Приведены результаты испытаний крупногабаритных фарфоровых и полимерных изоляторов высотой до 13 м. Испытания проводились длительным приложением напряжения промышленной частоты при поверхностной плотности загрязнения 3 мг/см2. Показано, при каких условиях соблюдается пропорциональная зависимость изменения разрядных напряжений с высотой и когда наблюдается отклонение изменения электрической прочности изоляции от линейной зависимости. Сопоставлены электрические характеристики фарфоровой и полимерной изоляции с силоксановыми ребрами при работе в условиях загрязнения и увлажнения.
УДК 621.315.61.002.5.015.5:620.196.5
В. В. Годулян, Е. И. Остапенко, В. З. Трифонов
ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОЧНОСТЬ ВНЕШНЕЙ ИЗОЛЯЦИИ КРУПНОГАБАРИТНЫХ КОНСТРУКЦИЙ В УСЛОВИЯХ ЗАГРЯЗНЕНИЯ И УВЛАЖНЕНИЯ
Применение средств глубокого ограничения перенапряжений в системах ультра- и сверхвысокого напряжения приводит к тому, что габариты внешней изоляции электрических аппаратов все в большей степени определяются воздействием рабочего напряжения. Поскольку перекрытие изоляции при воздействии рабочего напряжения связано с наличием на ее поверхности слоя загрязнения, исследование электрической прочности изоляции в загрязненном состоянии является одной из важных задач при создании электропередач сверхвысокого напряжения.
В соответствии с ГОСТ 9920—75 при выборе размеров изоляции исходят из предположения, что с ростом ее габаритов электрическая прочность при заданных условиях загрязнения увеличивается пропорционально, т. е. средняя разрядная напряженность остается постоянной. Однако такое предположение достаточно обосновано лишь для изоляции на напряжение 110—500 кВ [1, 2]. Для изоляции на напряжение свыше 500 кВ по одним источникам разрядные напряжения с изменением высоты меняются по линейному закону [3], по другим — отмечается снижение разрядных напряженностей с ростом высоты изоляции [4, 5]. Поэтому окончательное заключение должно быть сделано на основании испытания макетов изоляции, близких по габаритам к реальным конструкциям. Это особенно актуально по отношению к подстанционной изоляции, для которой данных по зависимости разрядных напряжений от высоты крайне мало, что в первую очередь связано с трудоемкостью таких исследований.
Анализ причин, приводящих к различному характеру зависимости разрядных напряжений загрязненной изоляции от ее высоты, позволяет заключить, что он вызван различием в методике испытаний. В случаях, когда перед приложением напряжения изоляция увлажнялась до насыщения, зависимость разрядных напряжений от высоты приближалась к линейной [2, 3], если же напряжение прикладывалось к сухой изоляции, а затем начиналось ее увлажнение, наблюдалось отклонение от линейности. Объяснить это можно следующим образом. Если скорость осаждения влаги на изоляционную поверхность соизмерима с интенсивностью ее испарения под действием токов утечки, то увлажненность отдельных участков изоляции должна в значительной степени определяться напряженностью электрического поля: чем выше напряженность, тем менее увлажнена изоляция. Это приводит к резкому перераспределению напряжения по высоте изоляции и последовательному перекрытию изоляционной колонны: сначала участков с большим поверхностным сопротивлением, затем остальной изоляции. Исходя из известных теоретических представлений можно показать, что разрядное напряжение в данном случае может быть меньше, чем при равномерном увлажнении. Однако эти выводы требуют экспериментальной проверки.
При проведении опытов изоляция предварительно увлажнялась по методике интенсивного увлажнения. В ряде экспериментов часть изоляции оставалась сухой. В реальных условиях интенсивность процесса подсыхания слоя загрязнения зависит от множества факторов, поэтому рассчитать количество изоляторов, подсохших под действием рабочего напряжения, не представляется возможным. Для определения наименьшей электрической прочности конструкции количество сухих изоляторов в различных опытах изменялось.
Объект испытаний представлял собой колонну из 8 или 12 изоляторов АКО-110 (высота колонн 8,8 и 13,3 м). Загрязнение изоляторов осуществлялось поэлементно перед сборкой. Загрязняющее вещество (раствор из одной вес. ч. алебастра, 4 вес. ч. каолина и 20 вес. ч. воды) распылялось с помощью пневмокраскораспылителя в соответствии с расчетной площадью изолятора. Плотность загрязнения принята равной 3 мг/см2, чему соответствует поверхностная проводимость изолятора 7—9 мкСм.
Увлажнение колонн осуществлялось распылителем, который позволял создавать направленный факел мелкодисперсного тумана и увлажнять изоляцию до насыщения.
Во всех опытах использовался способ плавного подъема напряжения до перекрытия (способ ПП по ГОСТ 10390—87). Каждое увлажнение сопровождалось подъемом напряжения в два-три раза. При обработке полученных результатов выбиралась точка с минимальным разрядным напряжением.
По выбранной методике вначале колонна увлажнялась целиком, что соответствует работе изоляции перед включением оборудования, когда поверхностный слой загрязнения увлажнен до насыщения моросящим дождем, росой или туманом. Разрядное напряжение определялось по результатам, полученным после пяти-шести увлажнений. Затем проводились испытания с частично увлажненной колонной, когда часть изоляторов (в верхней или нижней части колонны) оставалась сухой. Результаты при каждом новом числе сухих изоляторов определялись по двум-трем увлажнениям. Для проверки состояния слоя загрязнения испытания периодически повторялись на увлажненной полуколонне и закороченной ее второй половине. Таким образом получены дополнительные данные по колоннам из четырех изоляторов. Значительное отклонение результатов от первоначально полученных на каждой колонне свидетельствовало о смывании с поверхности изоляторов загрязняющего вещества, после чего опыты с данным загрязнением прекращались. Такая методика испытаний позволяла провести при каждом загрязнении до 20—22 увлажнений.
