2. Уровень изоляции электрооборудования
Уровень изоляции электрооборудования — это нормированные испытательные напряжения грозовых и коммутационных импульсов (для электрооборудования 330 кВ и выше), грозовых импульсов и кратковременного напряжения промышленной частоты, (для электрооборудования до 220 кВ), отнесенные к определенным условиям испытания.
Основой для нормирования испытательных напряжений является требование о том, чтобы данное электрооборудование в целом — все элементы его внутренней и внешней изоляции — в эксплуатационных условиях выдерживало грозовые и внутренние перенапряжения, принятые для электрооборудования в качестве расчетных воздействий на его зажимах. Согласно стандарту МЭК 71.1 «Координации изоляции», классификация воздействующих на изоляцию напряжений с точки зрения их форм и длительностей, а не природы происхождения. Испытательные напряжения выбираются как эквивалент этим перенапряжениям с учетом свойств внутренней и внешней изоляции, обуславливающих различие ее прочности в нормальных условиях испытания и в эксплуатации. При установлении испытательных напряжений внутренней изоляции учитывается снижение ее электрический прочности при перенапряжениях в условиях эксплуатации по сравнению с прочностью при типовом испытании неработавшей изоляции. Для трансформаторов (силовых и напряжения) и реакторов (шунтирующих и заземляющих) принимается во внимание повышение перенапряжений на элементах изоляции обмоток при воздействии импульсов в эксплуатации на возбужденный трансформатор или реактор по сравнению с перенапряжениями при отсутствии возбуждения трансформатора во время проведения импульсного испытания. Для внешней (воздушной) изоляции учитывается снижение разрядных (выдерживаемых) напряжений при атмосферных условиях, возможных в эксплуатации (высота установки электрооборудования 1000 м над уровнем моря), по сравнению с разрядными напряжениями при нормальных атмосферных условиях.
3, Процедура координации изоляции
Процедура координации изоляции, принятая МЭК, представлена на рис. 1. Она потребовала введения ряда новых определений, уточнений и детализации. Здесь первым и наиболее сложным шагом (после анализа воздействующих напряжений) является выбор представительных перенапряжений (с7п), т. е. напряжений стандартной формы, и нормированного распределения перенапряжений между электродами в многоэлектродной системе, действие которых на изоляцию при реальных условиях эксплуатации эквивалентно фактическим воздействиям перенапряжений.
Рис. 1. Структурная схема для определения нормированных стандартных уровней изоляции:
Фактически воздействия перенапряжений могут быть представлены в виде определенного числа «к» типичных форм и максимальных значений (рис. 2, а), или в виде нескольких функций плотности распределений максимальных значений.
Представительное перенапряжение может быть определено в виде единичного (расчетного) воздействия с предполагаемым максимумом Uu (рис. 2, г) или распределением максимумов отдельных воздействий (рис. 2, в, д.). Выбор представительного перенапряжения предполагает принятие некоторого риска повреждения изоляции в эксплуатации, пренебрегая значениями перенапряжений с весьма малой вероятностью появления.
Рис. 2. Выбор представительных перенапряжений.
Риск определяется на основе анализа опыта эксплуатации. Выбор представительного перенапряжения предполагает также установление соотношений между электрической прочностью изоляции при стандартных в нестандартных (эксплуатационных) формах импульсов.
В случае, если представительное перенапряжение характеризуется значением предполагаемого максимума (рис. 2, г), что предопределяет детерминистский подход к координации изоляции, необходимо учитывать частость появления перенапряжений с наибольшими значениями в случаях, когда метод выбора изоляции предполагает заданную вероятность ее повреждения. Для многоэлектродной системы необходим также учет распределения напряжения между электродами при определении электрической прочности изоляции. Причем, последнее может относиться не только к внешней, но и к внутренней изоляции оборудования. Следует также учитывать возможное влияние наложения перенапряжения на рабочее напряжение. На рис. 2 представлена последовательность выбора представительного перенапряжения.
