УДК 621.315.618.9.002.5
Изоляция электрооборудования высокого напряжения и вентильные разрядники. Труды ВЭИ, 1982, выл. 91, с.32-38.
Приведены данные по основным характеристикам легко транспортируемых источников высокого напряжения, выполненных в металлических оболочках и позволяющих проводить испытания аппаратов без вывода напряжения на воздух при воздействии грозовых и коммутационных импульсов, а также напряжения промышленной частоты. Отмечены основные преимущества таких источников по сравнению с традиционным оборудованием высокого напряжения открытого исполнения.
А. А. Панов, М. И. Сысоев, В. П. Вертиков, Ю. В. Торшин, В. М. Кочетыгов, О. А. Полуэктов
ЭЛЕГАЗОВЫЕ ИСПЫТАТЕЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ В МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ОБОЛОЧКАХ
Испытание изоляции элегазовых аппаратов для комплектных распределительных устройств (КРУ) выполняется с помощью обычных испытательных установок, которые сами или их выводы находятся в атмосфере окружающего воздуха, например, генератора импульсных напряжений (ГИН) или испытательного трансформатора с бумажно- масляной изоляцией. Однако имеется тенденция замены их установками в металлических оболочках, особенно при испытаниях на месте монтажа на подстанциях. Это диктуется необходимостью иметь для испытаний на месте монтажа малогабаритные, легко транспортируемые источники напряжения. Появляется возможность проведения заводских испытаний непосредственно в сборочных цехах, так как при наличии источников высокого напряжения в металлических заземленных оболочках и их подсоединении к испытуемым объектам через шинопроводы (также в металлических оболочках) высокое напряжение не выводится наружу.
О выборе вида испытательного напряжения для аппаратов КРУ, особенно на месте их монтажа на подстанции, нет единого мнения. Опробованы все виды испытательного напряжения от постоянного тока до грозовых импульсов. По нашему мнению, в зависимости от условий на месте монтажа, способа подсоединения КРУ к линии, а также от имеющихся источников напряжения можно проводить различные виды испытаний. Однако в общем случае необходимо стремиться к таким видам воздействий, которые имеются в условиях эксплуатации. Таким образом, необходимы три вида напряжения: промышленной частоты по амплитуде, близкой к рабочему напряжению, коммутационного и грозового импульсов, равных испытательному.
Как известно, под воздействием напряжения твердые частицы очень малых размеров, которые могут попасть в аппараты при изготовлении и сборке и сильно снизить электрическую прочность изоляции элегазовых аппаратов, движутся по сложным траекториям. Под воздействием электрического поля эти частицы могут как вытягиваться в места сильного поля и снижать прочность изоляции, так и выталкиваться в места столь слабого поля, откуда они уже не могут вытягиваться снова. Поэтому сначала необходимо приложить напряжение промышленной частоты с целью получить установившееся состояние, типичное для условий эксплуатации. Затем следует воздействовать на испытательный объект коммутационным или грозовым импульсов. Ниже описываются конструкции и особенности создания установок переменного тока и импульсного напряжения.
Испытательный трансформатор высокого напряжения с выводом в элегазовый шинопровод. Для проведения испытаний элегазового оборудования в условиях предприятия-разработчика создаются источники высокого напряжения промышленной частоты без вывода высокого напряжения на воздух. Главным элементом источника является традиционный испытательный трансформатор с бумажно-масляной изоляцией, у которого вывод высокого напряжения на воздух заменен выводом в элегазовый шинопровод.
Для испытаний оборудования сверхвысокого напряжения (1150 кВ, 1800 кВ) разрабатывается установка на базе трансформаторов TUR1.2 МВ. Одной из главных проблем при создании такой установки является разработка ввода высокого напряжения. Он должен иметь по возможности малые габаритные размеры, быть герметичным — исключать взаимное проникновение элегаза и масла, не должен искажать распределение поля в трансформаторе. Предусмотрено два вида таких вводов — с элегазовой и бумажно-масляной изоляцией. Первый тип имеет меньшие линейные, но большие радиальные размеры, а также обладает более низким уровнем интенсивности частичных разрядов.
