depicted.

Results: Based on conducted tests and calculations of damaged insulators' local parameters, several most informative are allocated. Physical developing processes, lined up with insulation degrading, are highlighted, and suggestions in terms of corresponding guides and technical measures enhancement are provided.

Conclusions: Suggested methods lead to manpower reduction and lowering the probability of insulation failure.

Keywords: current lead's post insulator diagnosing, prefabricated isolated generator current lead diagnosing, post insulator monitoring, failure location at current lead's post insulators.

Опыт эксплуатации показывает, что срок надежной работы опорного фарфорового изолятора не превышает 15-20 лет, после чего требуется его замена, так как дальнейшее снижение механической и электрической прочности фарфора приводит к повреждению изолятора [1].

Изменение свойств изоляции и ее разрушение в процессе эксплуатации оборудования является результатом комплексного воздействия электрического поля, температуры, увлажнения, вибрации, химически агрессивных продуктов. При этом интенсивность воздействия каждого фактора может быть различной и в зависимости от этого могут изменяться в худшую сторону свойства изоляции [2].

Основными видами повреждений изоляторов комплектных генераторных токопроводов являются перекрытия изоляторов из-за их загрязнения, пробои изоляторов из-за нарушения изоляционной части, перекрытия вследствие заводских механических дефектов опорных изоляторов.

Этим повреждениям способствуют скрытые дефекты изоляторов, наличие влаги в окружающей среде и попадание ее в армировку изолятора, перегрев изоляторов, загрязнение окружающего воздуха различными химическими веществами, по которым происходит поверхностное перекрытие.

При этом, в соответствии с Объемом и нормами испытаний оборудования, проводятся следующие виды испытаний смонтированных токопроводов [3]:

- измерение сопротивления изоляции;

- испытание изоляции токопровода повышенным напряжением промышленной частоты.

Вышеуказанные методы испытаний зачастую не дают полного отображения актуального состояния опорного изолятора генераторного токопровода и, как следствие, грозят дальнейшим отказом оборудования.

Существующие требования к работе электростанций на оптовом рынке электроэнергии и мощности, отсутствие достаточного количества специализированной диагностической аппаратуры и квалифицированного ремонтного персонала требуют проведения дополнительных исследований в области диагностических параметров опорных изоляторов и изменения подходов к видам испытаний токопроводов.

причины отказов опорных изоляторов комплектных токопроводов

Одним из самых распространенных отказов опорных изоляторов является поверхностных пробой, вследствие загрязненности изолятора. При этом загрязнение в сухом состоянии не снижает его разрядное напряжение, а непосредственно пробой наступает в случае увлажнения поверхности изолятора вследствие резкого перепада температур, выпадения осадков либо других случаев увеличения влажности окружающей среды (табл. I).

Механизм пробоя загрязненной изоляции выглядит следующим образом. По увлажненному слою загрязнения изолятора под действием рабочего напряжения проходит ток утечки, нагревающий его. При этом плотность тока утечки неодинакова на отдельных участках изолятора вследствие неравномерности распределения поверхностного загрязнения сложной конфигурации его поверхности. На участках изолятора, где плотность тока наибольшая, происходит испарение влаги с образованием подсушенных участков с повышенным сопротивлением, что приводит к перераспределению напряжения по поверхности изолятора. Почти все напряжение, воздействующее на изоляцию, оказывается приложенным к этим участкам. В результате они перекрываются искровыми каналами, называемыми частичными перемежающими дугами. Так как сопротивление искрового канала меньше сопротивления подсушенного участка поверхности изолятора, то ток утечки возрастает. Увеличение тока утечки приводит к дальнейшему подсушиванию слоя и к возрастанию его сопротивления.

Сведения об отказах опорных изоляторов токопроводов

Интенсивное подсушивание поверхности изолятора приводит к удлинению дуг, к снижению тока утечки, а увеличение их длины к росту сопротивления. Если же будет происходить уменьшение тока утечки, то дуги погаснут. Соответственно, при росте тока утечки изолятор будет перекрыт.

Вторым характерным случаем отказа опорного изолятора является разрушение вследствие воздействия частичных разрядов [2].

