Электрическая прочность внешней изоляции разрядников.
При воздействии на вентильный разрядник перенапряжений, опасных для защищаемой разрядником изоляции, должны пробиваться его искровые промежутки и не должен иметь место разряд в каком-либо ином месте разрядника. Поэтому предъявляются соответствующие требования к электрической прочности внешней изоляции разрядников1.
Следовало бы иметь также нормы и методы испытаний внутренней изоляции разрядников. Однако пока такие нормы и методы отсутствуют.
Согласно терминологии ГОСТ 1516—68 внешней изоляцией электрооборудования называют ту часть его изолирующего устройства (конструкции), где изолирующей средой является окружающий воздух и электрическая прочность которой определяется пробоем воздушных промежутков или перекрытием в воздухе но изолирующим поверхностям. Основным признаком внешней изоляции является зависимость электрической прочности от атмосферных условий.
К электрической прочности внешней изоляции разрядников предъявляются требования выдерживать такие же напряжения, на какие рассчитана и внешняя изоляция электрических аппаратов соответствующего класса напряжения. Испытания электрической прочности внешней изоляции производятся при напряжении переменного тока частоты 50 Гц в сухом состоянии и под дождем, а также импульсными испытательными напряжениями полной волны 1,5/40 мксек и волны, срезанной при предразрядном времени 2 мксек.
Методика испытаний электрической прочности внешней изоляции разрядников отличается от соответствующих испытаний внешней изоляции других электрических аппаратов высокого напряжения, так как при испытании внешней изоляции разрядников должна быть исключена возможность пробоя искровых промежутков разрядника (пробивное напряжение искровых промежутков ниже, чем соответствующие требования к внешней изоляции разрядника) и нагрева шунтирующих сопротивлений, искажающего распределение напряжения по внешней изоляции разрядника.
Исключить пробой искровых промежутков до напряжений, которым должна отвечать электрическая прочность внешней изоляции разрядников, можно путем заполнения внутренней полости разрядников газом повышенного давления, увеличением зазоров промежутков или удалением промежутков из разрядника.
Для того чтобы исключить чрезмерный перегрев ШС во время испытаний внешней изоляции напряжением переменного тока частоты 50 Гц, должна быть обеспечена достаточно большая скорость повышения испытательного напряжения. Так как при быстром повышении напряжения частоты 50 Гц разряд по смачиваемой дождем изоляционной поверхности происходит при более высоком напряжении, чем при повышении напряжения в течение нескольких десятков секунд, как предусмотрено ГОСТ 1516—68 для других электрических аппаратов, в 1981 указывается, что при испытании внешней изоляции вентильных разрядников с ШС при частоте 50 Гц под дождем напряжение должно повышаться с такой же скоростью, как при измерении пробивного напряжения разрядников, но до более высоких значений, на 20% выше чем испытательное напряжение, нормируемое ГОСТ 1516—68 для внешней изоляции аппаратов соответствующего класса напряжения.
В ряде случаев при испытании электрической прочности внешней изоляции разрядников для исключения пробоя искровых промежутков или перегрева ШС внутренние детали из разрядников удаляют. При проведении таких испытаний приходится иметь в виду, что распределение напряжения по внешней изоляции изменяется по сравнению с распределением напряжения по ней при нормальной работе разрядников. Однако это изменение обычно приводит лишь к тому, что проверка электрической прочности внешней изоляции производится с некоторым запасом, так как распределение напряжения по внешней изоляции искажается в неблагоприятном для ее загрузки направлении.
Надежность работы изоляции разрядников при рабочем напряжении, что существенно в условиях ее загрязнения и увлажнения, так же как и для других электрических аппаратов высокого напряжения, может быть оценена в первом приближении длиной пути утечки по внешней изоляции разрядников. У вентильных разрядников загрязнение может привести не только к перекрытию внешней изоляции, как у других электрических аппаратов, но также и к ухудшению некоторых основных характеристик разрядников (пробивное напряжение, дугогасящая способность). Поэтому до разработки других, более развернутых, требований к разрядникам с точки зрения работы их в условиях загрязнения длину путей утечки разрядников принимают на 20% большей, чем для других аппаратов соответствующих классов напряжения.
Механическая прочность разрядников.
Одной из характеристик вентильного разрядника, влияющей на его эксплуатационную надежность, является механическая прочность конструкции. Эта характеристика имеет большее значение для разрядников более высокого номинального напряжения, так как при его повышении увеличивается высота разрядников, что приводит к увеличению механических нагрузок на разрядники от давления ветра и тяжения присоединяемых к ним токоведущих проводов.
