Методологічні основи удосконалення високовольтних лінійних ізоляторів та методів їх випробувань

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний технічний університет

Харківський політехнічний інститут

УДК 621.315.62.001(043)

Спеціальність 05.09.13 - Техніка сильних електричних та магнітних полів

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Методологічні основи досконалення високовольтних лінійних ізоляторів та методів їх випробувань

Кім Єн Дар

Харків - 2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Науково-дослідному інституті високих напруг, Міністерство палива та енергетики України, м. Слов'янськ.

Офіційні опоненти:

- доктор технічних наук, професор Набока Борис Григорович, Національний технічний університет, "Харківський політехнічний інститут", м. Харків, професор кафедри електроізоляційної і кабельної техніки;

- доктор технічних наук, професор Никонец Леонід Олексійович, Національний технічний університет, "Львівська політехніка", м. Львів, завідувач кафедри електричних станцій;

- доктор технічних наук, старший науковий співробітник Подольцев Олександр Дмитрович, Інститут електродинаміки Національної Академії Наук України, м. Київ, завідуючий відділом

Провідна установа: Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут", Міністерство освіти і науки України, м. Київ

Захист відбудеться "26" 06 2003 р. о 14.30 на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.050.08 у Національному технічному університеті "Харківський політехнічний інститут" за адресою: 61002, м. Харків, вул. Фрунзе, 21.

З дисертацією можна ознайомитись у науковій бібліотеці Національного технічного університету "Харківський політехнічний інститут".

Автореферат розісланий "23 " 05 2003 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Болюх В.Ф.

Анотації

Кім Єн Дар. Методологічні основи удосконалення високовольтних лінійних ізоляторів та методів їх випробувань. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.09.13 - техніка сильних електричних та магнітних полів.-Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", Харків, 2003.

Дисертацію присвячено проблемам розробки методологічних основ конструювання високовольтних ізоляторів, випробувань та досліджень. В роботі розвинено методи розрахунку механічних і електричних характеристик ізоляційних конструкцій. Скореговані діючі, розроблені альтернативні методи визначення стійкості ізоляторів до дії високих напруг, до забруднень при підвищеній вологості та температурі, досліджені електрофізикохімічні процеси в об'ємі та на поверхні ізоляторів, зумовлені цими діями. Надані рекомендації для оптимального конструювання, шляхи підвищення технічних та експлуатаційних характеристик ізоляторів. Результати роботи використовуються для створення та вдосконалення параметричного ряду ізоляторів, вони знайшли відображення в ДСТУ з методів випробувань та широко застосовуються під час профілактики ізоляції в електричних мережах.

Ключові слова: високовольтний ізолятор, методи моделювання і досліджень, електричне поле, електричний розряд, радіозавади.

Ким Ен Дар. Методологические основы совершенствования высоковольтных линейных изоляторов и методов их испытаний.- Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.09.13 - техника сильных электрических и магнитных полей.- Национальный технический университет "Харьковский политехнический институт", г. Харьков, 2003.

Диссертация посвящена проблемам разработки методологических основ конструирования высоковольтных изоляторов, испытаний и исследований. В работе развиты методы расчета механических и электрических характеристик изоляционных конструкций, в т.ч., электрических полей с комплексной проводимостью среды и загрязненной поверхностью. Получены математические соотношения между конструктивными параметрами силового узла изолятора и механической прочностью, конфигурацией тарелки изоляционной детали и электрическими характеристиками: импульсных и периодических напряжений в сухом состоянии и под дождем.

Проведены исследования электрофизических и электрохимических процессов в объеме и на поверхности изоляционной конструкции при воздействии критических эксплуатационных факторов, по результатам которых были усовершенствованы существующие и разработаны новые методы испытаний и исследований изоляторов. На основе изучения природы низкой воспроизводимости скорректирован метод испытания изоляторов на пробой в жидкой среде (МЭК 383); обоснована необходимость учета относительной влажности воздуха при испытании изоляторов на уровень радиопомех по МЭК 437, получена функция приведения результатов измерений к требуемой влажности. Основные положения корректировки нашли отражение в соответствующих ДСТУ в части методов испытания. Предложены альтернативные методы оценки влагоразрядных характеристик в условиях промышленных загрязнений и устойчивости изоляторов к солевым загрязнениям при повышенной влажности и температуре, учитывающие, в первом случае, аэродинамические свойства изоляторов, во втором - фактор времени, оказывающий значительное воздействие на процессы микроразрушения поверхности диэлектрика и, как следствие, на отложение загрязнений.

Развитие методологических основ позволило выявить новые закономерности в поведении изоляторов в тяжелых условиях эксплуатации, решить практические задачи по повышению их качества и надежности. Установлен двухстадийный механизм разрушения изоляторов из закаленного стекла под воздействием высокого напряжения: полному разрушению диэлектрика предшествует образование ионизированных каналов частичного пробоя стекла от точек расположения инородных включений. Наиболее опасными для изоляторов являются инородные включения с удельной проводимостью 10⁸ мкС и более, расположенные в поверхностном слое стекла головки изоляционной детали. Разрушение стеклянных изоляторов может быть также инициироваться частичным пробоем в цементно-песчаной связке, вероятность которого существенно возрастает в случае, если удельное сопротивление связки становиться больше 10⁵_10⁶ Даны рекомендации по отбраковке изоляционных деталей с дефектами в стекле, оказывающими влияние на электрическую прочность изолятора. Эти рекомендации нашли свое отражение в отраслевом стандарте, регламентирующем требования к качеству изоляционных деталей стеклянных изоляторов (ДСТУ 3407_96).

Установлены влияния геометрических факторов и диэлектрических свойств материалов составных элементов изоляторов на интенсивность ионизационных процессов, являющихся источниками высокочастотных помех от изоляторов. Исследована устойчивость стеклянных изоляторов к условиям тропического и субтропического климата и воздействию солевого загрязнения и обоснована возможность применения в этих условиях изоляторов из щелочного стекла состава 7; изучена природа электрохимической коррозии металлических элементов изоляторов в сетях переменного тока, особенность которой связана с эффектом полярности протекания поверхностных частичных разрядов при солевых загрязнениях.

