УДК 621.314.222.6:537.226
Изоляция электрооборудования высокого напряжения и вентильные разрядники. Труды ВЭИ, 1982, вып. 91, с. 9—17.
Приведены экспериментальные результаты исследований длительной электрической прочности образцов внутренней изоляции типа изолированный отвод — плоскость в силовых трансформаторах высокого напряжения. Рекомендована методика расчета допустимых рабочих напряженностей для опытно-промышленных трансформаторов с резко сниженными уровнями изоляции.
Библиогр.: 3.
П. И. Марущенко, А. А. Данишина
ИССЛЕДОВАНИЕ ДЛИТЕЛЬНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ ОБРАЗЦОВ ВНУТРЕННЕЙ ИЗОЛЯЦИИ ТИПА ИЗОЛИРОВАННЫЙ ОТВОД - ПЛОСКОСТЬ В СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРАХ ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ
При создании и проектировании современных трансформаторов все большее внимание привлекает к себе проблема длительной электрической прочности различных узлов внутренней изоляции. Это связано прежде всего с необходимостью дальнейшего улучшения технико-экономических показателей трансформаторов путем резкого снижения уровней изоляции, при котором ее размеры и электрическая прочность будут определяться только длительно воздействующим рабочим напряжением. В последние годы исследовали длительную прочность маслобарьерной изоляции. Однако важными узлами в отношении влияния на технико-экономические показатели являются и различные изоляционные конструкции типа изолированный отвод — плоскость. В то же время данные по длительной прочности такого вида внутренней изоляции силовых трансформаторов высокого напряжения в отечественной и зарубежной литературе отсутствуют.
Цель данной работы и состояла в том, чтобы исследовать длительную электрическую прочность моделей отводов и разработать методику выбора допустимых рабочих напряженностей для изоляции отводов трансформаторов на напряжение 220 кВ и выше. Примененный при этом метод можно назвать методом вольт-секундной характеристики, заключающимся в следующем:
исследуемый узел моделировали на специальных моделях с соблюдением необходимых изоляционных промежутков и характеристик электрического поля так, чтобы они соответствовали существующим или реально возможным изоляционным конструкциям;
определяли напряжение и время до возникновения интенсивных частичных разрядов (ЧР), приводящих к пробою или к повреждению изоляции модели. Напряжение поднималось ступенями, составляющими 5—7% ожидаемого напряжения пробоя с выдержкой на ступени, постоянной для каждой серии опытов (5-10 моделей) и равной 1 мин — 100 ч. Для получения аналитического выражения вольт-секундной зависимости исследуемых моделей полученные экспериментальные данные обрабатывали статистическими методами;
используя вольт-секундную характеристику, определяли допустимую напряженность, которую затем проверяли на специальном стенде длительных испытаний (СДИ) в условиях одновременного воздействия электрического и переменного теплового полей в течение 1000 ч и более;
после получения положительных результатов стендовых испытаний делали заключение о рекомендации соответствующих допустимых рабочих напряженностей для их дальнейшей апробации на опытнопромышленных трансформаторах в реальных условиях эксплуатации.
Для получения вольт-секундной характеристики испытывали модели, конструкции и размеры которых представлены на рис. 1. Для изоляции отвода применяли крепированную бумагу. Исследовали два типа моделей: в одном случае отвод изолировали до толщины 20 мм на сторону (25 моделей), в другом - до толщины 10 мм (15 моделей). После изолировки модели подвергали термовакуумной обработке по типовым технологическим процессам, используемым заводами-изготовителями для трансформаторов 220 кВ и выше.
Вторым этапом исследований были длительные испытания моделей отводов на СДИ в режиме одновременного воздействия электрического и теплового переменных полей, вызывающих процессы газо- и влагообмена в изоляционном комплексе бумажно-масляная изоляция отводов - окружающее трансформаторное масло, подобные эксплуатационным. Это очень важный этап, так как и по продолжительности и по комплексу основных воздействующих факторов условия испытаний на СДИ очень близки к условиям реальной эксплуатации. Поэтому исследования на СДИ представляют большой интерес как с научной, так и с чисто практической стороны. На СДИ исследовались два типа моделей отводов, которые отличались степенью неоднородности электрического поля. Испытано по шесть моделей каждого типа.