Для разрядников, которые выпускались в соответствии с ГОСТ 8934—58 и 10257—62, гарантировалась механическая прочность, достаточная, чтобы выдерживать давление ветра со скоростью 25 м/сек при дополнительном тяжении провода в горизонтальном направлении не менее 30 кГ (300 н) для разрядников на номинальное напряжение 35 кВ и ниже и не менее 20 кГ (200 н) — для разрядников 110—500 кВ. К некоторым более ответственным конструкциям разрядников (комбинированные разрядники на 330 и 500 кВ) предъявляется требование выдерживать давление ветра со скоростью до 40 м/сек.
Большая механическая прочность разрядников предусматривается в [98]: они должны выдерживать давление ветра со скоростью 30 м/сек (по специальным требованиям 40 м/сек) при дополнительном тяжении провода в горизонтальном направлении 30 кГ (300 н) для разрядников до 35 кВ включительно и 50 кГ (500 н) — для разрядников более высокого напряжения. Такую механическую прочность имеют опытные магнитно-вентильные разрядники РВТ [93].
Механическая прочность разрядников проверяется соответствующими испытаниями.
Конструкция вентильных разрядников разрабатывается исходя из соображений обеспечить ее механическую прочность, достаточную для того, чтобы она выдерживала вышеуказанные механические воздействия с коэффициентом запаса не менее 2,5—3.
При эксплуатационной проверке механической прочности разрядников их внутренние детали могут быть удалены. Испытания проводятся так же, как испытания на изгиб опорных изоляторов, применяемых в других электрических аппаратах высокого напряжения.
Проверку механической прочности разрядников в собранном виде производят также в аэродинамической трубе, в которой создается ветер заданной силы [137]. Такие испытания особенно целесообразны для уточнения методики расчета конструкций разрядников, механическая прочность которых трудно поддается расчету.
В рекомендациях МЭК на разрядники и в подавляющем большинстве зарубежных стандартов требования к механической прочности разрядников отсутствуют.
Взрывобезопасность. В некоторых странах вентильные разрядники характеризуются также величиной тока короткого замыкания, который они могут выдерживать без разрушения фарфоровых покрышек или с их разрушением, но без разлета осколков фарфора от взрыва, могущих повредить соседнее оборудование или привести к несчастному случаю.
Соответствующее испытание на взрывобезопасность по рекомендациям МЭК (210) проводится лишь у разрядников, снабженных предохранительными устройствами для разгрузки от чрезмерного внутреннего давления, Внутри разрядника создаются условия для выделения газов и повышения давления аналогично тому, как это бывает при повреждении разрядника. Для этого искровые промежутки и последовательное сопротивление шунтируются тонкой проволокой. Испытания разрядников на номинальный разрядный ток 10 ка проводятся в течение 0,2 сек током 10—40 ка (в зависимости от класса предохранительного устройства), а также током 800 а до момента открытия предохранительного клапана.
Опыт эксплуатации отечественных разрядников, имевших довольно высокий уровень пробивных напряжений, показывает, что случаи повреждений их во время работы немногочисленны (см. § 5-5) и повреждений соседнего оборудования, как правило, не отмечается. Дефектные же разрядники обычно выявляются регулярно проводимыми профилактическими испытаниями. Однако так как новые типы разрядников высших классов напряжения, имея более низкие относительные пробивные напряжения, будут все шире применяться для ограничения коммутационных перенапряжений, возможно срабатывание разрядников при тяжелых, но редких внутренних перенапряжениях, на которые разрядники не рассчитываются. Поэтому более ответственные современные вентильные разрядники снабжаются предохранительными устройствами, исключающими при повреждении внутри разрядников повышение внутреннего давления до значений, вызывающих взрыв фарфоровых покрышек разрядников (см. § 4-4 и 4-5).
Ток проводимости и ток утечки.
Одной из особенностей вентильного разрядника, характеризующей его конструкцию, является ток проводимости пли ток утечки (соответственно для разрядников, имеющих ШС или их не имеющих). С помощью измерения тока проводимости или утечки контролируется правильность сборки разрядников на заводе-изготовителе, а также его состояние в процессе эксплуатации (см. § 5-2).
Токи проводимости (утечки) разрядников измеряются при постоянном (выпрямленном со сглаженными пульсациями) напряжении, что позволяет применять для их измерения более точные приборы магнитоэлектрической системы; кроме того, на результаты измерений не влияют емкостные токи.
У разрядников, состоящих из нескольких элементов, измерения токов проводимости производятся поэлементно. В конструкциях разрядников, имеющих элементы только с последовательными сопротивлениями без искровых промежутков, у соответствующих элементов измерения токов проводимости (утечки) не производятся.