Результаты испытаний показывают, что электрическая прочность опорной загрязненной изоляции (ϰ=3 мг/см2) увеличивается практически пропорционально с ростом ее высоты (рис. 1, кривая 1).
Рис. 1. Зависимость разрядных градиентов загрязненной изоляции (ϰ=3 мг/см2) от высоты изоляционной колонны:
1 — полностью увлаженная колонна; 2 — часть изоляторов в колонне из 8 изоляторов оставлены сухими; 3 — часть изоляторов в колонне из 12 изоляторов оставлены сухими
Средние разрядные градиенты остаются почти одинаковыми — 0,72 кВ/см, среднеквадратичные отклонения составляют 4,2— 6%. Такой ход зависимости можно объяснить достаточно равномерным распределением напряжения вдоль колонны изоляторов во время развития разряда. Этот вывод подтверждается визуальными наблюдениями за развитием разряда. При полном увлажнении колонны практически на всех ее изоляторах развиваются частичные дуговые разряды (ЧДР). При неполной же увлажненности разряд развивается каскадно: на сухих изоляторах он шунтирует их, затем с ростом напряжения развиваются ЧДР на остальной части колонны, причем с ростом числа сухих изоляторов время до появления ЧДР на увлажненной части колонны (при одной и той же скорости подъема напряжения) уменьшается. При увлажнении половины колонны возникновение ЧДР по ее поверхности практически совпадает с перекрытием всей колонны.
Каскадное развитие разряда при наличии сухих изоляторов в колонне приводит к тому, что нарушается линейная зависимость между электрической прочностью изоляции и ее высотой (кривые 2 и 5 иллюстрируют колонны из 8 и 12 изоляторов соответственно, часть из которых оставлены сухими).
На рис. 2, а приведены зависимости разрядных градиентов Ен от числа сухих изоляторов в увлажненной колонне, состоящей из 8 изоляторов.
Рис. 2. Зависимости разрядных градиентов от числа сухих изоляторов в колонне, состоящей из 8 (а) и 12 (б) изоляторов, при расположении сухих изоляторов сверху (1) и снизу (2) колонны
Сначала с ростом числа сухих изоляторов разрядные градиенты снижаются, достигают минимального значения, а затем начинают увеличиваться. Следует отметить, что если для колонны из 8 изоляторов изменение разрядных градиентов одинаково независимо от расположения неувлажненных изоляторов (в верхней 1 или нижней части 2 колонны), то для колонны из 12 изоляторов картина иная (рис. 2,б): если сухие изоляторы находятся снизу, градиенты изменяются примерно так же, как в колонне из 8 изоляторов (кривая 2); если же сверху, то градиенты сначала практически остаются неизменными, а затем резко возрастают (кривая 1). Такую зависимость можно объяснить действием сил электростатического поля: когда сухие изоляторы расположены снизу, разряд легко продвигается непосредственно вблизи их поверхности, когда же сверху, то его продвижение затруднено, поскольку силами электростатического поля он выбрасывается на значительное расстояние от поверхности колонны. Для колонны из 8 изоляторов действие сил электростатического поля сказывается в меньшей степени, чем при 12 изоляторах, поэтому изменение градиентов от числа сухих изоляторов в обоих случаях примерно одинаково.
Полученные результаты показывают, что при испытаниях загрязненной изоляции оборудования сверх- и ультравысокого напряжения существенную роль играет методика увлажнения ее поверхности. Разрядные характеристики при разных условиях увлажнения могут отличаться друг от друга на 20% и более.
Практический интерес представляет сравнение разрядных характеристик фарфоровых и полимерных изоляторов. В связи с этим в аналогичных условиях проведены испытания колонны из 5 полимерных изоляторов. Геометрические параметры одиночного полимерного изолятора (строительная высота, длина пути утечки, количество ребер и их диаметр) примерно соответствовали аналогичным параметрам фарфорового. Зависимость разрядных напряжений от высоты полимерных изоляторов приведена на рис. 1. Как показали испытания, разрядные напряжения фарфоровых изоляторов примерно на 25% ниже полимерных, что можно объяснить более благоприятными условиями развития разряда по поверхности изолятора из-за меньшего расстояния между толстыми кромками фарфоровых ребер: радиус скругления кромок ребер фарфорового изолятора составляет 6—7 мм, а полимерного не превышает 1,5 мм. Вместе с тем испытания полимерных изоляторов также подтвердили линейную зависимость разрядных напряжений от высоты.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
- Flashover voltage characteristics of contaminated bushing shells for UHV transmission systems / J. Ozaki, T. Seta, T. Fujimura, K. Naito // IEEE Trans. Power Appar. and Syst. 1981. Vol. 100, N 8. P. 3733—3743.
- Verma M. P., Petrusch W. Results of pollution tests on insulators in the 1000 kV range and necessity of testing in the future// IEEE Trans. Electr. Insulat. 1981. Vol. 16, N 3. P. 199—208.
- Bonaguro D., Siegert L. A., Jerez E. Anticontamination design of 800 kV strings // Fourth Intern. Symp. High Voltage Engineering, Greese, 5—9 September 1983.
- Karady G., Gervais Y., Mukhedkar D. Survey of insulation pollution problem for high voltage transmission lines // J. Inst. Eng (India) Electr. Eng. Div. 1979. Vol. 59, N 6. P. 295—302.
- Kawai M., Sforzini M. Problems related to the performance of UHV insulators in contaminated conditions // CIGRE. Int. Conf. Large High Voltage Electr. Syst. Paris, 1974. N 33/19.