Преимущества установки такого типа по сравнению с установкой открытого типа на то же напряжение очевидны: в 40—50 раз (а при установке вне испытательного поля еще более) снижается площадь испытательных полей, а высота их уменьшается в 5—7 раз; благодаря экранированию испытуемой изоляции заземленной оболочкой возможно значительное снижение измеряемого уровня частичных разрядов (это особенно важно при проведении отбраковочных испытаний твердой эпоксидной изоляции для элегазового оборудования сверхвысокого напряжения) .
Генератор коммутационных импульсов (ГНИ). Известные способы получения коммутационных импульсов с помощью установок, схема которых аналогична схеме ГИН, а также с помощью разряда конденсаторной батареи на первичную обмотку испытательного трансформатора, предназначенного для генерирования напряжения примышленной частоты.
Способ генерирования коммутационных импульсов с использованием ГИН будет описан ниже. Предлагаемый здесь способ генерирования коммутационных импульсов тоже основан на разряде конденсаторной батареи на первичную обмотку трансформатора, в качестве которого используется элегазовый трансформатор напряжения, выпускаемый промышленностью.
Установка для генерирования коммутационных импульсов на базе элегазового трансформатора напряжения успешно опробована при испытаниях ячеек КРУ—110 кВ.
Рис. 1. Схема генератора коммутационных импульсов:
1 — металлическая оболочка; 2 — опорный изолятор; 3 — каскад высокого напряжения; 4 — стыковочный узел с герметичным изолятором
Разработана установка с использованием каскадной схемы соединения элегазовых трансформаторов напряжения 220 кВ. Схема конструкции генератора коммутационных импульсов (ГКИ) показана на рис. 1. Для получения импульса 2100 кВ используется последовательное соединение трех каскадов. Каждый каскад состоит из двух параллельно соединенных трансформаторов с бумажно-элегазовой изоляцией ЗНОГ-220/0,4, Параллельно-последовательное соединение шести трансформаторов обеспечивает возможность испытания объектов емкостью до 1500 пФ при напряжении 2100 кВ. Магнитопровод первого каскада находится под потенциалом земли, второго — 700 кВ и третьего - 1400 кВ. Каждый каскад имеет свою собственную батарею конденсаторов по 30000 мкФ на каждый трансформатор.
Батареи в режиме зарядки находятся под потенциалом земли, затем они отключаются от источника питания с помощью разъединителей высокого напряжения с электроприводом. В момент разряда батареи конденсаторов находятся под высоким потенциалом соответствующего магнитопровода. В связи с этим включать батареи на первичные обмотки трансформаторов необходимо с помощью специальных устройств.
Для получения гладкого импульса высокого напряжения все три каскада должны включаться одновременно с очень малым разбросом во времени. Механические схемы не могут обеспечивать такую синхронизацию, поэтому используется световой запуск через световоды от импульсной лампы.
В связи с тем, что обмотки низкого напряжения имеют свои источники питания, в режиме разряда батарей конденсаторов напряжение на выходе генератора может быть получено суммированием напряжений трех ступеней каскада, которые в этом случае работают автономно. Через все обмотки проходит один и тот же ток, если не учитывать небольшого тока, проходящего через паразитные емкости, создаваемые экранными оболочками и стенками бака.
Напряжение на выходе генератора без учета затухания определяется по формуле
где f1 — частота колебания контуре, образованного индуктивностью намагничивания одной ступени трансформаторов и параллельным соединением емкостей, подключенных к обмоткам высокого (ВН) и низкого (НН) напряжения этой ступени; f2 — частота колебания контура, образованного последовательным соединением емкостей на сторонах ВН и НН ступени трансформаторов и индуктивностью рассеяния трансформаторов этой ступени; п — число ступеней генератора; U — напряжение на батарее конденсаторов; UBH, UHH — соответственно номинальные напряжения обмоток ВН и НН ступени трансформаторов; С{ — емкость батареи конденсаторов ступени трансформаторов, приведенная к обмотке ВН; С, — суммарная емкость испытываемого объекта, соединительных элементов и делителя напряжения, приходящаяся на одну ступень.
