О разработка элегазовых аппаратов постоянного тока

УДК 621.316.5.064.242

Изоляция электрооборудования высокого напряжения и вентильные разрядники. Труды ВЭИ, 1982, выл. 91, с. 38-46.
Приводятся результаты экспериментального исследования электроизоляционных характеристик газовых промежутков и макетов узлов КРУ с элегазовой изоляцией в различных условиях при воздействии постоянного и импульсного напряжения. Даются рекомендации к выбору допустимой напряженности на токоведущих жилах. Исследованы напряжения перекрытия по поверхности изоляторов и влияние дефектов на напряжение перекрытия. Предложены методы улучшения конструкции опорных изоляторов с целью снижения интенсивности загрязнения поверхности проводящими частицами.
Библиогр.: 5.

В. П. Вертиков, О. И. Крылов. И. В. Панкратова
О РАЗРАБОТКЕ ЭЛЕГАЗОВЫХ АППАРАТОВ ПОСТОЯННОГО ТОКА
Опыт разработки и создания элегазовых аппаратов переменного тока показывает их перспективность и высокую экономическую эффективность.

Представляет большой интерес применение элегаза и для изоляции аппаратов постоянного напряжения. В связи с этим необходимо дополнительно исследовать поведение основных изоляционных материалов под действием высокого постоянного напряжения и выделить характеристики, изменяющиеся по отношению к переменному напряжению.
Характеристики пробоя чисто газовых промежутков исследовались в электродных системах следующих типов:

1. однородное поле, L=2 см;
2. цилиндр — плоскость, R=5,25 см, L=8 см;
3. эксцентрические цилиндры с цилиндрической распоркой 4/25 см, L=7,5 см;
4. полусферическое окончание коаксиала, L= 15/45 см.

Выбор электродных систем объясняется тем, что наибольший объем исследований проведен в однородном поле при различных условиях на поверхности электродов и полученные закономерности необходимо было проверить в условиях, близких к условиям эксплуатации.
Электродные системы 2 и 3 моделируют фазную изоляцию трехфазного шинопровода на напряжение 220 кВ, а система 4 представляет собой электростатический экран герметичного изолятора, предназначенного для оборудования сверхвысокого напряжения.
Рис. 1. Напряженность пробоя в различных системах электродов:
1 — закон подобия; 2 — однородное поле, d =0,5 см, постоянный ток; 3 — однородное поле, d =2 см, 50 Гц; 4 — цилиндр — плоскость, 50 Гц; 5 — эксцентрические цилиндры, 50 Гц; 6 — коаксиальные цилиндры, постоянный ток (положительная и отрицательная полярность соответственно); 7 - расчет по выражению Е=40р; 8 — расчет по выражению E=890.

Анализ кривых рис. 1 показывает, что снижение пробивных градиентов вызывается ростом площади электродов с максимальной напряженностью, причем при площади свыше 500 см2 степень обработки поверхности очень слабо влияет на электрическую прочность. Пробивные градиенты для электродных систем 3 и 4 при постоянном и переменном напряжениях весьма близки друг к другу при отрицательной