Предложена эффективная технология проведения профилактических работ по восстановлению и усилению внешней изоляции, суть которой заключается в использовании аэрозольно-гидродинамического способа очистки загрязненной поверхности и в нанесении гидрофобного покрытия на основе кремнийорганического компаунда холодного отвердения.

Разработанные и усовершенствованные методы расчетов, исследований и испытаний были использованы при разработке и создании впервые в СНГ изоляторов из закаленного стекла всех классов по механической нагрузке с уменьшенными на 30-40% массогабаритными параметрами силового узла; при модернизации конструкций тарелки изоляторов с целью повышения электрических характеристик до требований стандартов наиболее развитых стран, в том числе, по уровню радиопомех; при разработке и создании изоляторов с улучшенными аэродинамическими характеристиками для работ в районах с интенсивными промышленными и природными загрязнениями; при разработке новой слабопроводящей среды для испытания изоляторов на пробой напряжением промышленной частоты, характеризующейся высокой степенью однородности и стабильности электрофизических параметров. Новая технология восстановления и усиления изоляции нашла широкое применение в различных электрических сетях (в частности, в открытых распределительных устройствах предприятий Донецкоблэнерго, Запорожьеобэнерго; Зуевской, Углегорской, Трипольской тепловых электростанциях).

Ключевые слова: высоковольтный изолятор, методы моделирования и исследований, прочность, электрическое поле, электрический разряд, радиопомехи.

Kim Yen Dar. Methodological principles of high-voltage line insulators and their test methods up-dating.-Manuscript.

The thesis for doctor's degree of technical sciences, specialty 05.09.13 - Strong Electrical and Magnetic Field Technique. - National Technical University "Kharkov Polytechnical Institute", Kharkov, 2003.

The thesis deals with the problems of developing methodological principles of high-voltage insulator design, testing and investigation. The methods of calculation of insulating structures mechanical and electrical performance are developed in this work. The current methods of determining insulator resistance to high-voltage and pollution stresses under high humidity and high temperature conditions are adjusted and the alternative ones are developed. Electrophysicаl processes inside insulators and on their surface, depending on those stresses, are investigated. The work includes guidance on optimum design and the way of improving insulators technical and operating characteristics. The results of the thesis are used in creation and improvement of insulators parametrical series, they found an application in DSTU on test methods and are widely used in electrical systems preventive treatment.

Key words: high-voltage insulator, methods of simulation and researches, electrical field, electrical discharge, radio interference.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Високовольтні лінійні ізолятори це один з головних елементів лінії електропередач, тому надійність роботи системи у значній мірі визначається рівнем стійкості ізоляторів до експлуатаційних дій. Необхідність всебічного підвищення технічних характеристик ізоляторів, зниження їх металоємності диктувалась і кон'юнктурою сучасного ринку, необхідністю сертифікації продукції за вимогами міжнародних стандартів. Створення параметричного ряду ізоляторів зі зменшеною металоємністю та високою експлуатаційною надійністю, по суті ізоляторів нового покоління, конкурентоспроможних на світовому ринку, обумовило, не лише рішення технологічних задач, актуальність проблеми досконалення конструкції ізоляторів, розвитку існуючих та розробки нових методологічних основ розрахунку, проведення випробувань та досліджень.

За існуючого підходу ізолятори проектувались на основі відомих прототипів, розрахунки силового вузла виконувались без врахування пружно-деформаційних якостей матеріалів, що не дозволяло оптимально використовувати міцнісні можливості кожного елемента вузла. З переходом до нової конструкції із зменшенням на 30-40% геометрії силового вузла, з одного боку, і прийняттям більш високих міжнародних нормованих електричних характеристик з другого, почали проявлятися ті ефекти, які негативно позначались на характеристики ізоляторів. Це призвело до необхідності більш глибокого вивчення електрофізичних та електрохімічних якостей матеріалів і процесів на поверхні та в тілі ізолятора; урахування в розрахунках електричного поля активної складової провідності піддослідних областей; вивчення аеродинамічних характеристик ізоляторів, їх забрудненості; способів відновлення та посилення ізоляції; відповідно переглянути і самі методи випробувань; розробляти нові альтернативні методи досліджень та випробувань, що максимально реалізують умови експлуатації.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами і темами. Робота виконувалась в НДІВН (СКТБ) в межах галузевих планів науково-дослідних робіт ГТУ Міненерго СРСР 01/1527-19 "Дослідження лінійних підвісних ізоляторів у лабораторних та натурних умовах з метою визначення та створення конструкції з покращеними основними електричними характеристиками"; Міненерго України 13-ЭС-92 "Дослідження, направлені на підвищення якості, надійності та технічного рівня вітчизняних фарфорових та скляних ізоляторів" за безпосередньою участю та під керівництвом автора.

Мета і задачі дослідження роботи. Удосконалення ізоляційних конструкцій лінійних ізоляторів та методів їх випробувань, розвиток методичних основ розрахунку, досліджень, способів підвищення експлуатаційної надійності та профілактичного обслуговування.

Для досягнення необхідно вирішити:

1. Вивчити сучасні вимоги до високовольтних підвісних ізоляторів, напрямки розвитку високовольтних ізолюючих кострукцій, методів досліджень та їх контролю; шляхи підвищення працездатності ізоляторів у важких експлуатаційних умовах.

2. Запропонувати надійні розрахункові методи конструювання ізоляторів і дослідження електричного поля, які враховують головні фізико-механічні характеристики об'єкту.

3. Вдосконалити існуючі та розробити нові методи випробувань і досліджень, що направлені на підвищення якості та експлуатаційної надійності ізоляторів:

вивчити причини нестабільності і низького відтворення високовольтних випробувань на пробій та на рівень радіозавад, що проводяться за рекомендаціями МЕК, з метою їх коригування;

вивчити поведінку ізоляторів в умовах високої вологості, температури та сольового забруднення і розробити методи електричних випробувань на термостійкість;

вивчити динаміку осідання забруднень на поверхні ізоляторів і розробити методику визначення аеродинамічних характеристик.