Рис. 1. Исследуемый образец отвода:
1 — отвод высокого напряжения; 2 - изоляция отвода; 3 — ввод высокого напряжения; 4 - заземленная плоскость
На первом этапе исследований для получения вольт-секундной характеристики, как было отмечено выше, испытали 40 моделей отводов при воздействии испытательного напряжения в течение 1 мин —100ч. В качестве критерия, определяющего электрическую прочность моделей в указанном временном диапазоне, принималось напряжение возникновения ЧР высокой интенсивности (около 10~7 Кл), приводящих, как показали результаты исследований, к повреждению твердой изоляции или полному пробою масляного промежутка отвод - плоскость.
Анализ результатов исследований показал, что процесс возникновения повреждающих ЧР во всем диапазоне длительностей воздействия напряжения одинаков. ЧР высокой интенсивности возникают без подготовки условий для их возникновения предварительными слабыми ЧР. Из этого можно предположить, что пробой масляного промежутка в отводах, характеризуемых коэффициентом использования электрического поля η=0,3:0,5; не подготавливается слабыми ЧР, а происходит лишь тогда, когда в промежутке создаются условия пробоя масла под действием прикладываемого электрического поля. Механизм создания условий для пробоя вероятнее всего связан с образованием в масляном промежутке соответствующих композиций из примесей, уже имеющихся в масле, а это процесс случайный, зависящий прежде всего от времени воздействия электрического поля, т. е. вольт- секундная характеристика в исследуемом диапазоне времени воздействия должна иметь чисто статистический характер (при неизменных физико-химических показателях трансформаторного масла). Это предположение дает основание применить при анализе результатов исследований аппарат математической статистики.
Для получения обобщенной вольт-секундной характеристики объединили все данные по двум типам испытанных отводов в одну общую выборку. Для этого напряжения возникновения интенсивных ЧР (или пробоя) представили в относительных единицах
где Ui — напряжение появления интенсивных ЧР или пробоя промежутка для 4-й модели, кВ; Ucp — среднее значение напряжения появления интенсивных ЧР (или пробоя промежутка) на базовой длительности выдержки напряжения, кВ. За базовые Ucр приняты средние значения напряжения при 1-часовой длительности воздействия напряжения, так как такие данные наиболее полно представлены в обеих выборках.
При определении формальной связи между электрической прочностью и временем воздействия прикладываемого напряжения для различного вида диэлектриков и изоляционных конструкций применяют, как правило, степенные функции [1, 3] , которые логарифмированием приводятся к уравнению прямой линии (регрессии). Параметры прямой, как принято в регрессионном анализе [2], определяли методом наименьших квадратов. Статистическую обработку экспериментальных данных производили на ЭВМ "Мир-2". В результате получили уравнение вольт-секундной характеристики для исследуемых моделей отводов
(1), где τ— время воздействия напряжения, с.
Значение коэффициента корреляции для регрессии (1) R=0,77 и проверка его надежности по t-критерию Стьюдента при уровне значимости l=0,001 показали, что он существенно отличается от нуля. Следовательно, можно сделать вывод, что между временем воздействия и уровнем напряжения появления интенсивных ЧР или пробоя промежутка отвод — плоскость существует надежная связь, которую можно выразить уравнением (1).
Для определения параметров исходной степенной функции, отражающей ход вольт-секундной характеристики в абсолютных единицах, провели операцию антилогарифмирования для выражения (1) и получили
Полученные уравнения вольт-секундной характеристики (1), (2) описывают взаимосвязь между переменными лишь в среднем, а отдельные экспериментальные наблюдения рассеяны вокруг расчетных значений. Для получения надежных значений при использовании (1) необходимо определить доверительный интервал, который учитывал бы как рассеяние экспериментальных данных, так и погрешности при статистическом оценивании параметров линейного уравнения, связанные с тем, что объем фактических наблюдений ограничен [2] . В конечном виде уравнение вольт-секундной характеристики с учетом доверительного интервала можно представить как
где — значение статистики Стьюдента для уровня значимости l;
— время, для которого делается расчет, с.