полярности внутреннего электрода (кривые 5, 6). При положительной полярности средние пробивные градиенты примерно на 15% выше, что является отражением факта существования эффекта полярности в слабонеоднородных электростатических полях даже в условиях, близких к условиям эксплуатации аппаратов с элегазовой изоляцией. В [1,3] показано, что с ростом площади электродов напряженность пробоя элегазовых промежутков падает до некоторого значения, не зависящего от способа обработки поверхности электродов. Исследования влияния шероховатости поверхности электродов на электрическую прочность в однородном поле [1] показали, что даже при небольшой площади электродов с шероховатостью около 150 мкм напряженность искрового пробоя при первых приложениях постоянного напряжения близка к минимальной и определяется условием коронной стабилизации за счет зажигания коронного разряда на микровыступах поверхности. Измерения предразрядной напряженности в системе гиперболоид — плоскость с радиусом закругления 0,01 см, проведенные с помощью плоского зонда методом, описанным в [4] , подтвердили предположение о коронной стабилизации. Полученные градиенты у поверхности плоскости перед искровым пробоем совпадают с минимальными пробивными градиентами электродных систем больших размеров. Кривая 8 (рис. 1) показывает зависимость напряженности пробоя от давления элегаза в условиях коронной стабилизации. В области исследованных давлений (0,1—0,5 МПа) эта зависимость хорошо описывается простым эмпирическим соотношением: Е =. , где р - В МПа, Е — в МВ/м.
Эта зависимость может быть рекомендована для выбора основных габаритных размеров промежутков с элегазовой изоляцией для аппаратов постоянного тока. Поскольку при разработке таких аппаратов размеры конструкций, работающих при положительной и отрицательной полярностях внутреннего электрода, выбираются одинаковыми, эффект полярности здесь не должен учитываться, а расчет следует проводить для отрицательной полярности.
В некоторых случаях возникает необходимость определения "напряженной" площади электродов, т. е. той части электрода, с которой возможно развитие разряда. Для обоснования выбора граничной напряженности часто используются стандартные значения отклонения напряжений пробоя. В данной работе была проведена статистическая обработка результатов совместно с исследованием распределения поля по поверхности электрода. Оказалось, что пробои при постоянном напряжении развиваются с поверхности, где напряженность превышает 85% максимальной, при этом стандартное отклонение составило 15%. Такое же удовлетворительное соотношение между стандартным отклонением
и относительной напряженностью на границе "напряженной" площади получено для электродных систем цилиндр - плоскость и стержень с полусферическим окончанием - плоскость.
Таким образом, экспериментально подтверждено наличие прямой связи между "напряженной" площадью электрода и стандартным отклонением напряжений пробоя.
Для лабораторных исследований характерна высокая чистота изоляционных промежутков. Но в реальных условиях это выполнить весьма трудно. В аппаратах с большим объемом практически невозможно добиться полного отсутствия загрязнений (проводящих и диэлектрических) . В связи с этим проводятся специальные исследования, целью которых является изучение поведения свободных частиц в газовом промежутке под действием сил электрического поля и их влияния на электроизоляционные характеристики.
Размеры и форма проводящих частиц, встречающихся в аппаратах после монтажа, исследовались на реальных образцах, выпускаемых опытным заводом. Оказалось, что частицы имеют форму, близкую к сферической при размерах до 2 мм, и вид чешуек толщиной 0,1 — 0,5 мм неправильной формы. Масса одиночных частиц изменяется от 0,02 до 0,1 г.
Согласно данным [5] снижение электрической прочности промежутков на 20—25% наблюдается, если свободные частицы имеют размер более 1 мм и высокий коэффициент усиления поля.
Характеристика пробоя для таких частиц при постоянном напряжении за счет коронной формы разряда имеет типичный вид характеристики промежутка с резконеоднородным полем, с ярко выраженным снижением напряжений пробоя до уровня начальных, как только давление газа превышает некоторое критическое. Для частиц сферической формы такое явление в исследованном (0,1—0,6 МПа) диапазоне давлений и диаметров частиц [2] не наблюдалось, а напряжения пробоя монотонно снижались с ростом диаметра сферы.
В целях получения дополнительной информации о явлениях, сопровождающих движение частиц, были проведены эксперименты в коаксиальном промежутке с размерами 0,65/2 см. В промежуток помещались цилиндрические и сферические частицы. Оказалось, что для цилиндрических частиц характерны два вида поведения под действием поля - движение с пересечением всего промежутка и зависание вблизи поверхности внутреннего электрода.
Сферические частицы правильной формы диаметром 0,2 мм преимущественно движутся в промежутке, а неправильной имеют тенденцию к прилипанию на поверхность внутреннего цилиндра.

Во всех случаях движение частиц сопровождается прохождением в промежутке тока 10-9—10-3 А, состоящего из последовательных импульсов. При зависании частиц ток резко возрастает и наблюдается зажигание стационарного коронного разряда. Хорошо видно, что частица не касается внутреннего электрода, а электрически связана с ним светящимся каналом. Явление зависания достаточно устойчиво наблюдается в течение нескольких десятков секунд, и при подъеме напряжения пробои развиваются с конца частицы.

Напряжения пробоя слабо зависят от положения частицы в промежутке и от ее поведения, если пробою предшествует либо движение, либо зависание. На рис. 2 показаны характеристики промежутка без частицы, а также напряжение начала движения. В отличие от движения частиц под действием переменного напряжения, когда амплитуда скачков плавно возрастает с повышением напряжения [2], при постоянном напряжении частицы пересекают весь промежуток, как только напряжение становится достаточным для отрыва. Это различие приводит к большой чувствительности постоянного напряжения к загрязнениям по сравнению с переменным. Акустический шум, возникающий при ударе частицы об электроды, при одном и том же напряжении сильнее на постоянном напряжении, что позволяет при относительно небольшом напряжении контролировать качество сборки аппарата ультразвуковым детектором.
Хорошо известно, что наиболее слабым местом изоляционных конструкций с элегазовой изоляцией является поверхность опорных и герметичных изоляторов. Несмотря на то что при разработке конструкции стремятся снизить напряженность в месте установки изоляторов, осаждение проводящих частиц на поверхность все же может приводить к пробою.