Конструктивно генератор выполняется следующим образом. Все каскады размещаются в металлическом беке диаметром 1,6 и длиной 5,5 м, состоящем из трех обечаек с фланцами. Каждый каскад монтируется в экранирующей оболочке, находящейся под потенциалом обмотки высокого напряжения предыдущего каскада. Давление элегаза в ГКИ выбрано на основе расчета электрической прочности основных изоляционных узлов равным 0,5 МПа.
Генератор импульсных напряжений с элегазовой изоляцией. В качестве основной изоляции ГИН целесообразно использовать шестифтористую серу SFf , применяемую в КРУ. Основное назначение такого ГИН — испытание комплектных распределительных устройств с элегазовой изоляцией на классы напряжения 330—1150 кВ как при изготовлении, так и на месте монтажа.
Анализ видов и норм испытательных напряжений, а также оценка параметров нагрузки показали, что у ГИН должны быть следующие параметры: максимальное выходное напряжение 5 МВ; максимальная запасаемая энергия 200 кДж; емкость ГИН в разряде 15 нФ. Создание герметизированного ГИН с элегазовой изоляцией, имеющего такие параметры, является задачей уникальной. По литературным данным известно, что в 1973 г. фирма "Хейфели" (Швейцария) изготовила по заказу Франции единичный экземпляр ГИН с элегазовой изоляцией для испытаний КРУ на классы напряжений 110 и 220 кВ. Этот генератор (1,4 МВ, 21 кДж, 21 нФ) рассчитан на формирование только
грозовых импульсов напряжения с амплитудой до 1 МВ на емкостной нагрузке 0-5 нФ. Фирмой "Максвелл" (США) создан компактный малоиндуктивный элегазовый ГИН на 2,5 МВ, 15 кДж. Как видно, указанные генераторы значительно уступают по параметрам описываемому.
Все генераторы импульсных напряжений строятся по известному принципу умножения напряжения с некоторыми различиями в построении схемы. При выборе схемы и конструировании элегазового ГИН, предназначенного для испытаний КРУЗ, определяющими являются следующие требования: возможно более высокий коэффициент использования; высокая надежность работы всех элементов и особенно надежность срабатывания искровых разрядников; возможность получения как грозовых, так и коммутационных импульсов напряжения,- возможность регулирования амплитуды импульса напряжения и изменения полярности; возможность измерения напряжения; возможность регулирования форм импульса в зависимости от изменения нагрузки; простота соединения с испытываемым объектом; минимальные габаритные размеры и масса; мобильность в собранном виде; простота и удобство монтажа.
Рис. 2. Принципиальная схема ГИН;
C1 — С52 —конденсаторы; RP1 — RР6 — разрядные резисторы (основные); R'Р1 -R' 26 -разрядные резисторы (шунтирующие); РФ1-РФ26-фронтовые резисторы; R33-R352 — зарядные резисторы; ШР — шаровые разрядники; ДН - делитель напряжения
В приведенной на рис. 2 схеме ГИН для заряда конденсаторов используются оба полупериода выпрямленного напряжения. Использование четырех параллельных ветвей зарядных резисторов призвано способствовать увеличению перенапряжений на шаровых разрядниках и, следовательно, повышению надежности их срабатывания. Предложенная схема обеспечивает наименьшую длину разрядной цепи и, таким образом, минимальную собственную индуктивность ГИН.