4. Дослідити конструктивні і технологічні фактори, що впливають на якість та експлуатаційні характеристики ізоляторів; обгрунтувати шляхи їх підвищення.

5. Розробити ефективні методи відновлення і підсилення зовнішньої електричної міцності високовольтних ізоляторів, що експлуатуються у місцевостях з інтенсивним забрудненням.

Об'єкт дослідження- методологічні основи розрахунку, конструювання методів випробувань та досліджень, шляхи досконалення ізоляційних конструкцій.

Предмет дослідження- високовольтні ізолятори зі скла та фарфору.

Методи дослідження. Для розв'язання задач в дисертації використовувалися методи та положення теорії електромагнітних полів, техніки високих напруг, теорії пружності та конформних перетворень, числові методи розвязання дифференційних рівнянь, методи математичної статистики та апроксимації функцій. Експериментальні дослідження виконувались на зразках та реальних об'ектах в умовах, моделюючих експлуатаційні чинники. Результати лабораторних досліджень співставлялись з даними багаторічних стендових та натурних досліджень, а також з даними досвіду експлуатації.

Наукова новизна одержаних результатів.

Вперше в комплексній постанові запропоновані методологічні основи розробки високовольтних ізоляторів, у тому числі розрахунку та конструювання, випробувань та досліджень, а також методів профілактичного обслуговування ізоляторів, що визначають якість, технічні характеристики і працездатність ізоляторів у різних умовах експлуатації.

Елементи новизни полягають у такому:

1. Удосконаленні з врахуванням електро-фізико-механічних властивостей елементів конструкції, функціональні залежності між головними геометричними параметрами і електричними та механічними характеристиками ізоляторів.

2. Розроблена математична модель електричного поля ізолятора для аналізу фізичних явищ у тілі та на поверхні діелектрика, пов'язаних із впливом на ізолятор високої напруги, ефектом комплексної провідності досліджуваного середовища та наявності поверхневих забруднень.

3. З'ясовані причини низької відтворюваності результатів випробувань ізолятора на пробій в слабопровідному рідинному середовищі напругою промислової частоти (МЕК 383), обгрунтовані необхідні вимоги щодо рідини для випробувань, які забезпечують відтвореність методу. Доведена, вперше в міжнародній практиці, можливості об'єктивної оцінки якості ізоляторів по електричній міцності шляхом випробувань на пробій напругою промислової частоти.

4. Встановлені закономірності виникнення високочастотних струмів завад на ізоляторі і необхідність коригування результатів випробувань ізоляторів на рівень радіозавад (МЕК 437) по відносній вологості повітря, отримана відповідна функція зведення результатів вимірювань до нормальної вологості. Представлене теоретичне та експерементальне обгрунтування можливості істотного зниження рівня завад від ізоляторів шляхом зміни конструкції в приелектродних областях.

5. Уточнений механізм ушкодження ізоляторів, виготовлених із загартованого скла, під дією високої напруги промислової частоти та імпульсної напруги з крутим фронтом хвилі; експериментально з'ясовані і теоретично обгрунтовані основні фактори, що призводять до зниження внутрішньої електричної міцності ізоляторів.

6. Встановлена динаміка осідання твердих аерозольних часток на поверхні ізолятора, обгрунтована можливість отримання реальних вологорозрядних напруг, шляхом проведення короткочасних випробувань в аеродинамічній установці, сформульовані критерії підвищення аеродинамічних характеристик ізоляторів.

7. Отримані нові дані про електрофізичні процеси на ізоляційних конструкціях та електрокорозію їх металевих елементів в умовах вологого тропічного клімату і сольового забруднення. Встановлена природа протікання додаткової складової струму витоку поверхнею ізолятора, забрудненого плів-кою водного розчину солі, що знаходиться під дією високої змінної напруги.

8. Запропоновані основи нової технології відновлення забрудненої ізоляції, що полягає у застосуванні аерозольно-гідродинамічного способу очищення та нанесення гідрофобного покриття на основі кремнійорганічного компаунду холодного затвердіння. Обгрунтовані оптимальні технологічні параметри і склад матеріалів, що застосовуються.

Практичні значення одержаних результатів.

1. Розроблені інженерні методики розрахунків головних геометричних параметрів ізоляторів, пакет програм розрахунку електричного поля та рекомендації по оптимізації конструкції використовувались і використовуються для створення малогабаритних ізоляторів усіх класів по механічному навантаженню та виконанню ізоляційної деталі, а також при подальших підвищеннях характеристик ізоляторів до вимог національних стандартів США, Канади, Франції, Швеції, (Слов'янський арматурно-ізоляційний, Львівський ізоляційний, Південно-Уральський арматурно-ізоляційний заводи).

2. Надане підтвердження про можливість використання ізоляторів, виготовлених з лужного скла складу 7, в умовах вологого тропічного клімату в приморських зонах. Це дозволило поширити географію експорту вітчизняних ізоляторів (ДСТУ 3407-96. Деталі ізоляційні зі скла для підвісних лінійних та штирьових ізоляторів. Загальні технічні умови).

3. Розроблена методика визначення вологорозрядних напруг, яка враховує аеродинамічні характеристики ізоляторів; створені ізолятори з покращеними параметрами, що призначені для місцевостей з інтенсивними забрудненнями (дослідні партії ізоляторів ПСК 70 (И-739), ПСК 120 (И_879), ПФК 70 (И_997), які з успіхом експлуатуються на повітряних лініях в умовах сильних промислових забруднень).

4. Вдосконалені методи випробувань ізоляторів на пробій напругою промислової частоти і визначення рівня радіозавад, результати вдосконалення увійшли в галузеві нормативні документи країн СНД та державні стандарти:

ГОСТ 26196-84. Изоляторы. Метод измерения индустриальных ра- диопомех;

ДСТУ 2203-93 (ГОСТ 6490-93). Ізолятори лінійні підвісні тарілчасті. Загальні технічні умови;

ДСТУ 2202-93 (ГОСТ 1232-93). Ізолятори лінійні штирьові фарфорові та скляні на напругу 1-35 кВ. Загальні технічні умови.

