Исследование старения и срока службы внутренней изоляции ВН - Исследование эскапоно-поликасиновой изоляции в малогабаритных генераторных токопроводах

Статья представлена 22.08.84.
УДК 621.316.352-181.4
И. Н. Бушихина, Н. Н. Тубол (НИИПТ),
В.            С. Булатова (СКБСИ).
В.                     М. Тихомиров (трест Гидроэлектромонтаж)
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭСКАПОНО-ПОЛИКАСИНОВОЙ ИЗОЛЯЦИИ В МАЛОГАБАРИТНЫХ ГЕНЕРАТОРНЫХ ТОКОПРОВОДАХ
Необходимость сокращения габаритов генераторных токопроводов и повышение . надежности их работы явились стимулом создания малогабаритных изолированных токопроводов (ТИМ), которые получают все большее распространение на ГЭС с капсюльными генераторами. Конструкция единичного элемента ТИМ, разработанная ЦКБэнерго, идентична для всех ГЭС и представляет собой секцию из трех изолированных шин, расположенных по вершинам равностороннего треугольника и объединенных в одну систему с помощью распорок и обжимных скоб. Каждая шина -  это алюминиевая труба, покрытая изоляцией на основе синтетического каучука, разработанной СКБСИ, и заземленным экраном. Изоляция токопровода выполняется из эскапоно-поликасиновой липкой ленты типа ЛСППЛ, либо ЛСЭПЛ, либо ЛСПМ-ПЛ (ТУ 16-503.016-67, 1968) толщиной 0,17-0,19 мм в виде многослойной намотки вполнахлеста с последующей термообработкой. Токопровод собирается на месте монтажа из отдельных секций (длиной до 3 м каждая), изготовленных на заводе. При монтаже производится сварка стыков трубчатых шин с последующей изолировкой. Основные параметры внедренных малогабаритных изолированных токопроводов приведены в табл. 1.
В настоящее время работают изолированные токопроводы 32 машин. Протяженность единичного ТИМ на станциях составляет 80-140 мм.

В НИИПТ в течение ряда лет ведутся исследования изоляции малогабаритных токопроводов как на моделях, так и на секциях ТИМ промышленного изготовления. Испытано более 600 моделей и 50 опытных секций. На опытных секциях проводились испытания с целью выяснения влияния тех или иных особенностей токопроводов, а также проводились типовые испытания по ТУ. Основные задачи испытаний на моделях: 1) определение рабочей напряженности для ТИМ и, следовательно, выбор оптимальной толщины изоляции; 2) уточнение механизма пробоя изоляции при длительном воздействии повышенной температуры и напряженности, соответствующих рабочим и испытательным режимам; 3) исследование влияния увлажнения на характеристики изоляции, а также свойства изоляции, не прошедшей термообработку, которая может быть использована при ремонтных работах. В результате этих исследований был накоплен большой экспериментальный материал, позволивший: разработать рекомендации по выбору значений испытательного напряжения, выяснить возможность восстановления свойств увлажненной изоляции, установить влияние температуры на старение, а также рекомендовать конструктивные дополнения в ТИМ (полупроводящее покрытие и концевые устройства).
Предназначенные для исследования изоляции ТИМ однофазные опытные секции длиной 3 м имели концевые разделки. Модели длиной 500 мм, имевшие изоляцию из четырех слоев липкой ленты общей толщиной 1,36 мм, были изготовлены из того же материала и по одинаковой технологии с промышленным ТИМ, чтобы воздействующие электрические и тепловые поля в модели были подобны полям, имеющимся в реальных конструкциях токопровода. Все модели имели концевые разделки конденсаторного типа. Как в моделях, так и в секциях поверх изоляции было нанесено полупроводящее покрытие на основе глифталевого лака. Поверх последнего накладывался экран (электрод) из алюминиевой фольги.
Старение изоляции осуществлялось одновременным воздействием тепловых и электрических полей, причем температура изменялась от 20 до 120 °С, а воздействующая напряженность составляла 6; 7,3; 9 и 11 кВ/мм. Изменение состояния изоляции при ее старении и увлажнении оценивалось зависимостью tg δ = /(U). Время до отказа (пробоя) определялось для партий моделей, изоляция которых проходила термообработку (нормальное состояние), либо изготавливалась без термообработки, а также для партий моделей предварительно увлажненной изоляции.
Кратковременная электрическая прочность (Екр) эскапоно-поликасиновой изоляции, как было установлено в результате многочисленных измерений, при температуре 20 °С составляет около 27 кВ/мм, разброс значений Eкр составил при этом окр = 5,5 кВ /мм, С = 0,21. Повышение температуры изоляции от 20 до 100 °С практически не сказывается на ее прочности, при этом лишь несколько уменьшается разброс. После длительного старения при температуре 170 °С и напряженности электрического поля, превышающей рабочую в 1,3 раза, кратковременная электрическая прочность снизилась до 21 кВ/мм. При испытаниях на моделях установлено наличие корреляционной связи между кратковременной электрической прочностью и tg δ, что позволяет электрическую прочность оценивать по значению tg δ. Как показали заводские контрольные измерения около тысячи секций токопровода, tg E изоляции секций при массовом производстве лежит в пределах 0,015- 0,03 при температуре 20 °С и Е < 4 кВ/мм. Испытания на моделях и опытных секциях подтвердили, что нормирование значения tg δ = 0,03 при температуре 20°С гарантирует достаточный запас электрической прочности изоляции токопровода.

