Исследование старения и срока службы внутренней изоляции ВН - Оценка срока службы силовых конденсаторов по данным испытаний

УДК 621.319.4
Н.   П. Александрова, Р. Н. Мамина (НИИПТ), Л. Н. Галахова, И. А. Шишкина, Л. М. Виноградова (ВНИИСК)
ОЦЕНКА СРОКА СЛУЖБЫ СИЛОВЫХ КОНДЕНСАТОРОВ ПО ДАННЫМ СТЕНДОВЫХ ИСПЫТАНИЙ
Электрические характеристики изоляции конденсатора в исходном состоянии обычно удовлетворяют всем требованиям технических условий, но срок его службы может быть намного меньше номинального (тн). Для обеспечения надежной эксплуатации конденсаторных батарей необходимо проведение длительных испытаний конденсаторов в режиме форсированного старения до отказа, позволяющих определить срок службы конденсатора [ 1 ].

Таблица 1

Продолжение табл. 1

Длительные испытания до отказа не могут быть применены для оценки срока службы каждой выпускаемой партии, поскольку продолжительность их составляет 5-7 тыс. ч. Однако испытания необходимо проводить при разработке новых типов конденсаторов, в случае изменения технологии их изготовления и при замене материалов. Проведение длительных испытаний до отказа позволит гарантировать срок службы всех конденсаторов этого типа, выпускаемых в дальнейшем при соблюдении технологии изготовления и соответствии качества материал ТУ.
В статье приводятся результаты длительных испытаний до отказа конденсаторов, предназначенных для комплектации мощных высоковольтных батарей. Цель испытания - определение постоянной конденсатора М0 [1], пропорциональной энергии разрушения изоляции, что позволит рассчитать срок службы конденсатора в рабочем режиме и выбрать оптимальный режим загрузки конденсатора, при котором траg = = тн-
Конденсаторы подвергались непрерывному воздействию испытательного напряжения (1/исп = const), превышающего номинальное напряжение 1/н. Испытания прерывались на время периодических измерений емкости и tg δ изоляции испытуемых конденсаторов. На протяжении всего испытания непрерывно фиксировались температура корпуса конденсатора и ток, протекающий через него. Значение {/исп выбирается так, чтобы температура изоляции не превышала допустимую и напряженность пропитки E>к была ниже уровня, соответствующего началу ч. р. 1-го и 2-го типа [ 1 ]. С целью измерения tg δ и 1/пр отдельных секций конденсатор после отказа вскрывался, а затем для изучения характера старения разбиралась изоляция.
Результаты испытаний на срок службы конденсаторов типа КСФ-1,05-50-У1 при синусоидальном и несинусоидальном напряжении. Изоляция конденсатора представляет собой комбинированный диэлектрик, пропитанный трихлордифенилом. Конденсатор состоит из 30 параллельно включенных через плавкие предохранители секций. При пробое секции сгорает плавкий предохранитель этой секции и отключает ее от других. В табл. 1 приведены основные результаты испытания конденсаторов до отказа (пробоя одной секции) в режиме форсированного старения, где d - номинальная толщина изоляции (d = ^бумаги + ^пленки) : структура изоляции - обозначение последовательности чередования слоев бумаги (Б) и пленки (П); Еср = = UldHOM; E>к - напряженность в слое пропитки; т - время испытания конденсатора на каждом этапе испытания; Ет - полное время испытания конденсатора; испытательное напряжение (I/,, Uj) соответствует напряжению на секции. По результатам, приведенным в табл. 1, согласно [1] определялась величина М~, пропорциональная энергии, выделяющейся в прослойках пропитки за время испытания конденсатора от протекания тока сквозной проводимости.