Величины напряжений, при которых измеряются токи проводимости (утечки), указываются разработчиком или изготовителем разрядников и обычно принимаются близкими к эффективным значениям номинального или наибольшего допустимого напряжения на разряднике.
Токи утечки исправных разрядников, не имеющих ШС, не превышают единиц микроампер. Наличие повышенного тока утечки у такого разрядника указывает на неисправность разрядника: увлажнение или загрязнение его внутренней полости, повышенную электропроводность изоляционных прокладок искровых промежутков или покрышки разрядника и т. п.
В разряднике с шунтирующими сопротивлениями при приложении к его зажимам высокого напряжения протекает ток проводимости, величина которого зависит от конструктивных особенностей разрядника. Токи проводимости разрядников с ШС при приложении рекомендуемых заводом-изготовителем постоянных напряжений составляют десятые или сотые доли миллиампера, а в некоторых конструкциях несколько превышают один миллиампер.
Отклонение величины тока проводимости от значений, заданных для соответствующей конструкции, свидетельствует о неисправности разрядника.
В разрядниках РВС и магнитно-вентильных разрядниках РВМ до номинального напряжения 35 кВ включительно токи проводимости при заданных для соответствующих разрядников постоянных напряжениях составляют около 0,6 ма, в магнитно-вентильных разрядниках РВМГ на номинальные напряжения 110 кВ и выше, а также в разрядниках РВМК-П — около 1,2 ма. Перед пробоем искровых промежутков в различных типах этих разрядников амплитуды токов через ШС возрастают до 20—50 ма.
В зарубежных разрядниках токи проводимости либо того же порядка, что в отечественных разрядниках, либо меньше.
Большие значения токов проводимости обеспечивают лучшее распределение напряжения по искровым промежуткам разрядников в режимах дугогашения и пробоя, однако при этом имеют место большие перегревы внутренних деталей разрядников как иод действием рабочего напряжения, так и при измерениях пробивного напряжения разрядников в процессе их испытаний. Поэтому при измерениях пробивного напряжения разрядников с нелинейными ШС и большими токами проводимости существенно ограничивают время подъема напряжения до момента пробоя искровых промежутков (в отечественных разрядниках не более 0,5 сек), что затрудняет проведение соответствующих испытаний, особенно при профилактике в условиях эксплуатации.
Подогрев разрядников токами проводимости в условиях эксплуатации имеет также положительную сторону: он затрудняет проникновение влаги внутрь разрядника в случае нарушения его герметичности, а также оседание влаги на наружной поверхности фарфоровых покрышек разрядников.
Степень нагрева деталей разрядника под действием токов проводимости при рабочем напряжении является одним из показателей эксплуатационной надежности разрядника — чрезмерные перегревы, которые особенно возрастут в случае продолжительного повышения напряжения на разряднике сверх рабочего напряжения, могут привести к повреждению разрядника. Наиболее значительные и продолжительные повышения напряжения на разрядниках могут иметь место в сетях с изолированной нейтралью при замыкании одной фазы на землю (особенно, если в режим работы сети с изолированной нейтралью попадает при отключении трансформаторов, имевших заземленную нейтраль, разрядник, предназначенный для работы в сети с заземленной нейтралью), на разрядниках, присоединенных к изолированным нейтралям трансформаторов в сетях с заземленной нейтралью при неполнофазных операциях выключателей и пр. Поэтому электропроводность шунтирующих сопротивлений и ее нелинейность характеризуют величину напряжения, при которой разрядник может находиться продолжительное время, т. е. также влияют на его эксплуатационную надежность.
В различных конструкциях отечественных разрядников с ШС установившийся перегрев внутренних деталей при нахождении разрядников под действием фазного напряжения составляет единицы или десятки градусов. При приложении напряжения, равного наибольшему допустимому, он составляет десятки градусов и в некоторых конструкциях приложение такого напряжения к разрядникам без ограничения времени недопустимо (см. § 3-1).
Герметичность.
Так как все выпускаемые в настоящее время вентильные разрядники переменного тока могут применяться на открытом воздухе, для обеспечения их эксплуатационной надежности и стабильности характеристик должна быть обеспечена герметичность конструкций.
Нарушение герметичности разрядников ухудшает характеристики как искровых промежутков (изменение, обычно снижение, пробивного напряжения, возможность пробоя изоляционных прокладок и пр.), так и последовательных и шунтирующих сопротивлений (изменение электропроводности, снижение пропускной способности). Все современные конструкции вентильных разрядников герметичны. Поддержание их герметичности является одним из важнейших условий безаварийной работы разрядников в эксплуатации. Испытание разрядников на герметичность производится, как указано в § 3-10.