Частичные разряды (ч.р.), как показали проведенные ранее исследования [1], развиваются в основном в газовых включениях в слое между изоляцией и экраном. В самой толще изоляции размеры газовых включений, которые неизбежно образуются при принятой технологии изготовления, не превышают толщины одного слоя липкой ленты (0,17-0,19 мм). Как показали исследования на плоских моделях, минимальная напряженность возникновения ч. р. в единичной поре при атмосферном давлении составила 8 кВ/мм, чему соответствует напряженность в изоляции 3 кВ/мм при соотношении диэлектрической проницаемости воздуха и применяемой изоляции, равном 4. При наложении полу проводящего покрытия по изоляции устраняется основной источник ч. р., что сопровождается резким изменением характеристик ч. р., в частности tg E (рис. 1). Для эскапоно-поликасиновой изоляции, заведомо имеющей газовые включения, напряжение начала ч. р., зафиксированное фотоэлектронным умножителем, совпадает с соответствующей величиной, определенной по измеренной зависимости tg δ = f(U), поэтому приращение tg δ может свидетельствовать о наличии или отсутствии ч. р. в изоляции, следовательно, таким способом можно оценивать состояние полупроводящего покрытия.

Рис. 1. Влияние полупроводящего покрытия (п. п) с поверхностным сопротивлением ps на зависимость tg δ =f(U)
1 - без п. п.; 2 - с п. п. (pSj = 4ps); 3 - с п. п. (PS| = Ps)

Изготовление изолированных токопроводов без малых газовых включений в толще изоляции невозможно, что предопределило необходимость выбора допустимой напряженности электрического поля при линейном напряжении из условия отсутствия ч. р. при рабочем напряжении - не превышающей 2,5 кВ/мм. Возможность работы изоляции при наличии начальных ч. р. интенсивностью 10~" —1C"10 Кл при напряженности электрического поля более 3 кВ/мм оценивалась длительными испытаниями на моделях при напряженности электрического поля, превышающей это значение в 2,0—2,5 раза и равной 6 кВ/мм и 7,3 кВ/мм. Как показали результаты испытаний, приведенные в табл. 2, среднее время до пробоя при температуре 20 °С превышает 2500 ч при напряженности электрического поля 6 кВ/мм и 1500 ч при Е = 7,3 кВ/мм для изоляции ЛСЭПЛ, а для изоляции ЛСПМ-ПЛ более поздней разработки - 2500 ч при Е = 7,3 кВ/мм. Ориентировочный срок службы изоляции токопровода при напряженности, электрического поля 3 кВ/мм, оцененный по результатам этих испытаний, составил более (4н-9) • 10“ ч, т.е. около 5- 10 лет. Учитывая, что такие режимы возможны только при однофазных к. з., можно считать, что изоляция токопроводов обладает достаточным запасом электрической прочности. Среднее время до пробоя при длительном старении изоляции моделей, сопровождающемся ч. р. с интенсивностью, равной 10~9 Кл, при напряженности электрического поля, равной 11 кВ/мм, составило 200 ч при температуре 20 °С.