Таблица 2

Таблица 3

Продолжение табл. 3

Величина М~ определялась по формулес учетом изменения испытательного напряжения
и температуры изоляции за время испытания. 1-я и 4-я партии конденсаторов испытывались синусоидальным напряжением частотой 50 Гц. Постоянная конденсатора в этом случае равна (1-5-2) • 10". Конденсаторы 2-й и 3-й партий испытывались при несинусоидальном напряжении (/исп = (/, sin о>, t + U) sin (cjj t + у), в этом режиме испытания отказов не было, наработка за время испытания составляет М~= = 1 - 10”. Конденсаторы № 248, 253, 245, 799, 797, 804 были доведены до отказа в режиме воздействия синусоидального напряжения. Величина М~, полученная путем суммирования наработки за каждый период испытания, равна 1 • 10". В режиме воздействия несинусоидального напряжения при расчете напряженности в прослойках жидкого диэлектрика Еу& несинусоидальное напряжение эквив ал вотировал ось синусоидальным с частотой 50 Гц и амплитудой, равной Чэ = (/, + Щ. Температура корпуса конденсатора определялась суммой потерь от воздействующих гармоник напряжения. За все время испытания, вплоть до момента за 20-50 ч до пробоя, не наблюдалось изменения температуры конденсатора или роста tg δ изоляции. Старение изоляции завершилось пробоем и отключением пробитой секции. Испытанные конденсаторы после 3-5 последовательных отказов снимались с испытания. В табл. 2 приведены результаты испытания конденсаторов при последовательных отказах. Электрическая прочность секций, оставшихся целыми после нескольких отказов, при плавном подъеме напряжения равна электрической прочности секций в исходном состоянии (когда изоляция не состарена), tg δ изоляции этих cекций находится на уровне исходных значений.
Разбор изоляции поврежденных конденсаторов показал, что изоляция одной и той же секции старится неравномерно: интенсивность старения больше на участках, где по каким-либо причинам имеет место повышенный нагрев изоляции в сочетании с наличием в изоляции неоднородностей, создающих местное увеличение напряженности в прослойках пропитки. Поэтому срок службы конденсатора следовало бы рассчитывать для зон с максимальной интенсивностью старения там, где одновременно совпадает максимальный нагрев изоляции, максимальная напряженность электрического поля в прослойках пропитки и максимальное значение tg δ прослойки пропитки. На этих участках значение Л/0~ минимально. Оно и определяет отказ каждой его секции. Неоднородность изоляции секции конденсатора, отсутствие возможности определения действительных значений температуры изоляции, напряженности электрического поля и tg δ пропитки в локальных зонах изоляции с максимальной интенсивностью старения приводит к тому, что величина М~ отдельных секций, определенная по усредненным значениям (ш, Еж, tg δ ), имеет разброс.
Результаты испытания конденсаторов импульсами перенапряжения. Проведено испытание 5 конденсаторов типа КСФ-1,05-50 в состоянии поставки воздействием импульсов перенапряжения по методике, разработанной "Electricite de France" [2]. При этом испытании конденсатор подвергается воздействию перенапряжения 50 Гц с действующим значением 2,25-3 1/н в течение 1 с с интервалами между повторными приложениями перенапряжения 5 мин, в течение которых на конденсатор воздействует номинальное напряжение, температура изоляции конденсатора в начале испытания минус 20 °С. Через 8 ч испытания прекращаются, конденсатор охлаждается 16 ч и испытания возобновляются. Конденсаторы выдержали воздействие 1000 циклов односекундных воздействий перенапряжения без ухудшения изоляции. После испытаний на срок службы в форсированном режиме при достаточно большой степени старения изоляции, когда наработка составляла М~= 1 • 10", но отказа еще не было, конденсаторы выдержали 12 односекундных воздействий перенапряжения кратностью 3 (/„. После испытания конденсаторы были вскрыты, секции конденсаторов испытывались при плавном подъеме напряжения. Пробивное напряжение осталось на исходном уровне.
Срок службы конденсатора КСФ-1,05-50. Расчет срока службы конденсатора следует проводить по минимальному значению (минимальному значению наработки до первого отказа) из полученных на испытании. Согласно формулам статьи [1] срок службы конденсатора КСФ-1,05-50 при U~= 1,05 кВ, /ВОзд= 10°С,E'ж = = 15,3 кВ/мм и М~= 1 * 10” равен 35 лет. В таком режиме работы допустимы кратковременные воздействия перенапряжений кратностью 3 UH. В этом режиме реактивная мощность конденсатора Q = 50 квар. Если повысить реактивную мощность до 75 квар за счет увеличения напряжения, то срок службы снизится. При такой загрузке (t/H = 1,28 кВ,E'ж= 18,6 кВ/мм иЛ^~= 1-10") срок службы будет 15 лет. Улучшая технологию производства конденсатора путем повышения чистоты изготовления секций, можно повысить значение М~ конденсатора до (2-нЗ) * 1011, тогда при UH = 1,28 кВ и Q= 75 квар т = 30 лет. Конденсатор с Af~= 5 * 10" может работать в номинальном режиме при Q = 100 квар (Сж = 22 кВ/мм) 20 лет.
Испытание конденсаторов типа ФСК2-3-36 пульсирующим напряжением. Длительные испытания конденсаторов типа ФСК2-3-36-У4 на срок службы в режиме воздействия пульсирующего напряжения с различной загрузкой конденсатора переменной и постоянной составляющими напряжения проводились до отказа конденсатора. Изоляция конденсатора состоит из полипропиленовой пленки 10 мкм X 3 и бумаги 10мкмХ2, пропитанной трихлордифенилом. Основные результаты испытания приведены в табл. 3. По формулам работы [1] определялась наработка конденсатора до отказа по переменной и постоянной составляющим испытательного напряжения и с учетом направления постоянного тока через изоляцию. Наложение
постоянного напряжения одновременно с переменным приводит к уменьшению наработки на отказ конденсатора по переменной составляющей М^. Чем больше постоянная составляющая пульсирующего напряжения, тем меньше наработка на отказ . Это происходит за счет ускорения старения изоляции под действием постоянной составляющей пульсирующего напряжения. Бумага и пленка конденсаторов, состаренных пульсирующим напряжением, потеряла механическую прочность, пробои имеют место как под обкладкой, так и на краю. Наработка на отказ конденсатора' при переменном напряжении равна Мв = 1 * 10", при воздействии постоянного напряжения М^= 1 • 1010. Срок службы конденсатора, рассчитанного на 20 лет безотказной работы в режиме воздействия переменного напряжения, снижается до 9 лет при наложении на номинальное переменное напряжение постоянного напряжения с загрузкой MZ - 0,1 М„, при загрузке по постоянной составляющей Л/5 = 0,5 срок службы снизится с 20 лет до 1,4 года.
Выводы. 1. Для прогнозирования срока службы конденсаторов необходимы длительные (5-7 тыс. ч) испытания в режиме форсированного старения до отказа изоляции с сохранением идентичности процессов старения. Такие испытания целесообразны при разработке нового типа конденсатора или в случае технологических изменений производства конденсаторов.
2. Значения Af0~ и Mf определяют качество изготовления конденсатора и позволяют рассчитать срок службы конденсатора в рабочих режимах при переменном, пульсирующем и постоянном напряжении.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Александрова Н. П., Манн А. К., Мамина Р. Н. Закономерности старения изоляции и оценка срока службы силовых конденсаторов (см. настоящий сборник).
2. Rabanit A. Mise ал point et utilisation des essais d’endurance appliques aux condensateurs de puissance a dielectrique polypropylene-papiei E.D.F. - Bulletin de la Direction des etudes et recherches. Ser. B, 1975, N 3-4.