Стартовая >> Архив >> Подстанции >> Изоляторы элегазовых КРУ

Дефектные изоляторы - Изоляторы элегазовых КРУ

Оглавление
Изоляторы элегазовых КРУ
Предъявляемые требования
Конструирование опорных изоляторов
Конструкции опорных изоляторов
Электрические свойства опорных изоляторов
Конструктивные особенности
Зависимость электрической прочности компаунда от конструкции контакта проводник-диэлектрик
Зависимость электрической прочности компаунда от размеров электродов
Зависимость электрической прочности компаунда от времени воздействия напряжения
Выбор допустимой напряженности поля в компаунде при заданном сроке эксплуатации
Дефектные изоляторы
Оценка диапазона изменения максимальной напряженности внутри изолятора
Дисковый изолятор
Конический изолятор
Цилиндрический изолятор
Столбиковые изоляторы без встроенных электродов
Столбиковые изоляторы с встроенными электродами
Нестандартное исполнение опорных изоляторов
Формирование напряженности поля внешними экранами
Заключение
Список литеритуры

Рассмотренные закономерности изменения электрической прочности компаундов были определены на основании исследований образцов диэлектрика. Следует учитывать, что размеры образцов намного меньше размеров полномасштабных изоляторов, а диапазон временных испытаний во много раз меньше, чем срок службы изоляторов КРУЭ. С другой стороны, полученные коэффициенты, характеризующие электрическую прочность и срок службы изолятора, близки к значениям, определяющим 50%-ную вероятность. Однако для оценки надежности эксплуатации изоляторов КРУЭ необходимо знать закономерности при небольших значениях вероятности пробоя. Вследствие этого многие авторы вводят понятие нижнего предела электрической прочности Еп, опираясь на физическое представление электрического пробоя. Вероятность электрического пробоя изолятора может быть представлена в виде [21, 34]

(14)
Зависимость вероятности пробоя  от времени испытаний
Рис. 15. Зависимость вероятности пробоя F от времени испытаний t— а [испытания проводились при заданном напряжении 141 (кривая 1), 92 (кривая 2) и 71 кВ (кривая Я); штриховые линии соответствуют вероятности пробоя 63 (Г), 10 (2') и 5% (3')] и зависимость пробивного напряжения U от времени испытаний t — б при заданной вероятности пробоя 5 (кривая /), 10 (кривая 2) и 63% (кривая 3)

В этом случае вероятность пробоя напряженности Е, близкой к E„, будет существенно меньше, чем при исключении из расчетов нижнего предела электрической прочности. Хотя наличие в расчетах значения нижнего предела электрической прочности является обоснованным, однако экспериментальное его определение оказывается весьма сложным. Например, известно [21], что для экспериментальной проверки долговечности изолятора в области малых значений вероятности пробоя, например при 0,01, необходимо использовать около 104 образцов. С другой стороны, при промышленном изготовлении эпоксидных изоляторов часть из них будет иметь дефекты, появление которых обусловлено неконтролируемыми отклонениями технологии изготовления [23] и которые при эксплуатации могут полностью исказить картину долговечности нормальных изоляторов в области малых значений вероятности пробоя.

Рис. 16. Зависимость вероятности пробоя F от времени испытаний t при заданном испытательном напряжении 92 кВ и различных формах электродов

1 — полусферический с искусственной порой; 2 — игольчатый; 3 — коаксиальный

Так, например, при исследовании электрической прочности образцов с активным объемом диэлектрика, равным 230 см3, в области, близкой к 50% вероятности пробоя, параметр nt (рис. 15) оказывается равным 12 (кривая 3, рис. 15,6). Для вероятностных значений электрической прочности, соответствующих 10% nt составляет 9 (кривая 2, рис. 15,6), а при 5%, всего 6 (кривая 1, рис. 15,6). Из этих же данных следует, что параметр бета уменьшается от 0,45 при напряжении 141 кВ (кривая /, рис. 15, а) до 0,15 при напряжении 71 кВ (кривая 3, рис. 15, а). У такого образца при напряжении 92 кВ (кривая 3, рис. 16) в области вероятностных значений пробоя 5% время пробоя оказывается близким к времени пробоя промежутков стержень — плоскость (рис. 16). Упомянутые образцы диэлектрика являются эпоксидной изоляцией токовых шин класса 30 кВ [23]. Наличие в компаунде большого числа дефектных участков при относительно большом активном объеме диэлектрика приводит к снижению параметра р функции Вейбулла. Поэтому оценка срока службы таких конструкций показывает, что они не смогут надежно работать весь необходимый срок.