При длительных испытаниях, результаты которых приведены в табл. 2, в каждой партии испытывалось 10-30 моделей. Разброс значений во времени до отказа составлял 25^50% для партий. Наибольший разброс имел место при напряженности электрического поля 11 кВ/мм, где минимальное и максимальное время до пробоя отличалось на порядок.
Наложение теплового воздействия при длительном электрическом старении изоляции привело к сокращению времени до отказа (см. табл. 2). Повышение температуры старения с 20 °С до 80 °С сопровождалось уменьшением времени до отказа в 2 раза. Дальнейшее повышение температуры старения практически не изменило ни среднего, ни минимального времени до пробоя, и разброс их значений при этих условиях старения практически совпал. Однако необходимо отметить, что повышение температуры старения с 80 °С до 120 °С при одних и тех же условиях электрического старения и одном и том же времени старения приводит к большему снижению значения величины tg δ во всем диапазоне измерений (Atg δ 1J0 > Д tg δ в0 в 1,5^2,0 раза).
Эскапоно-поликасиновая изоляция ТИМ после технологической термообработки полимеризуется не полностью. В эксплуатации при тепловом старении происходит дальнейшая полимеризация материала, скорость которой определяется теми температурными условиями, при которых эксплуатируется токопровод. Более чувствительной к влиянию температуры является характеристика /скв = f(U), реагирующая на изменение температуры как для изоляции в исходном состоянии, так и для состаренной.
Таблица 2

Поэтому по току сквозной проводимости можно судить о степени старения изоляции. Длительное старение увлажненной изоляции показало, что время до отказа для моделей с изоляцией ЛСЭПЛ уменьшилось более чем в 2 раза, тогда как при использовании материала более поздней разработки изоляции ЛСПМ—ПЛ - в 1,5 раза (см. табл. 2). Увлажнение эскапоно-поликасиновой изоляции приводит к существенному росту ее tg S. Результаты измерения tg δ в зависимости от времени увлажнения изоляции в атмосфере 98-100% влажности следующие:

При дальнейшем увлажнении от 200 до 600 ч tg δ практически остается неизменным. Увлажнение изоляции значительно сильнее влияет на характеристики tg δ = = / (U) при повышенных температурах (рис. 2). Таким образом зависимость tg δ = f(U) при температуре 50 °С и 20 °С может выявить степень увлажненности изоляции токопровода, однако при температуре 50 °С увлажненность изоляции появляется сильнее (Atg δ 50 > Atg δ J0 почтив 2 раза).
Эскапоно-поликасиновая изоляция токопровода в процессе эксплуатации по мере своего старения претерпевает изменения, сопровождающиеся уменьшением 1фобивного напряжения. Изменение пробивной напряженности изолированного токопровода можег быть представлено зависимостью, приведенной на рис. 3. Зона 1 - характеризует старение изоляции из-за развития ч. р.; зона II соответствует периоду эксплуатации, характеризующемуся снижением электрической прочности из-за старения изоляции, обусловленного процессами полимеризации материала; зона Ш соответствует режиму работы полностью полимеризованной, превратившейся в монолит изоляции. Электрическая прочность работающей изоляции и длительность зоны II зависят от температуры, при которой работает изоляция токопровода в эксплуатации. При температуре 100 °С изоляция полимеризустся в условиях эксплуатации в течение 3000 ч.