Основными элементами любого генератора импульсных напряжений являются конденсаторы, которые определяют его компоновку и размеры. Наиболее подходящими из выпускаемых серийно для использования в элегазовом ГИН оказались конденсаторы ИК-100/0,4. Они имеют высокие энергетические характеристики и успешно прошли испытания на работоспособность в газовой среде под давлением. При разработке компоновки ГИН главное внимание было уделено размещению конденсаторов, занимающих большую часть объема и определяющих габаритные размеры ГИН. В поперечном сечении ГИН для более полного использования объема размещается по четыре ступени, причем каждая представляет собой два конденсатора, соединенных параллельно, чем обеспечивается необходимая энергоемкость генератора.
Конструктивно ГИН построен по модульному принципу. Каждый модуль рассчитан на максимальное зарядное напряжение 400 кВ, всего в генераторе насчитывается 13 таких модулей. Модуль представляет собой цилиндрический экран, внутри которого размещено четыре ступени генератора, причем конденсаторы подвешены на стеклопластиковых стержнях, которые также являются несущими для четырех герметичных стеклоэпоксидных цилиндрических камер с искровыми разрядниками для коммутации ГИН. Камеры с разрядниками располагаются между конденсаторными ступенями и соединяются с камерами соседних модулей с помощью фланцев. Электроды шаровых разрядников устанавливаются в объеме камеры с помощью специальных вводов, обеспечивающих возможность регулировки искровых промежутков при наладке ГИН, а также надежную герметизацию объема камеры разрядников. В дальнейшем при работе ГИН размер искровых промежутков остается неизменным, а напряжение их разряда регулируется путем изменения давления газа (азота) в объеме камеры шаровых разрядников. Для получения на выходе ГИН как грозового, так и коммутационного импульсов напряжения предусмотрены кроме основных дополнительные (или шунтирующие) разрядники, срабатывание которых приводит к изменению разрядного сопротивления, а, следовательно, и длительности импульса напряжения. В качестве фронтовых и разрядных применены резисторы, изготовленные из нихромовой проволоки, намотанной на стекло эпоксидные цилиндры.
Цилиндрические экраны с размещенными внутри них конденсаторами, камерами разрядников и резисторами выполняют, таким образом, две функции — электростатического экрана и несущей конструкции.
Размеры и форма цилиндрических экранов выбраны на основе расчетов электростатического поля, выполненных с поМощью ЭВМ. Максимальная напряженность электрического поля при воздействии грозового импульса напряжения и давления газа внутри генератора 0,5—0,6 МПа не превышает 120 кВ/см.
Все модули ГИН размещаются в металлическом цилиндрическом корпусе/имеющем меньшее сечение со стороны низкого напряжения для снижения расхода изолирующего газа. Каждый модуль устанавливается внутри корпуса на изоляционных распорках, изготовленных из эпоксидного компаунда. Цилиндрический экран находится под средним потенциалом модуля. Таким образом, разность потенциалов между любыми элементами внутри экрана и его поверхностью не превышает 200 кВ, а разность потенциалов между экранами двух соседних модулей не превышает 400 кВ при максимальном зарядном напряжении 100 кВ. Зарядное напряжение вводится в корпус ГИН с помощью двух проходных изоляторов, изготовленных из эпоксидного компаунда. Высокое напряжение вводится через дисковую распорку также из эпоксидного компаунда.
Элегазовый ГИН в металлическом корпусе устанавливается на транспортную тележку, позволяющую перемещать его в горизонтальном направлении. К выходу пристыковывается специальная камера, содержащая несколько типов фронтовых резисторов, обеспечивающих получение необходимой формы импульса (грозового или коммутационного) в зависимости от емкости нагрузки.
Параметры выходного импульса напряжения измеряют с помощью специального емкостного делителя напряжения, также размещенного в герметичном металлическом корпусе.
Описанные установки изготовлены, смонтированы, и проводятся наладочные работы. Ранее на макетах единичных каскадов была проверена работоспособность узлов ГКИ-2100 и ГИН-5 МВ и показана правильность выбранных решений, положенных в основу конструкции испытательных установок.
