Статья представлена 12.12.84.
УДК 621.319.4:621.315.616
А. Ф. Курбатова, В. И. Попков (НИИПТ),
В. С. Зуев (ВНИИСК)
ДЛИТЕЛЬНЫЕ ИСПЫТАНИЯ КОНДЕНСАТОРОВ ДЕМПФИРУЮЩИХ ЦЕПЕЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧ ПОСТОЯННОГО ТОКА
Накопленный к настоящему времени в НИИПТ опыт длительных испытаний конденсаторов с различными видами изоляции и разного конструктивного исполнения позволил разработать рациональные методы ускоренных испытаний и определения по их результатам срока службы конденсаторов [1, 2].
Для конкретного типа конденсаторов длительные испытания позволяют выявить влияние на срок службы особенностей конструктивного исполнения и условий работы в эксплуатации (прежде всего режима работы и вида воздействующего напряжения), а также позволяют выявить факторы, приведшие к отказу, и разработать мероприятия по увеличению срока службы конденсаторов.
Конденсаторы типа ДС емкостью 45 нФ, предназначенные для работы в батареях демпфирующих цепей электропередач постоянного тока, имеют 6 пакетов (2 последовательно соединенных группы по 3 параллельных пакета в каждой). Каждый пакет состоит из 46 последовательно соединенных секций. Структура изоляции секций ФПБПБПФ (Ф - алюминиевая фольга, П - пленка полипропиленовая 12,5 мкм, Б - бумага 10 мкм), пропитывающий диэлектрик - трихлордифенил (ТХД), толщина изоляции 57,5 мкм. Конденсатор выполнен в одном фарфоровом корпусе. В рабочем режиме на конденсатор воздействует пульсирующее напряжение с постоянной составляющей (любой полярности) и~ = 50 кВ и переменной составляющей частоты 50 Гц UE= 80 кВ (действующее значение). На стенде испытывалось 2 конденсатора (условные №№ 1 и 2), установленных на открытой площадке. Испытательное напряжение подавалось от установки пульсирующего напряжения, имеющей следующие номинальные параметры: по переменной составляющей 50 Гц 1/н = 400 кВ, /н = 3,3 А, по постоянной составляющей отрицательной полярности U„ = 1200 кВ, /н = 0,5 А Режимы испытаний конденсаторов на стенде представлены в табл. 1, где указаны значения переменной ([/ ~) и постоянной (I/ -) составляющих испытательного напряжения, температура воздуха (Гв) (средняя за данный период испытаний) и продолжительность испытаний (т) в каждом режиме. Испытательное напряжение изменялось ступенями от 80/150 до 200/200 кВ (в числителе - действующее значение переменной составляющей напряжения U~ в знаменателе - постоянная составляющая U . При U ~ 110 кВ оба конденсатора испытывались одновременно, при U ~ > 120 кВ конденсаторы испытывались по одному, так как суммарный ток через конденсаторы начинал превосходить номинальный ток испытательного трансформатора. В процессе испытаний непрерывно измерялись и ежечасно регистрировались: пульсирующее испытательное напряжение и его составляюице, частота переменной составляющей, ток переменной составляющей через каждый конденсатор, а также температура окружающего воздуха. Периодически после испытаний на каждой очередной ступени напряжения мостом переменного тока типа Р5026 при напряжении U~ до 40-50 кВ измерялись емкость и tg δ конденсаторов. В течение всего периода испытаний емкость и tg δ конденсаторов колебались в незначительных пределах: С = 45,2-46,3 нФ, tg δ = 0,0002-0,001 (при U~ = = 40 кВ), что примерно соответствовало колебаниям температуры окружающего воздуха. Заметное постепенное возрастание емкости конденсаторов (до 10% номинальной), зафиксированное по изменению тока через конденсаторы, имело место в течение нескольких часов, предшествовавших пробою. Внутренний пробой изоляции конденсатора № 1 произошел через 7 793 ч после начала испытаний на ступени испытательного напряжения U~/U~ - 200/150 кВ и конденсатора № 2 через 9092 ч на ступени 200/200 кВ. Измерения после пробоя дали следующий результат:
Примечание: полная продолжительность испытаний конденсатора № 1 до пробоя г, = 7793 ч, конденсатора № 2 - г, = 9092 ч.
конденсатора № 1 С = 61 нФ и tg δ = 0,009, для конденсатора № 2 С = 92 нФ и tg δ = = 0,02 (t/~ = 10 кВ).
В процессе разбора конденсаторов после пробоя было выявлено, что в секциях в зоне равномерного поля имеются следы начальной стадии старения пропитки между пленкой и бумагой в виде белесых пятен площадью 3-5 см2. Следов старения бумаги и пленки в зоне равномерного поля нет. В то же время во многих секциях по краю фольги на бумаге образовалась сильно выраженная черно-коричневая полоса, свидетельствующая об интенсивном процессе старения в области закраин. В каждом конденсаторе обнаружено более десятка пробитых секций, в основном пробои развивались с края фольги по закраине. Выявлена также, что преждевременный отказ конденсаторов был вызван особенностью их конструктивного исполнения, состоящей в том, что в 11, 22 и 35-й секциях каждого пакета вкладыши разнесены к противоположным краям секции и расстояние между ними в свету составляет 30-35 мм против 6-7 мм у остальных секций. Распределение постоянного напряжения по секциям с пленочной изоляцией определяется токами утечки по торцам секций, поскольку удельное сопротивление пленки на 3—4 порядка больше удельного сопротивления ТХД. Поэтому постоянное напряжение на секциях с разнесенными вкладышами в несколько раз превышает напряжение в остальных секциях и они должны были повредиться первыми. Эго подтвердилось при разбросе конденсаторов: большинство секций с разнесенными вкладышами оказались перекрытыми по торцу. Перекрытия по торцу других секций явились следствием перераспределения напряжения между секциями пакета при повторных (после первого пробоя) подъемах напряжения на конденсаторе. Таким образом, разбор конденсаторов показал, что они повредились в испытательном режиме из-за форсированного воздействия постоянного напряжения на отдельные секции, при этом ресурс этих секций в области равномерного поля еще не был исчерпан. В рабочем режиме при U~ = 80 кВ и U~ = 50 кВ старение изоляции будет определяться воздействием не только постоянного, но и переменного напряжения и пробой наиболее вероятен в области равномерного поля.