Рис. 2. Зависимость напряжения пробоя от давления для коаксиального промежутка размерами   R1/R2= 0,65/2:
7 — чистый промежуток; 2 — пробои с алюминиевой частицей (l= 0,1 см, d=0,02 см), импульсное напряжение положительной полярности ; 3 — то же, что и 2, отрицательная полярность; 4 — пробои с медной частицей (l= 0,3 см, d= 0,02 см) , импульсное напряжение положительной полярности; 5     — пробои с алюминиевой частицей
(l = 0,5 см, d =0,05 см), постоянный ток; 6 — начало движения частиц ( l— 0,3 см, d = 0,1 см)

Рис. 3. Характеристики пробоя по поверхности в однородном поле при постоянном напряжении:
1 — пробои с распорки; 2 — загрязнения  поверхность распорки; 3 — чисто газовый промежуток; 4 — распорка с проточкой; 5 — на распорке закреплена цилиндрическая частица; 6 — закон подобия
Существует мнение, что при постоянном напряжении за счет поверхностной проводимости искажается распределение напряженности вдоль поверхности диэлектрика, и это снижает разрядные градиенты.

Исследования условий пробоя по поверхности эпоксидного изолятора в атмосфере элегаза в однородном поле показали, что при небольшой высоте цилиндрических образцов (0,5—2 см) снижение электрической прочности составляет не более 5% прочности чисто газового
промежутка. Причем можно показать, что это вызывается наличием тонкой газовой прослойки в месте контакта диэлектрика с электродами. На рис. 3 приведены данные, полученные в однородном поле с изолятором, изготовленным из эпоксидного компаунда высотой 1 см (кривая 7).
При загрязнении поверхности проводящими частицами диаметром 0,2 мм напряжения пробоя резко снижаются и практически не возрастают с ростом давления выше 0,15 МПа (кривая 2).
Влияние большой газовой прослойки между электродом и диэлектриком иллюстрируется кривой 4. В этом случае с одной стороны распорки была сделана проточка глубиной 3 мм и образована прослойка толщиной 0,2 мм. Напряжения пробоя снизились и в пределах разброса оказались одинаковыми как при положительной, так и при отрицательной полярностях напряжения. В то же время ток в промежутке при положительной полярности электрода оказался в среднем на два порядка выше, чем при отрицательной.
В отличие от вольт-амперных характеристик газового промежутка с выступом на электроде[3] вольт-амперные характеристики для всех давлений дают одну общую зависимость, т. е. при любом давлении заданному напряжению соответствует примерно один и тот же ток. Это свойство разряда в прослойке газа может быть использовано для обнаружения и идентификации таких дефектов в собранных элегазовых аппаратах.
Средние значения напряжения пробоя чисто газового промежутка показаны кривой 3. Интересно отметить, что при давлении элегаза 0,1-0,2 МПа пробои по поверхности чередуются с пробоями газового промежутка, при давлении выше 0,3 МПа все пробои развиваются по поверхности.
Как указывалось выше, проводящие частицы при движении под действием постоянного напряжения пересекают весь промежуток. Перемещение их в осевом направлении имеет хаотический характер, но при попадании в зону с резким снижением напряженности, например в конце коаксиальной электродной системы, частицы прекращают движение. Если в промежутке на пути движения частиц установлен опорный или герметичный изолятор, то в некоторых случаях частицы оседают на его поверхность. Места наибольшей концентрации частиц, как показали опыты с различными распорками, меняются с изменением формы изолятора. Расчет распределения напряженности электрического поля, нормальной и тангенциальной составляющих проводился методом дифференциальных уравнений на ЭВМ "Минск-22". Оседание частиц исследовалось в атмосферном воздухе в электродной системе, представляющей собой цилиндр диаметром 10 см, находящийся внутри цилиндра диаметром 30 см с межэлектродным зазором 5,2 см. Между электродами устанавливались исследуемые изоляторы.
Частицы диаметром 0,3—1 мм и плоские частицы размером 3x5 мм насыпались вблизи изолятора. Когда напряжение поднималось до значения, при котором частицы движутся, наблюдалась фиксация некоторых частиц на поверхности изоляторов. Анализ распределения поля показал, что для удержания частиц на поверхности необходимо, чтобы нормальная составляющая напряженности была достаточна для создания прижимающей силы, равной массе частицы. Например, для плоских частиц 21 кВ/см, а для сферических > 15 кВ/см, что рассчитано из условия;             — заряд частицы).