Дальнейшим шагом является установление координационного выдерживаемого (обычно с вероятностью 90 или 100% в зависимости от метода испытаний) напряжения с7вк, обеспечивающего приемлемый риск повреждения изоляции в условиях эксплуатации при воздействии представительного перенапряжения. По сути, это связано с учетом статистических характеристик изоляции и перенапряжений и надежностью их оценки*.
В практическом плане оценить все влияющие факторы, как правило, не представляется возможным, особенно для внутренней изоляции ввиду ограниченного объема экспериментальных данных*. В связи с этим вводится так называемый коэффициент координации Кк, учитывающий в обобщенной форме все указанные влияющие факторы, значение которого в значительной степени определяется на основе обобщения мирового опыта координации изоляции. В этом случае координационное выдерживаемое напряжение получается умножением значения представительного перенапряжения на коэффициент координации.
* Это особенно усугубляется тем фактором, что речь идет об очень малых вероятностях повреждения в условиях эксплуатации.
Если выбор конструкции изоляции и ее методов испытаний проводится на статистической основе, мы получаем статистическое координационное выдерживаемое напряжение. Следует отметить, что установить статистическое координационное выдерживаемое напряжение можно без промежуточного определения представительного перенапряжения. Это возможно, когда риск повреждения изоляции, с учетом ее вольт-секундных характеристик, непосредственно определяется, исходя из распределения перенапряжений.
В отличие от представительного перенапряжения, координационное выдерживаемое напряжение представляется только одним значением максимума напряжения стандартной формы. Выбор координационного выдерживаемого напряжения основан на анализе эксплуатационных условий, конфигурации сети и электрической прочности изоляции.
Следующим шагом является определение требуемого при стандартных испытаниях выдерживаемого напряжения, учитывающего отличие нормированных условий испытаний от условий в эксплуатации. Здесь следует учитывать, в частности, влияние высоты установки в эксплуатации над уровнем моря, ибо электрооборудование, как правило, проектируется для эксплуатации на высотах до 1000 м над уровнем моря.
При определении требуемого выдерживаемого напряжения необходимо учитывать старение изоляции в течение ее срока службы, а также разброс результатов испытаний и характеристик изоляции при производстве. Следует отметить, что последнее требование обычно удовлетворяется путем установления контролируемых допусков при проектировании изоляции. В связи с этим значения испытательных напряжений при типовом и приемосдаточном испытаниях обычно принимаются одинаковыми.
Из изложенного следует, что требуемые выдерживаемые напряжения для внешней ч внутренней изоляции могут быть различными. Они могут быть различными и для разных видов электрооборудования даже при одних и тех же эксплуатационных условиях (например, для вводов и трансформаторов, КРУЭ и аппаратов для ОРУ и т. п.). Для определения требуемого выдерживаемого напряжения вводится так называемый коэффициент запаса (К3). Рекомендуемые значения коэффициента запаса и его составляющие отнесены ко в юрой части стандарта МЭК
60071.2—96 «Координация изоляции. Руководство по применению».
Здесь следует отметить, что в настоящее время нет достаточно надежных данных для определения каждой из перечисленных составляющих коэффициента запаса между требуемым выдерживаемым напряжением и представительным перенапряжением. Это — одно из направлений исследований в совершенствовании методов координации изоляции.
Значения выдерживаемых напряжений стандартизированы — это так называемые стандартные выдерживаемые напряжения. Значение стандартного выдерживаемого напряжения находится в соответствии с требуемым выдерживаемым напряжением. Значение его может быть равно или быть ближайшим большим требуемого выдерживаемого напряжения в случае, если их формы совпадают, или эквивалентно требуемому выдерживаемому напряжению в случае, если они имеют различные формы (например, коммутационный импульс и одноминутное воздействие промышленной частоты). Эквивалентное требуемое выдерживаемое напряжение получается из требуемого путем умножения последнего на коэффициент эквивалентности К3 — значение, обратное коэффициенту импульса, величина которого определяется исходя из вольт-секундных характеристик изоляции.
стандартные уровни изоляции электрооборудования, установленные МЭК на основе анализа мировой практики координации изоляции и, как правило, апробированные многолетним опытом эксплуатации.