Рис. 2. Вольт-секундная характеристика отводов
На рис. 2 представлена вольт-секундная характеристика в соответствии с ее уравнением (1) и с доверительными границами по (3) при l=0,1, т. е. расчетные значения in. Ur определены с 90%-ной доверительной вероятностью.
Получение вольт-секундной характеристики позволило перейти к следующему этапу исследований — определению и стендовому апробированию допустимых длительных напряженностей. Используя (1) и (3), можем путем их экстраполяции перейти от значений кратковременной (1-минутной) электрической прочности отводов к значениям длительной прочности при выдержке испытательного напряжения в течение нескольких тысяч часов:
где К1 - коэффициент снижения электрической прочности в расчетной временной точке относительно 1-минутной прочности, определяется по вольт-секундной характеристике с учетом 90%-ного доверительного напряжения для исследуемой изоляционной конструкции отвод — плоскость.
На первом этапе были также исследованы и определены обобщенные зависимости электрической прочности отводов с разными толщинами изоляции, диаметрами проводника и масляными промежутками при 1-минутном воздействии напряжения промышленной частоты опт радиуса изоляции отвода, от параметра Δl0/9 (который определялся как отношение длины участка наиболее напряженной силовой линии, где напряженность была больше или равна 90%-ной напряженности пробоя у изоляции отвода, к размеру масляного промежутка) и от "напряженного" объема. При использовании параметра Δl0,9 наблюдается существенно большее согласие (меньший разброс) экспериментальных данных, полученных в разное время в разных лабораториях. Хорошее согласие хода зависимости Епр=f(Δl0,9) со столь различными данными дает основание считать применение параметра Δl0,9 и всей зависимости (рис. 3) в целом достаточно обоснованным.
Рис. 3. Зависимость Епр масла у поверхности изоляции отвод от ∆l0,9
K2 — коэффициент запаса, учитывающий необходимый интервал между минимальными пробивными и допустимыми напряженностями и принятый равным 0,95; Eпр —средняя 1-минутная напряженность пробоя, определяемая по зависимости на рис. 3. Исходя из соображений более полного охвата возможных значений параметра Δl0 в реальных конструкциях отводов трансформаторов высокого напряжения и реакторов, для исследований на СДИ выбрали конструкции моделей отводов двух типов: А с Δl0,9≈0,01 и Бс Δl0,9 ≈0,1, Размеры исследуемых на СДИ моделей отводов в соответствии с обозначениями на рис. 1 составили: А — R = 3 мм, R2 = 3,75 мм, S=32 мм; Б — R1 = 3 мм, R2 = 12 мм, SM=9 мм. Расчет напряженностей для моделей отводов на СДИ производили по формуле для двухслойного цилиндрического конденсатора.
Для расчетного времени выдержки отводов на СДИ, равного 1000 ч, K1=0,556. Для отводов типа А с Δl0,9=0,013Eпр1 мин=10,8 кВ/мм, а для Б с Δl0,9=0,152 Eпр1 мин=5,8 кВ/мм. Подставив полученные значения в (4), определим допустимые рабочие напряженности, которые должны пройти апробацию в условиях СДИ:
типа А - Едоп. дл = 0,556-0,95х10,8-5,71 кВ/мм;
тип Б — Едоп. дл = 0,556-0,95х5,8 3,06 кВ/мм.