Поэтому места осаждения частиц различной массы отличаются. Размер частиц, которые могут оставаться в собранном аппарате, не превышает 1 мм, поэтому нормальная составляющая напряженности на поверхности изолятора для частиц сферической формы не должна превышать 1 кВ/см.
Для того чтобы снизить интенсивность загрязнения, необходимо создать такую форму изолятора, чтобы напряженность во всех точках была ниже, чем в газовом промежутке. Тогда частицы при движении не будут приближаться к изолятору.
При напряжении промышленной частоты осаждения частиц на поверхность изолятора не наблюдалось. Вероятно, прилипание металлических частиц к изоляторам при постоянном напряжении вызывается
тем, что частицы имеют заряд электрода, с которым они контактировали, и при контакте с диэлектриком за счет высокого сопротивления утечки (около 10-5 Ом) этот заряд нейтрализуется медленно, что способствует удержанию частицы. Направление вектора напряженности регулирует траекторию движения частиц. Если первоначально частица лежит в нижней части оболочки, то под действием сил поля в первой фазе движения она будет двигаться к внутреннему электроду, где напряженность максимальна. При контакте с электродом частица быстро перезарядится, возникнет сила отталкивания, которая вместе с силой тяжести заставит двигаться ее вниз, преимущественно по силовым линиям поля. Если имеется составляющая вектора напряженности, направленная к распорке, то частица может прилипнуть к распорке и оставаться на ней в течение длительного времени. При переменном напряжении смена полярности приводит к возникновению отталкивающей силы, которая очищает поверхность изолятора от осевших частиц. В связи с этим при разработке изоляторов для аппаратов постоянного тока необходимо выбрать такую форму поверхности, когда выполняются два условия — напряженность вблизи поверхности на 10% ниже напряженности в газовом промежутке и нормальная составляющая напряженности не выше 1 кВ/см.
В крупногабаритных устройствах трудно получить необходимую степень очистки и обеспыленности обычными способами, в особенности при сборке на месте монтажа, поэтому необходимо в комплекс предпусковых испытаний вводить электростатическую очистку. В этом случае имеющиеся в изоляционном пространстве свободные проводящие частицы будут двигаться и хаотически перемещаться в аксиальном направлении. Если на пути движения частиц встретятся потенциальные ямы, то частицы, попадая в них, перестанут быть активными инициаторами пробоя. Конструкция ловушек может быть различной — перфорированные экраны, щели, цилиндрические углубления и т. д.
Независимо от конструкции ловушка должна удовлетворять следующим требованиям: отсутствие залипания частиц на краях ловушки и предотвращение их повторного вылета в процессе эксплуатации. В соответствии с этими требованиями предлагается ловушки в виде поперечных щелей выполнять шириной 5, глубиной 6,5 мм с закруглениями кромок канавки по R5. Расчет распределения напряженности показывает, что в этом случае напряженность на скруглении ниже, чем на токоведущей жиле, что предотвращает залипание частиц, а напряженность на дне в 10 раз меньше, чем у поверхности оболочки. Для предотвращения выпадения частиц из ловушки при перемещении частей аппарата и при вибрации желательно смазать дно невысыхающим вазелином на кремний-органической основе, например КВ-3.

Список литературы

1. Вертиков В. П. Разрядные характеристики промежутков с микронеоднородностями в сжатом элегазе. - Электротехническая промышленность. Сер. Аппараты высокого напряжения, трансформаторы, силовые конденсаторы, 1977, вып. 10 (78), с. 14—16.
2. Шпек Н., Бертхольд В. Движение частиц и пробои элегазовой изоляции. — Докл. ВЭЛК, М., 1977, секция 2, дэкл. 110, с. 1—16.
3. Воtnik I. Μ., Vertΐкον V. Р. То the calculat ion of gaseons - SF6 - insulation. — Proc. Int. High Votage Symp. Zurich, 1975, vol. 2, p. 337-342.
4. Tassicker O. Bonndary probe for measurement of current density and electric — field stnenght — wiht sipesial reference to ionised gases. - Proc. IEE, 1974, vol. 121, № 3, p. 213-219.
5. Cookson A., Farish О., Sommepmann G. Effect of conducting partiehes an AC corona and breakdomn in SF - IEEE Trans. Power Appar. and Syst., 1972, vol. 91, № 4, p. 71-74.