Совершенствование методов координации изоляции предполагает совершенствование методов ее испытаний, Введение в стандарты для электрооборудования сверхвысокого напряжения испытаний коммутационными импульсами обеспечили более полную проверку изоляции при воздействии внутренних перенапряжений. Характеристики стандартного коммутационного импульса: время подъема напряжения до максимума — 250 мкс, длительность (время до полуспада) — 2500 мкс; обозначение — 250/2500.
Учет перечисленных факторов приводит к выбору неодинаковых испытательных напряжений для внутренней и внешней изоляции данного вида электрооборудования. При эюм обеспечивается выдерживание всеми элементами его изоляции перенапряжений принятого расчетного уровня в эксплуатационных условиях, наиболее тяжелых для каждого вида изоляции. В одних и тех же возможных условиях данный элемент изоляции может иметь более высокое напряжение пробоя или перекрытия, чем другой; в других условиях соотношение электрической прочности может быть обратным.
Для случаев, когда электрооборудование не подвергается непосредственному воздействию грозовых перенапряжений, уровни испытательных напряжений ниже (оборудование с облегченной изоляцией).
Создание сетей сверхвысокого напряжения связано с необходимостью ограничения уровней перенапряжений по мере роста номинального напряжения сети, что в первую очередь было обусловлено более медленным ростом электрической прочности внешней изоляции по сравнению с повышением напряжения сети.
4. Снижение уровня изоляции
Снижение уровня изоляции имеет большое значение особенно для дорогостоящего электрооборудования — силовых трансформаторов и реакторов сверхвысокого напряжения.
Для отечественной практики создания и развития электропередач ультравысокого напряжения (1150 кВ) вопрос о снижении уровня изоляции связан также с самой возможностью разработки электрооборудования этого класса напряжения.
Эффективность снижения уровня изоляции силовых трансформаторов зависит от многих факторов: класса напряжения, количества обмоток, параметров и расположения обмоток на магнитопроводе, стоимости материалов и потерь и пр.
Для трансформаторов 330—750 кВ каждый процент снижения испытательных напряжений, благодаря сокращению изоляционных расстояний, позволяет уменьшить полною массу трансформатора на 0,4—0,7 % и увеличить мощность при тех же габаритах на 0,6—0,8 %. Предел эффективного снижения уровня изоляции определяется прочностью при кратковременных воздействиях, которой будет обладать изоляция, выбранная только с учетом длительного воздействия рабочего напряжения. На основании накопленных к настоящему времени знаний о длительной электрической прочности внутренней изоляции можно сделать вывод, что снижение уровня перенапряжений ниже 1,65 (Унр/л/3 неэффективно.
Уменьшение изоляционных расстояний приводит к увеличению рабочих напряжений в изоляции, что требует рассмотрения координации изоляции относительно длительного воздействия рабочего напряжения. Поэтому снижение испытательных напряжений основывается не только на совершенствовании способов ограничения перенапряжений, но требует также совершенствования конструкций изоляции, технологии производства, заводских испытаний, мер по поддержанию необходимого качества изоляции в условиях эксплуатации.
Возможность надежной работы силовых трансформаторов и реакторов со сниженными уровнями изоляции была подтверждена многочисленным опытом эксплуатации ряда конструкций трансформаторов на напряжение 500 кВ, а также трансформаторов на напряжение 1150 кВ.
Особо важное значение имело внедрение испытания напряжением промышленной частоты с измерением частичных разрядов, что позволило выявлять дефекты конструкций и технологии производства изоляции, которые могли быть не выявлены традиционными кратковременными испытательными воздействиями и выявиться при длительном приложении рабочего напряжения в эксплуатации. Отсюда — введение испытания внутренней изоляции силовых трансформаторов и шунтирующих реакторов длительным (30—60 мин) переменным напряжением при допустимом уровне частичных разрядов 100 пКл. Введены также (ГОСТ 1516.3—96) испытания напряжением промышленной частоты с измерением ЧР для внутренней твердой изоляции трансформаторов напряжения и тока, вводов и изоляции КРУЭ.