Опорные изоляторы комплектных экранированных токопроводов, в силу особенностей механических свойств и наличия механических напряжений, особенно подвержены нарушениям поверхности (сколам, трещинам и т.п.). Включения в виде сфер и отслоений диэлектрика, а также наличие микротрещин, как правило, образуются в процессе изготовления изоляции и длительной эксплуатации. Несмотря на то, что объем опорного изолятора, в котором развивается частичный разряд, очень мал, энергия, выделяемая при единичном разряде достаточна, что бы начался процесс его разрушения (рис. 1). При образовании разряда его энергия (в процентном соотношении) тратится на работу по расширению канала разряда (до 20%), на потери нерезонансного излучения (до 15%), на теплоотвод (до 5%) и на ионизацию (до 3%). При этом температура в канале разряда может достигать порядка 700 - 1000 К [4].

Рис. 1. Последовательные стадии разрушения однородной изоляции до состояния, предшествующего пробою изоляционного промежутка: а) - образование углубления на поверхности в результате эрозии; б) - формирование (полу)проводящих следов на поверхности углубления; в) - возникновение древовидных каналов разряда; г) - интенсивное разрушение диэлектрика

Если рассматривать эквивалентную схему диэлектрика емкостью С_х, то ее можно представить тремя емкостями (рис. 2): С_в - емкость газового включения; С_д - емкостью элемента диэлектрика, включенного последовательно с первым; С_а - емкостью остальной части диэлектрика, лишенной включений. Соответственно:

(1)

Возникновение частичного разряда произойдет в том случае, когда напряжение на включении емкость С_в достигнет пробивного значения U_B3 - напряжения зажигания разряда во включении.

Рис. 2. Эквивалентная схема при рассмотрении частичного разряда в изоляторе

Напряженность во включении Е_в связана с напряженностью в остальной части диэлектрика Е_д следующим соотношением:

(2)

где ?_в - диэлектрическая проницаемость включения; ?_д - диэлектрическая проницаемость диэлектрика.

В газообразном включении напряженность во включении превышает напряженность в диэлектрике: так как , то .

Если существуют условия превышения напряженности во включении Е_в электрической прочности диэлектрика включения Е_пр, Е_В > Е_пр, разряды будут постепенно разрушать диэлектрик, последовательно стадии а) - в), до тех пор, пока электрическая прочность остаточной толщины изоляционного промежутка Д_п= Д - (Д_1кр + Д_2кр) станет меньше или равной воздействующей на изоляционный промежуток напряженности (рис. 1). После этого происходит пробой всего изоляционного промежутка.

Еще одним случаем отказа опорного изолятора является тепловой электрический пробой, развитие которого происходит вследствие роста , увеличением мощности потерь и локального перегрева изолятора.

Для определения зависимости между увеличением и мощностью потерь в изоляторе, представим изолятор, как для электрический конденсатор с потерями (рис. 3).

Рис. 3. Последовательная схема замещения электрического конденсатора с потерями

При последовательном соединении и r (рис. 3):

(3)

Тангенс угла диэлектрических потерь:

(4)

Активная мощность:

(5)

Выражая r через tgд, из (4) находим:

(6)

Соответственно, с увеличением tgд, увеличиваются потери в изоляторе, что приводит к росту активная мощности, выделяющаяся в диэлектрике и нагреву изолятора. Перегрев отдельных опорных изоляторов подтвержден соответствующей теплограммой (рис. 4).

Рис. 4. Локальный перегрев опорного изолятора токопровода

РАСЧЕТ ХАРАКТЕРИСТИК ОПОРНОЙ ИЗОЛЯЦИИ

Емкостное сопротивление переменному току зависит от его емкости и частоты тока. Это сопротивление конденсатора можно с достаточной точностью определить по следующей формуле:

(7)

где Rс - емкостное сопротивление, Ом; f - частота тока, Гц; С - емкость конденсатора.

Снижение пробивного напряжения обычно происходит вследствие увеличения тока утечки (рис. 6):

(8)

где - емкостное сопротивление поверхностного слоя.

Уменьшение сопротивления действует аналогично уменьшению емкостного сопротивления, т.е. увеличивается проводимость диэлектрика, а вследствие этого увеличивается величина токов утечки через изолятор.