5. Розроблене слабопровідне рідке середовище для випробувань ізоляторів на пробій напругою промислової частоти, що характеризується високим ступенем однорідності та стабільності електрофізичних характеристик (використовується в акредитованому Випробувальному центрі НДІВН з 1993 р.).

6. Розроблені методики електричних випробувань ізоляторів на визначення мінімальних розрядних характеристик в умовах експлуатації в приморських районах вологого тропічного клімату (Рекомендовані для включення в ГОСТ 6490).

7. Скориговані нові вимоги щодо вибраковки ізоляційних деталей з дефектами у склі, що суттєво впливають на стійкість ізоляторів до дії підвищеної напруги (ДСТУ 3407-96).

8. Запропонований новий засіб захисту від корозії металевих елементів ізоляторів, суть якого полягає в блокуванні причин, що викликають електрохімічні процеси на межі стержень-цементно-піщана зв'язка (дослідні зразки).

9. Створена механізована технологія відновлення і підсилення зовнішньої високовольтної ізоляції для виконання профілактичних робіт по очищенню, миттю та послідуючому нанесенню гідрофобного покриття (5_6_річний позитивний досвід експлуатації на 6-ти підстанціях Донбасобленерго, на 2-х підстанціях Запоріжжяобленерго).

Особистий внесок здобувача - відповідального виконавця та наукового керівника виконаних робіт - зводиться до постановки задач та їх обґрунтування; розробки методик досліджень та участі в їх реалізації; узагальнення результатів досліджень. В роботах, що виконані у співавторстві, особистий внесок здобувача полягає: [8] - у виведенні основних співвідношень методики розрахунку силового вузла ізолятора та її апробації; [9,10,12,15] - в розробці методик досліджень, визначенні динаміки пошкодження ізоляторів під дією поверхневих розрядів, формулюванні рекомендацій по підвищенню стійкості до дії цих розрядів; [20] - узагальненні статистичних даних відмов ізоляторів на ПЛ та результати стендових випробувань; [21]- сформульовані задачі чисельного експерименту та вихідних умов врахування поверхневого забруднення; [22]- запропонуванні методики експерименту та гіпотези про електричний початок руйнування ізоляторів; [14,16,23,27] - у встановленні взаємозвязку між коефіцієнтом статичного тиску повітряного струменю на поверхні ізолятора та інтенсивністю забруднення, критеріїв оптимальної побудови профілю тарілки ізолятора, що обєднує конічну та сферичну форми ізоляторів, [11,28] - в розробці електричної моделі електричного поля ізолятора та обґрунтуванні можливості значного зниження рівня радіозавад шляхом зміни конструкції ізолятора; [18,19] - у виборі напрямків досліджень, проведенні планування експерименту та аналіз отриманих даних; [24] - в обґрунтуванні області оптимальних співвідношень між радіусами стержня та його головки; [25,30] - в запропонуванні ідеї зміцнення конструкції ізолятора введенням додаткових тонкостінних кілець з високоміцного матеріалу в силовий вузол; [31] - в обґрунтуванні можливостей підвищення електричних характеристик ізоляторів шляхом збільшення товщини діелектрика в приелектродній області; [26,29] - у чисельному дослідженні електричного поля ізолюючих конструкцій, у тому числі, напівпровідними елементами та визначенні оптимальних геометричних та електрофізичних параметрів; [17,33] - у проведенні чисельних та експериментальних досліджень поведінки ізоляторів, занурених в слабопровідне середовище, обґрунтуванні нових вимог до середовища, що використовується при випробуванні ізоляторів на пробій; [13] - в доказі того, що відносна вологість повітря є визначальним кліматичним фактором в проведенні досліджень ізоляторів на рівень радіозавад, виведенні функції корегування результатів досліджень по відносній вологості; [32] - у запропонуванні вводити в робочу емульсію розчинник при очистці відпрацьованої захисної пасти.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертації і результати виконання автором досліджень доповідались і обговорювались на конференціях, нарадах, науково-технічних радах: науково-технічній раді НДІПС (Ленінград, 1976-1983 р.); Всесоюзній науково-технічній конференції "Повышение надежности работы изоляции линий электропередачи и электрооборудования высокого напряжения" (Ташкент, 1983 р.); Міжнародній нараді спеціалістів по високовольтній ізоляції (Югославія, м. Аранджеловець, 1989 р.); Всесоюзній науково-технічній конференції "Совершенствование методов эксплуатации и разработки способов защиты от возгорания воздушных линий электропередачи железных дорог в районах с загрязненной изоляцией" (Ташкент, 1989 р.); науково-технічній нараді Азглавенерго (Баку, 1989 р.); науково-технічних радах ізоляторних заводів (м. Львів, 1989 р., м. Слов'янск, 1989 р., м. Південноуральськ, 1989 р.); науково-технічній раді ВНІІЕ (м. Москва, 1988 р.); науково-технічній раді УНПО Міненерго України (м. Одеса, 1994 р.); науково-технічному семінарі (виставці) "Изоляционные материалы, используемые в энергетике; линейные изоляторы; изоляционные материалы в коммутационных аппаратах; проблемы эксплуатации и производство" (Запоріжжя, 1995 р.); Міжнародній виставці "Энергопрогресс-95" (Москва, 1995 р.); Міжнародній семінар CIGRE SC 33-99 (Швеція, м. Людвіка, 1999 р.).

Публікації. Основні положення дисертації опубліковано у 40 роботах. Серед них 22 статті, у наукових журналах 4 тези доповідей на конференціях, 11 авторських свідоцтв, 3 патенти України.

Обсяг і структура роботи.

Дисертація складається з вступу, п'яти розділів, висновків та додатків. Повний обсяг дисертації 410 сторінок; 102 ілюстрацій на 101 сторінці; 56 таблиць по тексту, 10 таблиць на 8 сторінках; 5 додатків на 20 сторінках; 324 найменування використаних літературних джерел на 33 сторінках.