Ранее в НИИПТ были выполнены длительные испытания на срок службы конденсаторов типа ФСК фильтровых батарей ППТ электропередачи постоянного тока при воздействии пульсирующего напряжения с различным соотношением переменной и постоянной составляющих. В конденсаторах ФСК применены секции с такой же изоляцией и пропиткой, как и в конденсаторах ДС. В отличие от конденсаторов ДС 45 секций пакета конденсаторов ФСК соединены параллельно, а параллельно каждому из двух последовательно соединенных пакетов подключены резисторы для принудительного выравнивания постоянного напряжения между пакетами. Таким образом исключалось неравномерное распределение постоянного напряжения по секциям. В результате длительных испытаний конденсаторов ФСК были определены постоянные М0, соответствующие их ресурсу при наработке до отказа, при воздействии только переменного напряжения (МE"= 2 * 10”) и при воздействии только постоянного напряжения (М7= 1 * 1010). Была также получена зависимость между постоянными М~ и М~ при наработке до отказа для случая воздействия пульсирующего напряжения (см. рис. 2 в работе [1]). Подробнее об испытаниях конденсаторов ФСК см. также работу [2].
В табл. 2 сопоставлены режимы испытаний конденсаторов ДС и ФСК по значениям напряженности, рассчитанным в предположении равномерного распределения постоянного напряжения по секциям. Как видно из табл. 2, отказ конденсаторов ФСК в области равномерного поля вследствие старения, обусловленного переменной составляющей напряжения, наступил при средней (по секции) напряженности по постоянной составляющей напряжения Е JTp = 60 кВ/мм, что в 1,6 раза превосходит значение напряженности по постоянной составляющей испытательного напряжения конденсаторов ДС (Е^р = 37,5 кВ/мм). Это косвенно подтверждает, что основной причиной преждевременного отказа конденсаторов ДС является неравномерность распределения постоянного напряжения по секциям.
В табл. 3 представлены значения М~ и ЛГ при наработке до отказа за весь период испытаний для конденсаторов ДС. Расчеты сделаны по методике, изложенной в работе [1].
На рисунке по результатам расчетов представлена зависимость величины М , соответствующей наработанному ресурсу конденсаторов ДС по постоянной составляющей напряжения, от коэффициента неравномерности распределения постоянной составляющей - К (К = 1 соответствует равномерному распределению напряжения по секциям). Относительная наработка по переменной составляющей к моменту отказа составила М~/М^ = 0,025 для конденсатора № 1 и 0,034 для конденсатора № 2. Соответствующий этой наработке остаточный ресурс по постоянной составляющей напряжения находим по рис. 2 работы [1]: М~/Щ = 0,75-0,8. Принимая по результатам испытаний конденсаторов ФСК величину Щ = 1 • 1010, по зависимости рис. 2 получаем, что ресурс по постоянной составляющей напряжения при
Зависимость ресурса М~ при наработке до отказа конденсаторов ДС № 1 и 2 от коэффициента неравномерности распределения постоянной составляющей напряжения по секциям
Таблица 2
М~ = (0,75 - 0,85) • 1010 мог быть наработан за весь период испытаний конденсаторов ДС, если коэффициент неравномерности распределения постоянного напряжения по секциям К = 2,9.
* По данным испытаний конденсаторов ФСК.
Таблица 3
По результатам ускоренных испытаний конденсаторов ДС произведена оценка их срока службы т в рабочих режимах при различных значениях и соотношениях переменной и постоянной составляющих рабочего напряжения. Результаты расчетов, выполненных по методике [1], представлены в табл. 3. Испытанные конденсаторы, у которых вследствие недостатков конструктивного исполнения неравномерность распределения постоянного напряжения по секциям достигает 3, имеют срок службы около 50 лет, т.е. удовлетворяют предъявляемым требованиям по сроку службы. Если же принять меры к выравниванию напряжения по секциям, то можно либо увеличить воздействующее напряжение на конденсатор, либо соответственно уменьшить число последовательно включенных секций в конденсаторе или число конденсаторов в батарее. Например, при равномерном распределении постоянного напряжения по секциям (К = 1), что можно обеспечить установкой параллельно секциям выравнивающих резисторов, увеличение воздействующего напряжения на 33% (1/~ = 107 кВ, U~ = 67 кВ) не приводит к уменьшению срока службы конденсаторов (т = 50 лет).
Заключение. Длительные испытания конденсаторов демпфирующих цепей электропередачи постоянного тока позволили выявить их конструктивные особенности, которые приводят к неравномерному распределению постоянной составляющей напряжения по секциям и значительно снижают срок службы конденсаторов. Выравнивание постоянной составляющей рабочего напряжения позволяет на 30% повысить рабочее напряжение конденсаторов и соответственно уменьшить их число в батарее.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
- Александрова Н. П., Мамина Р. Н., Манн А. К. Закономерности старения конденсаторной изоляции и оценка срока ее службы (см. настоящий сборник).
- Александрова Н. П., Мамина Р. Н., Галахова Л. Н.,Шишкина И. А. Оценка срока службы силовых конденсаторов по данным стендовых испытаний (см. настоящий сборник).