Собственная емкость изолятора определяется, как емкость конденсатора с плоскими дисками [5]:

(9)

где - радиус фланца изолятора, м; S₁ - площадь поверхности фланца, охватывающей фарфор, м²; S₂ - площадь поверхности фланца, охватывающей штырь, м²; - средняя толщина фарфора между фланцем и штырем, м; - относительная диэлектрическая проницаемость фарфора.

Тангенс угла диэлектрических потерь определен по формуле 4. При этом, температурная зависимость диэлектрической проницаемости и потерь, взаимно связана друг с другом.

Рис. 5. Зависимость tgд от температуры в диэлектрике

При экспериментальных исследованиях во многих диэлектриках на характер кривых tgд (Т) существенно влияет проводимость. Влияние проводимости в особенности заметно при низких частотах и высоких температурах. Увеличение температуры приводит к тепловому пробою изолятора.

Рис. 6. Зависимость разрядных напряжений от тока утечки опорного изолятора (пунктиром указаны доверительные интервалы)

В процессе эксплуатации характеристики (R; С; tgд) изоляции изменяются с течением времени, что позволяет выявлять новые диагностические параметры опорной изоляции такие как, частичные разряды и локальный перегрев. Целесообразно использовать данные параметры на стадии приемки либо в процессе эксплуатации опорной изоляции, чтобы тем самым повысить вероятность выявления дефекта на ранней стадии.

В случаях поверхностных пробоев опорной изоляции положительный эффект дает внедрение грязестойких изоляторов с переменным вылетом ребер.

Также в последнее время в отечественной электроэнергетике ведется активное внедрение полимерной изоляции в том числе и опорной. Существующие способы испытания фарфоровой изоляции зачастую не применимы для полимерной, что требует проведения дополнительных исследований в этой области.

Учитывая выше сказанное, возникает необходимость внесения изменений в Объем и нормы испытаний электрооборудования, в части новых методов оценки состояния опорной изоляции комплектных экранированных генераторных токопроводов.

опорный изоляция токопровод отказ аварийный

Список литературы

1. Ивановский Д.А. Проблема диагностирования опорных изоляторов генераторных токопроводов. Кибернетика энергетических систем: материалы Всероссийской научной молодежной конференции, г. Новочеркасск, 18-19 октября 2011г. / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). - Новочеркасск: ЛИК, 2011. - 80 с.

2. РД34.45-51.300-97. Объем и нормы испытаний электрооборудования. Утверждены Департаментом науки и техники РАО «ЕЭС России» от 08.05.1997 г.

3. Ивановский Д.А. Возникновение частичных разрядов в опорных изоляторах генераторных токопроводов. Электроэнергетика глазами молодежи: науч. тр. IV междунар. науч.-техн. конф., Т.1, г. Новочеркасск, 14-18 октября 2013 г. / Мин-во образования и науки РФ, Юж.-Рос. гос. политехн. ун-т (НПИ) имени М.И. Платова. - Новочеркасск: Лик, 2013. - 610 с.

4. Вдовико В.П. Частичные разряды в диагностировании высоковольтного оборудования. - Новосибирск: Наука, 2007. - 155 с.

5. Чальян К.М. Методы расчета электромагнитных параметров токопроводов. Москва. - Энергоиздат. 1990 г.

References

1. Ivanovskij D.A. The diagnosis problem of generator current lean's post insulators. Cybernetics of electrical power systems: materials of National Scientific Youth Conference, Novocherkassk, 18-19 October 2011, South-Russia State Polytechnic University (NPI) - Novocherkassk LIK, 2011 - 80.

2. Test codes of electrical equipment. Verified by the department of science and techniques of RAO “UES of Russia” valid from 08.05.1997.

3. Ivanovskij D.A. Partial discharges in support insulator of generator current lead. Power engineering in youths' eyes: scientific. Tr. IV international scientific.-tech. Conf. Vol. 1, Novocherkassk, 14-18 October 2013 / Ministry of education and science of the Russian Federation, South.-Rus. state Polytechnic University (NPI) named after M. I. Platov. - Novocherkassk: Lik, 2013. - 610.

4. Vdoviko V.P. Partial discharges in high volage equipment diagnostics. - Novosibirsk: Nauka, 2007. - 155.

5. Chalian K.M. Methodology of current leads electromagnetic parameters calculation. Moscow: Energomatizdat. 1990.

Размещено на Allbest.ru