МИНИСТЕРСТВО ЭНЕРГЕТИКИ И ЭЛЕКТРИФИКАЦИИ СССР
ОРДЕНА "ЗНАК ПОЧЕТА" НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ПО ПЕРЕДАЧЕ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ПОСТОЯННЫМ ТОКОМ ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ (НИИПТ)
Исследование старения и срока службы внутренней изоляции электрооборудования высокого напряжения
Сборник научных трудов НИИПТ
Ленинград
ЭНЕРГОАТОМИЗДАТ Ленинградское отделение 1985
Сборник посвящен проблемам длительной электрической прочности внутренней изоляции, а также вопросам оценки сроков службы этой изоляции. В нем рассматриваются результаты экспериментальных и теоретических исследований и длительных стендовых испытаний различных видов внутренней изоляции.
ПРЕДИСЛОВИЕ
ПРОБЛЕМЫ СТАРЕНИЯ ВНУТРЕННЕЙ ИЗОЛЯЦИИ ВЫСОКОВОЛЬТНОГО ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ
В настоящее время обеспечение высокой надежности высоковольтного электроэнергетического оборудования, в том числе его изоляции, является одной из важнейших задач техники высоких напряжений. Значимость проблемы обусловлена наличием двух современных тенденций развития этого оборудования - увеличением номинального напряжения и единичной мощности отдельных машин, трансформаторов и аппаратов и стремлением к оптимизации их конструкций по минимуму капитальных и эксплуатационных затрат при заданном уровне надежности. Применительно к изоляции обе тенденции реализуются путем минимизации запаса ее электрической прочности по условию обеспечения заданного уровня надежности работы изоляции в нормированных условиях в течение нормированного срока службы.
В этой связи особое значение приобретает вопрос о достоверной оценке срока службы высоковольтной изоляции. ”Руководство по оценке и идентификации систем изоляции электрического оборудования” (Публикация (отчет) МЭК № 505 1975 г.) предусматривает обязательное включение в код, идентифицирующий изоляционную систему, количественного показателя срока службы, определяемого ”... либо путем оценки опыта эксплуатации либо путем функциональных испытаний на самом оборудовании или на его частях или моделях”.
Анализ литературных материалов, посвященный проблемам старения электрической изоляции, показывает, что, несмотря на обилие публикаций по этому вопросу, практически нет рекомендаций по промышленным методам испытаний изоляционных конструкций на срок службы. Что касается теорий старения электрической изоляции, то их эффективная разработка началась с плодотворной идеи (1948 г.) о подходе к старению как к химической реакции и, следовательно, использованию для его исследования аппарата теории реакций и законов химической кинетики. Особенно полезным оказалось применение эмпирического закона Аррениуса, связывающего константу скорости химической реакции с температурой процесса, при изучении закономерностей термического старения изоляции. Разработка же теорий электрического старения, т. е. старения в результате воздействия электрического поля, началась в 1960-х гг., когда были предприняты попытки теоретически обосновать известный с 1920-х гг. ’’закон обратной степени” - эмпирическое соотношение
(1)
где А - постоянные; т - время до пробоя; Е - напряженность электрического поля. Для этой цели была использована полученная теоретическим путем формула Эйринга, устанавливающая взаимосвязь константы скорости процесса разрушения межмолекулярных и межатомных связей с энергетическим состоянием изучаемой системы. По Эйрингу скорость этого процесса определяется не теплотой активации, а свободной энергией активации, которая зависит от температуры процесса и воздействия любого внешнего фактора (например, электрического поля, давления и т. п.), увеличивающего энергию системы.
В виде, удобном для рассмотрения задач старения электрической изоляции, формула Эйринга может быть записана так:
(2)
где R - константа скорости; kt, кг, к3, т, В - постоянные, не зависящие от времени, абсолютной температуры Т и внешнего фактора S, R0 - константа скорости при / (5) = 0, а
(3)
где Л0 и и зависят от температуры. Рассматривая старение как процесс разрушения межмолекулярных и межатомных связей, из выражения (4) легко получить (1).
С другой стороны, известно, что значительное количество опытных данных о взаимосвязи срока службы и электрической прочности хорошо описывается двумерным распределением Вейбулла
(5)
щеа,а,Ь - постоянные. Если в (5) положить Р(т, Е) = const, то можно получить семейство эквивероятностных кривых
(6)
откуда при и = b/а следует (1).
Приведенные выше соображения, а также положения о линейности накопления разрушений и о наступлении отказа при достижении определенной степени разрушения, которая в заданных условиях работы изоляционной системы является ее константой, легли в основу существующих феноменологических теорий старения электрической изоляции. Наиболее продуктивными среди них представляются теория Симони (Simoni), которую автор развивает, идя от общих принципов разрушения твердого тела, и статистическая теория, предложенная Уденом (Oudin). Следует подчеркнуть, что эти теории не противоречат друг другу, а представляют собой подход к одному вопросу с разных сторон. Применительно к простым изоляционным системам (образцы материалов, элементарные макеты изоляции) могут быть с успехом использованы обе теории; что касается сложных систем (образцы оборудования), то в практическом плане более удобным представляется использование статистической теории.