Основний зміст роботи

Вступ присвячено актуальності проблеми, сформульована мета роботи, наукова новизна та практична цінність результатів.

У першому розділі аналізується сучасний стан проблеми проектування лінійних високовольтних ізоляторів та підвищення їх експлуатаційної надійності. Розглядаються ступені вдосконалення конструкції ізоляторів, поліпшення параметрів, що визначають їх якість та надійність роботи на повітряних лініях (ПЛ). Відзначається великий внесок наукового колективу Львівського політехнічного інституту в частині розробки технології виготовлення ізоляційних деталей із загартованого скла. Зроблено порівнювальний аналіз характеристик вітчизняних ізоляторів з кращими закордонними аналогами і відповідних вимог, що пред'являють до ізоляторів. Показано, що незважаючи на значні успіхи в галузі ізоляторобудівництва, має місце певне відставання вітчизняних ізоляторів по масогабаритним та електричним характеристикам від закордонних. Такі обставини не можуть не впливати на експлуатаційну надійність ізоляції, а також на конкурентноздатність ізоляторів на світовому ринку. Проведено обґрунтування того, що підвищення електромеханічних характеристик ізоляторів, по суті створення ізоляторів нового покоління, неможливе без розробки і вдосконалення методів дослідження і розрахунку елементів ізоляційних конструкцій, без глибокого розуміння електрофізичних процесів в них; без детального вивчення і корегування самих методів визначення цих характеристик. Аналізуються сучасні шляхи відновлення і підсилення високовольтної зовнішньої ізоляції, відмічається неефективність сучасних засобів, що використовуються в теперішній час в енергосистемах України (СНД). Виходячи з аналізу накопиченого досвіду конструювання ізоляторів та досліджень, направлених на підвищення якості і експлуатаційних характеристик, формулюються основні задачі досліджень дисертаційної роботи.

Другий розділ присвячено розробці методів визначення основних геометричних розмірів (параметрів), що включають в себе розрахунок силового вузла за механічною міцністю та розрахунок тарілки ізоляційної деталі за електричними характеристиками

Механічний розрахунок радіальних розмірів силового вузла ізолятора ґрунтується на рішенні рівняння Ляме для випадку товстостінного циліндру, що підлягає дії внутрішнього тиску. При цьому бралося до уваги припущення про абсолютну жорсткість металевих елементів та відсутність взаємного переміщення дотичних поверхонь. Рішенням одношарової (стержень-цементно-піщана зв'язка) та двошарової (стержень-цементно-піщана зв'язка-діелектрик) задачі (рис.1) отримано розрахункові співвідношення, що враховують реальні фізикомеханічні характеристики зв'язки та діелектрика: М-модуль Юнга і - коефіцієнт Пуасона:

(1)

де r_e- еквівалентний радіус головки стержня, що поділяє похилу поверхню на дві рівні частини;

; ,

і _r - максимальні тангенціальна та радіальна напруги, причому:

, (2)

а знаходиться по (2),

- коефіцієнт жорсткості конструкції, що залежить від жорсткості М ₁,

М ₂ компонентів та їх розмірів R_B, R_H:

Висота силового вузла визначається глибиною занурювання стержня h. Рішенням задачі на згин з використанням елементів конформних відображень отримано залежність між вказаною глибиною і радіальними розмірами внутрішньої порожнини силового вузла та граничною напругою на згин _зг цементно-піщаної зв'язки:

, (3)

- середньо геометричне вертикальних розмірів занурювання стержня (див. рис. 1).

Рис.1. Розрахункова схема силового вузла ізолятора

Наведені аналітичні вирази дають можливість оцінювати вплив головних параметрів силового вузла на умови навантаження цементно-піщаної зв'язки та ізоляції. Це полегшує пошук шляхів вдосконалення конструкції.

Як випливає із співвідношень (1)(3) шляхом збільшення жорсткості ізоляційної деталі (М ₂/М ₁10; 1) можна досягти суттєвого зниження напруги в зв'язці, тим самим збільшити міцність конструкції, або при тих же напругах зменшити габаритні розміри силового вузла ізолятора (рис. 2).

Для оцінки впливу жорсткості системи на розподіл напруги в силовому вузлі розглядався випадок з підсиленою граничною умовою, коли переміщення зовнішньої межі дорівнює нулю. При цьому отримано граничну (теоретичну) можливість зміцнення конструкції і, відповідно, зменшення радіальних розмірів силового вузла ізолятора.

Незважаючи на прийняті припущення, що спрощують задачу, розрахункові міцності ізоляційних конструкцій були близькими до результатів випробувань реальних ізоляторів (таблиця 1). Керуючись цією методикою вперше в СРСР почались розробки та освоєння виробництва малогабаритних ізоляторів нового покоління з циліндричними силовими вузлами. високовольтний ізолятор напруга температура

Електричний розрахунок визначає головні геометричні параметри тарілки ізоляційної деталі ізолятора (рис. 3) при умовах забезпечення необхідних розрядних характеристик. Всебічні експериментальні дослідження електричних характеристик, виконані на існуючих ізоляторах і фізичних моделях, дозволили з усього розмаїття геометричних параметрів виділити основні, що саме і визначають розрядні напруги.

За базові об'єкти були прийняті ізолятори з гладкою формою тарілки, для яких отримано емпіричні залежності розрядних напруг промислової частоти і стандартних імпульсів в сухому стані з двома змінними: R_o -радіус тарілки і d - товщина тарілки (в мм) в приелектродній області, що визначають відповідно розрядний шлях і максимальну напруженість поля навколо поверхні тарілки ізолятора:

, (4)

Слід зауважити, що для гладких ізоляторів залежність розрядних напруг від радіусу тарілки має експоненціальний характер і при R_o 110-120 мм зростання напруги практично припиняється. Помітного збільшення розрядних напруг можна досягти, якщо збільшити товщину діелектрика в приелектродній області.