Рис. 2. Зависимость tg δ =f(U) для изоляции токопровода при различной температуре 1 — после увлажнения; 2 — после сушки
Методика и режим проведения кратковременных и длительных испытаний диктуется условиями зоны, в которой находится объект испытаний.

Рис. 3. Зависимость пробивной напряженности изоляции токопровода от времени при определенной температуре

Типовые и заводские приемо-сдаточные испытания проводятся на секции токопровода, изоляция которых может быть отнесена к зоне I. В связи с этим значения испытательного напряжения для этой изоляции могут быть выбраны достаточно высокими с целью выявления заводских дефектов, в частности, возникновения ч. р. при некачественном наложении полу проводящего покрытия. Длительные испытания на моделях изоляции, отвечающей зоне I (при типовых испытаниях), необходимо проводить при повышенной в разумных пределах (не более 4-5-кратных) напряженности для сопоставления стойкости к ч. р. различных модификаций изоляции и скорейшего выявления влияния влажности и повышенной температуры. В период эксплуатации, сопровождающейся тепловым старением, обусловленным полимеризацией, уровень испытательных напряжений должен быть снижен. В зоне II при длительных испытаниях электрическое старение должно сопровождаться тепловым старением при температуре, соответствующей температуре первичной термообработки, для достижения полной полимеризации материала. В этом случае время испытаний можно сократить до 1000-2000 ч в зависимости от толщины изоляции. При проведении длительных испытаний полностью полимеризованной изоляции (зона III) необходимо убедиться в том, что уровень электрической прочности изоляции при возможном ее увлажнении и при повышенной температуре выше допустимых значений рабочей напряженности с необходимым запасом. Длительные испытания для этой изоляции проводятся при переменном напряжении промышленной частоты, составляющем 1,2 U„. При профилактических испытаниях такого токопровода испытательное напряжение должно быть ниже испытательного напряжения для изоляции зоны I.
Результаты длительных испытаний показали, что допустимые линейные градиенты для изолированных токопроводов могут быть повышены до 3 кВ/мм. При этом толщина изоляции для токопроводов на номинальное напряжение 6 кВ может быть уменьшена до 2-3 мм и будет лимитироваться либо механическими воздействиями, либо конструктивными и технологическими допусками. При испытании действующих токопроводов, изоляция которых находится в нормальном состоянии, допустимо воздействие четырехкратных по сравнению с номинальным значений испытательного напряжения промышленной частоты в течение 1 мин. При уменьшении толщины изоляции значение допустимой испытательной напряженности для токопроводов не должно превышать 10 кВ/мм.
Испытательное постоянное напряжение для изоляции в нормальном состоянии может достигать пятикратных значений по сравнению с номинальным напряжением, при времени воздействия 5 мин. При воздействии постоянного испытательного напряжения допустимая напряженность не должна превышать 10 кВ/мм. Токопроводы, изоляция которых находится в увлажненном состоянии, необходимо испытывать переменным напряжением. Испытательное напряжение не должно превышать 3-кратного значения по отношению к номинальному напряжению в зависимости от степени увлажнения изоляции. Как показали результаты длительных испытаний, во избежание пробоев увлажненной изоляции эти профилактические испытания следует проводить на токопроводах в охлажденном до окружающей температуры состоянии, так как после дополнительной сушки изоляции ее изоляционные свойства восстанавливаются. Изоляция, не прошедшая термообработку, что имело место на Каневской ГЭС при изготовлении стыков отдельных секций, может испытываться в тех же режимах, что и изоляция в нормальном состоянии.

Выводы.

1. Токопроводы с эскапоно-поликасиновой изоляцией являются надежной конструкцией, что подтверждает опыт эксплуатации ТИМ на ГЭС.
2. Допустимые линейные рабочие градиенты для токопроводов ТИМ при существующей технологии изготовления не должны превышать 3 кВ/мм.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Бушихина Н. Н., Булатова В. С., Воскресенский Н. А., Манн А. К. Применение эскапоно-поликасиновой изоляции в токопроводах. - Труды НИИПТ, 1971, вып. 17.

Статья представлена 22.08.84.