Среди успешных попыток теоретически подойти к проблеме старения на основе анализа физических процессов, происходящих в изоляции, следует отметить работы Г. С. Кучинского (конденсаторы), С. Н. Койкова и А. Н. Цикина, М. А. Багирова, В. П. Малина и С. А. Абасова (полимерные пленки), J1. Д. Бобровской (изоляция из эпоксидных смол), Ю. С. Пинталя (конденсаторы, бумажно-масляная изоляция), Ю. В. Образцова (силовые кабели) и др.
При эксплуатации оборудования на его изоляцию воздействует комплекс внешних и внутренних факторов, определяющих процесс постепенного ухудшения параметров изоляции, т. е. ее старения. Скорость процесса зависит от варианта сочетания этих факторов, уровня их воздействия и т. д. Известно также, что скорость старения при одновременном воздействии нескольких факторов больше суммы скоростей старения изоляционной системы при раздельном действии на нее тех же по виду и значению факторов. В конечном итоге в изоляции происходит изменение физикохимических свойств составляющих ее материалов. Отказ изоляции можно квалифицировать как результат постепенного или внезапного ухудшения физико-химических свойств материала или материалов до уровня, при достижении которого дальнейшая надежная эксплуатация изоляции или оборудования становится невозможной.
Принципиально испытание изоляции на срок службы заключается в таком воспроизведении комплекса характерных для длительного рабочего режима эксплуатационных воздействий на объект испытания, которое приводит его изоляцию к состоянию отказа. Отсюда следует, что для проведения испытания на срок службы необходимы следующие исходные данные:
- виды и значения внешних воздействий (электрических, тепловых, механических и др.) на изоляцию в эксплуатации в течение срока службы и зависимости этих значений от времени;
- сведения о зависимости характеристик материалов, входящих в изоляционную систему, от воздействия различных факторов и их сочетаний;
- сведения о показателях изоляции объекта, эффективно характеризующих ее состояние и контролируемых извне как при испытаниях, так и в эксплуатационных условиях;
- сведения о предельных значениях контролируемых показателей объекта, отвечающих моменту наступления отказа, т. е. о критериях отказа;
- данные о допустимых методах ускорения испытаний, т. е. форсирования процесса старения изоляции без искажения механизма этого процесса по сравнению с тем, который имеет место в реальных эксплуатационных условиях, с целью проведения испытаний в сроки, значительно меньшие действительного срока службы, который может составлять десятки лет.
Как известно, изменения параметров изоляции во времени имеют статистический характер и, следовательно, достоверные результаты испытаний на срок службы могут быть получены лишь на представительной выборке объектов. Особые требования предъявляются к техническим средствам, необходимым для проведения таких испытаний; одним из наиболее важных требований является высокая степень автоматизации управления испытательной установкой и средствами измерения характеристик изоляции объекта.
Приведенный выше краткий перечень исходных данных и технических требований иллюстрирует высокую степень сложности и, следовательно, стоимости таких испытаний по сравнению со стандартными кратковременными испытаниями изоляции. В сущности собственно испытание на срок службы является заключительным в цикле работ, где ему предшествуют исследования и испытания, необходимые для получения перечисленных выше исходных данных.
Как правило, при определении срока службы изоляции реального изделия по результатам испытаний приходится решать проблему двух экстраполяций этих результатов: от ускоренного режима испытаний к нормальному рабочему режиму и от размеров объекта испытаний к размерам реального изделия. Если вторая задача чаще всего решается известными методами статистики, то первая экстраполяция неизбежно требует создания (или выбора) теоретической или экспериментальной математической модели старения. Эта задача плохо поддается формализации и в то же время является ключевой проблемой, решение которой однозначно предопределяет успех испытаний на срок службы.
Анализ современного состояния проблемы определения срока службы показывает, что наряду с проведением испытаний конкретных изоляционных систем и изделий следует считать не менее важными разработки методов подобных испытаний, а также физических и математических моделей старения для различных промышленных изоляционных систем, создание технических средств для проведения таких испытаний, поиск эффективных контролируемых извне характеристик состояния изоляции с тем, чтобы в конечном итоге сформировать методы промышленных испытаний изоляции различных видов высоковольтного электрооборудования на срок службы.
Настоящий сборник содержит работы в области старения и оценки срока службы различных систем высоковольтной изоляции, выполненные НИИПТ совместно с промышленными предприятиями и другими научно-исследовательскими организациями. В последние годы работы этого направления в НИИПТ активизировались и расширились, чему в значительной степени способствовало оснащение института новыми, в том числе специализированными, техническими средствами для длительных испытаний высоковольтной изоляции и измерения ее характеристик, а также для автоматизации этих работ.
В настоящее время НИИПТ проводит исследования старения и длительные испытания изоляции силовых и специальных конденсаторов, силовых высоковольтных кабелей, силовых высоковольтных трансформаторов, эпоксидных изоляционных элементов КРУЭ, изоляции высоковольтных электрических машин и генераторных токопроводов, а также исследования и разработки, направленные на решение комплекса проблем, связанных с созданием промышленных методик испытаний на срок службы. При этом целями длительных испытаний изоляции являются не только определение сроков службы готовых изделий, но и исследование характеристик различных конструкторско-технологических вариантов вновь разрабатываемых изделий, сравнительное изучение различных характеристик изоляционных систем ит. д.
Материалы сборника могут представлять интерес для специалистов, работающих в области проектирования, производства и исследования высоковольтного электрооборудования, а также занятых эксплуатацией такого оборудования.
А. Г. Левит