Таблиця 1. Експериментальні та розрахункові дані механічної міцності ізоляторів

Клас изоляторів по механічному навантаженню, кН	Фактичне руйнівне навантаження/стандартне відхилення, кН	Розрахункове руйнівне навантаження, кН
70	104/17	117
120	149/18	134
160	198/21	178
210	248/22	258
300	350/27	404
400	475/41	546

Напруга перекриття ізоляторів в умовах, що імітують дощ, повністю залежить від найкоротшої відстані (z₀) між краєм тарілки і потенціальним електродом:

(5)

Для розрахунку розрядних напруг ізоляторів з розвиненою поверхнею ізоляційної деталі запропоновано додаткові складові, що враховують висоту ребер h_р і їх місце розташування k(r):1

=0,53h_pk(r); (6)

,

де - коефіцієнт, який враховує фактор багатореберності;

z₁-z₀ - приріст повітряного проміжка, що виникає при наявності витягнутих ребер.

Коректність отриманих емпіричних залежностей була підтверджена співпоставленням фактичних розрахункових характеристик для всіх існуючих ізоляторів. Найбільші похибки розрахункових формул склали 6,1%; 7,0%; і 5,9% відповідно для сухорозрядних напруг промислової частоти, розрядних напруг стандартних імпульсів і вологорозрядних напруг. Розроблені методи розрахунку були безпосередньо використані при створенні нових і вдосконаленні серійних ізоляторів за електричними характеристиками.

Третій розділ присвячено створенню математичної моделі електричного поля загального випадку для вказаного кола задач, розробці і вдосконаленню методів досліджень і випробувань ізоляторів.

Дослідження електричного поля - один з найважливіших етапів в процесі вивчення електрофізичних явищ в ізолюючих конструкціях, що підлягають високовольтному впливу, а також при оптимізації конструкцій. При умовах сталості електрофізичних властивостей матеріалів об'єкту, що досліджується, та нехтуванні сторонніми джерелами зарядів електричне поле в загальному випадку діючої напруги довільної, щодо часу, форми задовольняє рівнянню Максвела:

(7)

де - активна провідність;

_о - діелектрична проникність;

-Е = grad - вектор напруженості поля.

Рис. 3. Головні геометричні параметри для електричного розрахунку

Рівняння (7) доповнюється граничними і початковими умовами на поверхнях розділу середовищ і на межі S розрахункової області V - умовами рівності нормальних складових струму і неперервності потенціалів, а на дільницях межі S задаються відомі струми або потенціали.

Наближеним інтегруванням рівняння (7) по просторовій та тимчасовій координатах, що ґрунтується на проекційно-сітковому методі Галеркіна, диференційне рівняння зводиться до глобальної системи матричних рівнянь:

, (8)

де [k] і [k] - матриці провідності і діелектричної проникності;

{} - вектор потенціалів в вузлових точках;

{F} - вектор граничних факторів.

У випадку синусоїдальної напруги дискретна модель (8) спрощується:

[k]{}={F}, (9)

де [k] - матриці комплексної провідності.

Для урахування шару забруднення на етапі побудови матриці [k] введена двошарова поверхня Sэ нескінченно малої товщини. Це дало змогу врахувати вплив поверхневого шару забруднення і уникнути проблем пов'язаних з поганою збіжністю чисельних методів поблизу особливих точок.

В роботі реалізовано алгоритм рішення нестаціонарної задачі на базі рівняння стаціонарного поля шляхом представлення потенціалу в ряд Фурье.

Випробування ізоляторів на пробій напругою промислової частоти входить до складу типових, прийомо-здаточних і періодичних випробувань і є одним з доступних засобів контролю якості і надійності. У зв'язку з підвищенням нормованої випробувальної напруги для внутрішньої електричної міцності ізоляторів методика випробувань, рекомендована МЕК 383, стає непридатною через дуже низьке відтворення.

Експериментальні дослідження самої методики та розрахунки електричного поля ізолятора, зануреного в слабопровідне середовище, показали, що низьке відтворення пробивних напруг обумовлене співіснуванням двох механізмів в залежності від розподілу поля в випробувальному середовищі.

Якщо питомий об'ємний опір _сер10⁸ Омм випробувального середовища, ізолятори найчастіше ушкоджуються внаслідок часткового пробою навколишньої рідини, який ініціює подальший пробій тарілки ізоляційної деталі, причому така подія виникає задовго до досягнення критичної для ізолятора напруги. Якщо _сер~10⁶ Омм, то ймовірність появи часткових розрядів суттєво знижується, що пов'язано із значним вирівнюванням поля Е_сер в середовищі (рис. 4). Пробій відбувається тоді тільки в головці ізоляційної деталі, де напруженість електричного поля максимальна.

За результатами досліджень сформульовано нові вимоги щодо дослідницької рідини по питомому об'ємному опору (_сер) та пробивній напрузі:

_сер(1-5)10⁶ Омм, (10)

U_п.сер.-3 > 0,0385U_вип(lg _сер.-5,3) (11)

Рис. 4. Вплив питомого опору середовища на напруженість електричного поля в ізоляторі і його пробивну напругу

Відмінність від вимог МЕК 383 полягає у зсуві діапазону питомого опору в бік менших значень і в урахуванні додаткової умови (11)що додатково уведена по електричній міцності середовища (U_п.сер.-3): величина останньої вибирається в залежності від найбільшої випробувальної напруги U_вип.

У відповідності з умовами (10) і (11) було розроблено нове випробувальне середовище на основі застосування кремнійорганічної рідини та трансформаторного масла. Ефективність нового середовища та правомірність запропонованої скорегованої методики були доведені шляхом порівнювальних випробувань ізоляторів.

За час реалізації методики випробувань ізоляторів на рівень радіозавад по МЕК 437, була виявлена значна розбіжність в результатах вимірювань, виконаних на одних і тих же ізоляторах, але в різний час.