Переход от кратковременной электрической прочности отводов к длительной путем экстраполяции полученной вольт-секундной характеристики правомерен в том случае, если механизм нарушения электрической прочности на экстраполируемом участке будет таким же, что и на исследованном участке вольт-секундной характеристики, т. е. определяться вероятностью образования примесных композиций, уменьшающих электрическую прочность масляных промежутков. Это возможно только при условии, что в течение длительного приложения напряжения в исследуемой изоляции будут отсутствовать процессы, приводящие к разрушению (разложению) ее компонентов с длительным накоплением продуктов деструкции, которые могут привести к дополнительному снижению электрической прочности. К таким процессам прежде всего относятся процессы газообразования в трансформаторном масле под действием электрического поля и длительное существование в изоляции частичных разрядов с интенсивностью более 10-10 Кл. Цель дальнейших стендовых испытаний и заключалась в том, чтобы ответить на вопрос о существовании данных процессов в исследуемой изоляции отводов при длительностях воздействия рекомендуемых допустимых напряженностей более 1000 ч и тем самым подтвердить или отвергнуть правомерность предлагаемой методики определения допустимых длительных (рабочих) напряженностей.
Испытания на СДИ проводили в непрерывном режиме, температура масла изменялась вслед за изменением температуры окружающей среды в пределах 60— 70°С. В течение всего периода испытаний производилась непрерывная регистрация ЧР с чувствительностью не хуже 10-11 Кл и периодически отбирались пробы для хроматографического анализа растворенных в масле газов. Начальное влагосодержание твердой изоляции отводов было на уровне 0,5% по массе, а в конце испытаний — около 2,5%. Начальное влагосодержание трансформаторного масла —17, конечное — 25 г/т, т. е. условия стендовых испытаний по характеристикам изоляции соответствуют наиболее тяжелому возможному случаю эксплуатации современных трансформаторов высокого напряжения. В процессе испытаний ЧР с интенсивностью выше уровня индустриальных помех, т. е. выше 5-10-11 Кл, в исследуемой изоляции отводов не возникали, также отсутствовали и процессы газообразования в масле под действием электрического поля. При испытаниях дважды проводился режим так называемого холодного включения — включение испытательного напряжения толчком при отрицательной температуре масла (около — 5°С) с выдержкой напряжения при такой температуре в течение нескольких десятков часов. При холодном включении отмечались ЧР с интенсивностью не более 10_10 Кл, которые исчезали при нагреве масла.
После успешного завершения цикла испытаний длительностью 1000 ч было принято решение продолжить испытание при тех же допустимых напряженностях. В результате суммарная (практически непрерывная) наработка длительности испытаний отводов составила 7500 ч.
Как показал анализ состояния изоляционного комплекса исследуемых моделей отводов с использованием принятых методов регистрации процессов физико-химического разложения элементов изоляции под действием электрического поля, никаких отрицательных явлений, которые могли бы привести к снижению длительной электрической прочности, в течение всего цикла исследований отмечено не было.
Таким образом, стендовые исследования показали, что предложенная методика выбора допустимых рабочих напряженностей для изоляции типа отвод — плоскость, основанная на экстраполяции вольт-секундной характеристики к времени воздействия рабочего напряжения до 10000 ч, правомерна и достаточно надежна. Дальнейшую апробацию этой методики необходимо осуществлять на опытно-промышленных трансформаторах с резко сниженными уровнями изоляции в условиях реальной эксплуатации, чтобы выявить, изучить возможные физикохимические процессы в масле и твердой изоляции отводов при длительном (более 100000 ч) воздействии рекомендуемых рабочих напряженностей, которые могут нарушить статистическую зависимость снижения электрической прочности отводов во времени, характерную для лабораторных и стендовых условий, и определить влияние этих процессов на электрическую прочность внутренней изоляции трансформаторов высокого напряжения.
Список литературы
- Морозова Т. И. Электрическая прочность внутренней изоляции трансформаторов при длительном воздействии рабочего напряжения. — Электротехнике, 1976, № 4, с. 39-43.
- Чатыркин Е. М. Статистические методы прогнозирования. — М.; Статистика, 1977, — 184 г
- Frank W. Hеinriсh Jr. Theoretical and statistical dependence of the transformer test regim on the stress - life characteristics of insulation systems. — IEEE Trans. Power Appar. and Syst., 1976, vol. 95, № 4, p. 1159-1164.