Рис. 17. Зависимость вероятности пробоя F изоляторов, имеющих частичные разряды (незалитые точки) и не имеющие частичных разрядов (залитые точки) от времени испытаний (масштабы по осям линейны)

На рис. 17 приведены результаты длительных высоковольтных испытаний полномасштабных опорных изоляторов столбикового типа (рис. 14,6) для КРУЭ-420 кВ [36]. Испытания проводились при напряжении 400 кВ относительно земли, т. е. в 1,7 раза превышающем номинальное напряжение. Из рис. 17 видно, что за 700 ч было пробито 20% из 44 изоляторов, т. е. 9 шт. За 5000 ч было пробито еще 4 изолятора. Очевидно, что за 700 ч были пробиты дефектные изоляторы, а за остальное время происходили пробои нормальных изоляторов. Если для этих «нормальных» изоляторов принять коэффициент tit — 9, то при номинальном напряжении 10% нормальных изоляторов будут пробиты за время, равное тридцати годам. Учет дефектных изоляторов показывает, что при номинальном напряжении за 10 лет будет пробито 20% изоляторов. Следовательно, при наличии в КРУЭ примерно 100 изоляторов аварии будут происходить в среднем через 6 мес.,                   что при существующей технологии изготовления опорных изоляторов целесообразно проводить их контрольные испытания в течение 700 ч при напряжении 1,7Uном. Если технология изготовления эпоксидной изоляции будет такова, что t  увеличится до 12, то при таких контрольных испытаниях 10% нормальных изоляторов могут быть пробиты уже за 150 лет, а не за 30 как при nt — 9. Подобная отбраковка дефектных изоляторов может иметь место лишь в том случае, если соотношение 'времени до пробоя у нормальных изоляторов к времени до пробоя у дефектных достаточно велико. В противном случае [23] контрольные испытания не позволяют выявить все дефектные изоляторы.
Длительные испытания могут достаточно надежно определить качество технологии изготовления изоляторов и отбраковать дефектные изоляторы, однако они сравнительно трудоемки. В этой связи идут активные разработки способов определения дефектных изоляторов с помощью неразрушающих методов, таких, как, например, измерение заряда частичного разряда Q4.P.                     Этот метод широко используется в практике для исследования различных образцов диэлектриков, особенно неоднородных, имеющих внутренние поры. Именно к этому типу можно отнести и эпоксидный компаунд, представляющий собой полимер с наполнителем, имеющий заполненные газом поры. Согласно закону Пашена пробивная напряженность этих пор уменьшается с увеличением их размеров. Как показали исследования компаунда КФ-1 [24], наличие пор с размером примерно 0,1 мм и более приводит к снижению его электрической прочности. У такого компаунда допустимое значение Q4.p оказывается равным 10 пКл [37]. При этом основное число пор расположено в активном объеме диэлектрика с небольшим размером активной площади, а внутренняя полость пор гладкая. При наличии гладкой внутренней поверхности пор основное время для образования пробоя определяется временем локализации заряда частичного разряда на поверхности поры. Если диэлектрик имеет большую активную площадь, где расположен контактный переход проводник — диэлектрик, то внутренняя поверхность пор может включать в себя поверхность металлических электродов. Наряду с этим известно [38], что время пробоя изоляторов, твердый диэлектрик которых имеет поры с шероховатой поверхностью, оказывается почти на два порядка меньше, чем изолятор с порами в диэлектрике, имеющими гладкую поверхность. Исследования компаунда с активной площадью 140 см2 [39] показали, что допустимое значение Q4.P составляет для него около 1 пКл. Закономерности пробоя такого изолятора при различных значениях Q4.p и напряженности электрического поля могут быть представлены в виде эмпирической формулы
(15)
где Ew = 23 кВ/мм; Ет0 — 11 кВ/мм; Q0 = 0,25 пКл; U — 1 ч.