Аналіз даних багаторічних випробувань контрольних ізоляторів і експериментальні дослідження, виконані в кліматичній камері, показали, що на рівень радіозавад (Y) від ізоляторів суттєво впливає відносна вологість повітря , особливо при менших випробувальних напругах U_о. Встановлені три характерні області відносної вологості: <40% - область найбільш високого рівня радіозавад; 40%<<65% - область плавного зниження Y зі збільшенням ; 70%<<80% - область мінімального рівня. Аналогічна залежність характерна для впливу поверхневого опору (_s) діелектрика (скла), величина якого визначає напруженість електричного поля в приелектродних зонах ізолятора.

З іншого боку, іонізаційні процеси, які є джерелами високочастотних завад, безпосередньо пов'язані з напруженістю поля. Ґрунтуючись на цих положеннях, була отримана наближена формула приведення результатів випробувань ізоляторів на рівень радіозавад до нормальної наперед визначеної вологості:

, 40%<<70%, (12)

де U_B - нормована витримувана напруга ізолятора при витримці протягом однієї хвилини.

Задовільну збіжність розрахункових і експериментальних даних було отримано практично для всіх класів напруг ізоляторів. Приклад збіжності наведено на рис. 5.

Рис. 5. Залежність рівня радіозавад ізоляторів від відносної вологості повітря

Суть запропонованої методики визначення аеродинамічних характеристик полягає в обґрунтуванні фізичних умов і параметрів моделювання в лабораторних умовах процесів природного осідання забруднень на поверхні ізоляторів. Опрацювання методики проводилось в Київському інституті інженерів цивільної авіації на аеродинамічній трубі ТАД - 2.

Оригінальною частиною розробленої методики є вибір парафіну в якості моделюючого забруднення речовини. Парафін в розчиненому стані інжектувався на робочу дільницю аеродинамічної труби за допомогою форсунок, та у вигляді найдрібніших часток переносився у повітряному потоці і осідав на поверхню ізолятора. Внаслідок хорошої адгезії одна до одної, частки парафіну на протязі 3-10 хвилин відтворювали процес тривалого накопичення забруднень в експлуатації.

Параметри методики випробування визначались на основі критерію подібності Стокса:

(13)

де m_1,2; v_1,2; r_1,2 - маса, швидкість, радіус часток, що порівнюються;

l - характерний розмір (діаметр) досліджуваного об'єкту;

g - динамічна в'язкість повітря.

З урахуванням умов мінімальних витрат забруднюючої речовини і помірного часу випробувань, з одного боку, та можливості моделювання найбільш типових для практики швидкостей повітряного потоку (v₁=2-10 м/c) природних забруднюючих часток, з іншого боку, були прийняті такі параметри моделювання: r₂ = 10 ^-4 м; m₂ = 2,610 ^-9 кг; v₂ = 640 м/с.

Аеродинамічні характеристики оцінювались за розподілом забруднення, а також шляхом визначення вологорозрядної напруги ізоляторів, забруднених цементом у відповідності з отриманим розподілом. Важливо зауважити, що обґрунтованість запропованованої методики була підтверджена співставленням результатів лабораторних і трирічних натурних досліджень на чотирьох типах ізоляторів, причому дослідницькі стенди розташовувались в трьох різних районах.

До ізоляторів, призначених для приморських зон в умовах тропічного та субтропічного клімату, ставляться додаткові вимоги на тепло-вологу стійкість, а також на стійкість щодо сольових забруднень. Разом з тим, регламентовані в ДСТУ(ГОСТ) і МЕК методи випробувань не враховують одночасного і тривалого впливу кліматичних умов і високої напруги.

Комплекс досліджень, виконаних при різних комбінаціях експлуатаційних умов, дозволив встановити особливості в поведінці ізоляторів, які раніше не було з'ясовано. В умовах високої вологості, температури і соляного туману виникає різке зниження зовнішньої електричної міцності ізоляції внаслідок інтенсивного накопичення сольового бруду на поверхні ізолятора. Виявилось, що в умовах, моделюючих субтропічні кліматичні умови, поверхня скла зазнає гідролітичної корозії.

Механізм мікроруйнування скла полягає у взаємодії іонів гідроксилу ОН на реакційно-здатні катіони-модіфікатори, їх віддалення з поверхневих шарів скла у вигляді акванових компонентів і виникнення на поверхнях силанольних угрупувань = Si - OH. При цьому швидкість корозії відповідає швидкості накопиченню бруду і знаходиться в експоненціальній залежності від температури середовища (рис. 6).

Рис. 6. Зміна поверхневого опору ізоляторів в камері соляного туману

Друга особливість, яку було встановлено в ході випробувань - це інтенсивна корозія металевих елементів ізолятора. Як показали вимірювання, наявність тонкої електропровідної плівки на поверхні діелектрика обумовлює неперервні слабкі іонізаційні процеси в зоні закладання стержня і протікання малих струмів втрат (1-5 мА) з превалюючою додатковою полярністю.

Остання обставина пов'язана з ефектом полярності електричних розрядів в різконеоднорідному полі і є причиною електрокорозії металевих елементів в мережах змінного струму.

Виявлені особливості в поведінці ізоляторів зумовили суть методів випробувань, які полягали у визначенні мінімальних вологорозрядних характеристик і прогнозованого терміну служби антикорозійних покриттів металевих елементів шляхом тривалого експонування об'єктів, що випробовувались, під високою напругою в умовах підвищеної вологості, температури та сольового забруднення, а також вибір параметрів, причому в межах, прийнятих діючими стандартами.

Четвертий розділ присвячений реалізації на практиці розробці методичних основ вказаних вище положень.

Відомо, що скляні ізолятори відрізняються високою внутрішньою електричною міцністю, яка обумовлюється високим ступенем однорідності матеріалу. Разом з тим часто мають місце випадки вибраковки ізоляторів за причини недостатньої міцності при їх випробуваннях на пробій, а в експлуатації відмічались випадки масового ушкодження ізоляторів під час грозових перенапруг.