Из этой формулы можно определить зависимость срока службы изоляции от напряженности поля при заданном допустимом значении Q4 (рис. 18). Так, при значении заряда частичного разряда, равном или меньшем 0,25 пКл и Ет < 19 кВ/мм параметр fit = 13,5, при Ет > 18 кВ/мм параметр nt = 20 и более. Для заряда частичного разряда, соответствующего 1,0 пКл и Ет < 14 кВ/мм коэффициент tit при длительных испытаниях составляет 8,5—6. Экспериментально установлено, что при напряженности поля, близкой к напряженности пробоя в течение 1 мин, канал пробоя проходит мимо искусственных пор, частичный разряд при этом Ск.р = = 1 пКл. Однако при небольших значениях напряженности поля, например 10 кВ/мм, канал пробоя проходит только через искусственную пору. И, наконец, у изолятора, имеющего Q4.р > 5-ь-10 пКл, отмечено снижение и напряженности пробоя, происходящего в течение 1 мин.
Данные о допустимых значениях Q4.P, установленные при изучении образцов эпоксидного диэлектрика, не могут быть непосредственно использованы при измерении заряда частичного разряда, у полномасштабных изоляторов. Действительно, энергия, выделяемая при частичном разряде, определяется не только значением заряда частичного разряда qu но и напряжением U31 при его появлении (зажигания) у рассматриваемого образца. Поэтому такой же источник заряда частичного разряда, но расположенный внутри изолятора с большим межэлектродным расстоянием будет иметь большее напряжение U32 появления частичного разряда и меньшее значение заряда q2, причем

Рис. 18. Расчетные зависимости времени жизни опорного изолятора, изображенного на рис. 1, для разных значений заряда Q4.P (в пикокулонах): 0,25 (кривая /), 0,5 (2), 0 (5), 2,0 (4), 5,0 (5), 10 (6), 20 (7); кривая 8 построена на основании данных работы [19], кривая 9 — для изолятора с искусственными порами.



Эффективность отбраковки изоляторов, имеющих частичные разряды, оказывается достаточно велика. Так, например, из 17 опорных изоляторов класса 400 кВ [36] с зарядом частичного разряда, превышающем допустимое значение, 14 были пробиты в течение менее 100 ч при напряжении, равном l,7Uном [36].
В настоящее время допустимое значение Q4.p в эпоксидном диэлектрике регламентировано только для высоковольтных вводов [14] и составляет 20 пКл. Однако у таких литых вводов контактный переход проводник —диэлектрик полностью экранируется специальным устройством, а конструктивное исполнение ввода позволяет существенно увеличить длину межэлектродного промежутка и снизить напряженность поля внутри изолятора по сравнению с напряженностью поля в изоляторах КРУЭ.
Приведенные данные по определению допустимого значения заряда частичного разряда относятся к компаундам, которые могут быть использованы для изготовления изоляторов КРУЭ. У других компаундов, предназначенных для других видов изоляции, где возможно наличие открытых пор, или у компаундов с другими наполнителями, например слюдой, закономерности пробоя при наличии частичного разряда могут быть иными.
Следует отметить, что дефектными изоляторами могут быть и те, в которых отсутствует частичный разряд [40]. Так, у компаундов, имеющих в качестве наполнителя нитрид бора, при использовании метода частичного разряда выявилось только 20% дефектных изоляторов. Остальные дефектные изоляторы обнаружились с помощью измерения зависимости tg6 от напряжения [41]. Как показали расчеты, допустимая напряженность изоляторов КРУЭ-110 кВ составляет 1,5 кВ/мм без отбраковки дефектных изоляторов и 4 кВ/мм с отбраковкой.



 
« Измерения на высоком напряжении   Изоляционные характеристики вакуумных дугогасительных камер »
электрические сети