Важливим етапом в дослідженні було з'ясування механізму ушкодження ізоляторів. На основі рівноймовірної стійкості ізоляторів щодо дії імпульсної ( 200 нс) напруги і напруги промислової частоти, ідентичності характеру і місця розташування епіцентру руйнування, зроблено висновок про електричний початок пробою, а не гідродинамічний або тепловий. Епіцентр руйнування характеризувався наявністю чітко вираженої дзеркальної зони, де вперше були відкриті сліди каналу пробою в загартованому склі. Розуміння механізму пробою ізоляторів дозволило вести ціленаправлений пошук причин, що приводять до руйнування при перенапругах. Першими розглядались ті фактори, які могли привести до суттєвого перерозподілу або локального підвищення напруженості електричного поля в ізоляторі.

Відомо, що електрична провідність цементно-пісчаної зв'язки в основному визначається наявністю вільної вологи. В нормальних умовах електропровідність зв'язки коливається в межах питомого опору lg_св.=3-4 (Омм). Однак, при тривалому перебуванні ізоляторів в сухих кліматичних умовах або у випадку порушення технологічного регламенту термовологої обробки ізоляторів, питомий опір може зростати на порядок і більше. Експериментально, а потім шляхом розрахунків, встановлено, що при lg_св.=5,5 (Омм) відбувається помітне зниження електричної міцності ізолятора і це обумовлено різким збільшенням напруженості поля в зв'язці: пробій ізолятора відбувається в два етапи: спочатку пробивається зв'язка і виникають локальні точки підвищеної напруженості на поверхні скла; далі з отих точок розвиваються процеси пробою ізоляційної деталі.

Другим, більш значним, фактором, що викликає небезпеку для ізолятора, є наявність чужорідних мікровключень в склі. Як випливає з результатів розрахунків електричного поля, чужорідні вкраплення з електропровідним показником (_св.10⁸Омм) в залежності від їх конфігурації та орієнтації у просторі можуть підсилювати вихідне поле в десятки разів.

Найбільше підсилення (К_Е) поля досягається при _св. 10⁴ Омм, для оцінки якого запропоновано апроксимируючий вираз:

К_Е=1+h^0,85r^-0,9, (14)

де h и r - довжина та радіус вкраплення в мм.

Тому, навіть при помірних діючих напругах максимальна напруженість поля у склі могла перевищувати критичне значення для твердих діелектриків, Е_кр.10⁶ В/см.

Електронно-спектрометричні дослідження вкраплень і поверхні скла в епіцентрі руйнування засвідчили підвищену місткість окислів заліза(до 30% проти 0,2 %). За даними вимірювань діелектричних властивостей зразків, виготовлених по співвідношенням окислів, отриманих при спектрометричному аналізі, питомий опір чужорідної маси міг бути значно нижче величини _вкл.10⁸ Омм, починаючи з якої стає можливим ефект підсилення електричного поля у склі. Різке збільшення електричної провідності було зафіксовано при місткості Fe₂O₃ 25%, що пояснюється переходом провідності від іонної до електронної.

Причино-наслідковий зв'язок між чужорідними вкрапленнями і внутрішньою електричною міцністю був підтверджений шляхом проведення експериментів по вилученню вкраплень за допомогою водяного розчину плавикової кислоти і подальших випробувань підвищеною напругою. Вилучення вкраплень призводило до повного відновлення електричної міцності ізоляторів. Встановлено, що найбільшу небезпеку для ізолятора завдають вкраплення, які мають відносно високу провідність (_вкл.10⁸ Омм), і розташовані в головній частині ізолятора в приповерхневому шарі скла де має місце найбільша напруженість електричного поля. Природа виникнення такого роду чужорідних вкраплень поки що не з'ясована і може бути предметом окремого дослідження.

Таким чином, напіввідкриті повітряні вкраплення, "глибокі" мікрощілини на поверхні скла, які здатні сорбувати вологу і бруд з контактного середовища, являють собою потенційну небезпеку для ізолятора, якщо вони знаходяться в області найбільшої напруженості поля.

За результатами досліджень сформульовано додаткові вимоги, що ставляться до якості ізоляційних деталей ізоляторів для їх включення у відповідні стандарти. Зокрема рекомендовані багатоімпульсні випробування, при яких на досліджуваний об'єкт прикладається напруга на рівні 250-300 кВ пікового значення.

Зниження рівня радіозавад. Оптичні дослідження, виконані за допомогою ЕОП, дозволили виявити кореляцію між фотопроцесами на ізоляторі і рівнем радіозавад. Перші точки, що світяться, виникали з боку стержня на межі зв'язки диелектрик-повітря та з боку шапки, вздовж її торця. При цьому відмічалось виникнення стрибкоподібних нестійких завад, рівні яких коливались у широкому діапазоні: від 10-15 до 25-30 дБ.

Розрахунки електричного поля ізолятора показали, що точки максимумів напруженості поля знаходяться саме в приелектродних областях, де відмічались фотоявища. Тому задача звелась до пошуку найбільш ефективних і разом з тим, легко втілюваних рішень вирівнювання напруженості поля в області закладення стержня і на краю шапки ізолятора.

Для придушення коронування з боку шапки запроповане шунтування повітряного зазору між торцем шапки і поверхнею ізоляційної деталі самою цементно-піщаною зв'язкою. Найбільш ефективним і припустимим рішенням щодо зниження Е з боку стержня виявилося потовщення ізоляційної деталі у вигляді кільцевого ребра, яке максимально прилягає до головки ізоляційної деталі. Реалізація такого рішення дозволила зменшити максимальні напруженості поля з боку шапки в 3 рази, з боку стержня на 30-40 % в залежності від глибини закладки.

Виявлено відчутній вплив діелектричних характеристик гідроізолюючого покриття, що наноситься на поверхню цементно-піщаноі зв'язки в зоні закладки стержня. Найбільше зниження напруженості поля і, відповідно, рівня завад, досягається при _пок.10⁸ Омм. Важливе значення здобуває і культура монтажа ізолятора. Сривлена поверхня зв'язки з боку стержня, гострі кромки зв'язки вздовж межі зі склом можуть підсилювати іонізаційні процеси на ізоляторі.

Приведені рекомендації по модернізації конструкції знайшли застосування на всих типах ізоляторів, що виробляються заводами СНД. Це позитивно впливає на якість ізоляторів і на їх конкурентоспроможність.

...