УДК 621.315.615.2
В. И. Антонов
Изоляция электрооборудования высокого напряжения и вентильные разрядники. Труды ВЭИ, 1982, выл. 91, с.17—22.
Приведены результаты экспериментальных исследований влияния "напряженного" объема на электрическую прочность трансформаторного масла в однородном поле при воздействии грозовых и коммутационных импульсов и напряжения 50 Гц. Получены зависимости
Е50%=f(V) при изменении объема от 10-2 до
102 см закон распределения напряженностей пробоя.
Библиогр.: 3.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЗАВИСИМОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ ТРАНСФОРМАТОРНОГО МАСЛА ОТ "НАПРЯЖЕННОГО" ОБЪЕМА В ОДНОРОДНОМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ
Для выбора размеров главной изоляции трансформаторов высокого напряжения применяется расчетный метод, основанный на сопоставлении допустимых напряженностей в первом масляном канале, полученных эмпирическим путем, с напряженностью, возникающей в этом канале при воздействии испытательного или рабочего напряжения.
Этот метод достаточно хорошо проверен на различных конструкциях главной изоляции и может оцениваться как вполне надежный. Однако область его применения ограничивается масляной изоляцией с барьерами, установленными таким образом, что размер наибольшего масляного канала не превышает 30—50 мм. Если возникает необходимость расчета электрической прочности больших масляных промежутков (больше 100—150 мм) без барьеров или с малым их числом, то указанный метод можно применять только после специальной проверки.
В таких промежутках электрическая прочность подчиняется закономерностям, которые нельзя считать изученными а полной мере. Есть основание полагать, что достаточно универсальной может оказаться методика расчета масляной (в том числе маслобарьерной) изоляции, основанная на теории "напряженного" объема, предложенной Вилсоном [l] . Им было высказано предположение, что электрическая прочность трансформаторного масла существенно зависит от объема масла, находящегося под воздействием высокой напряженности. Вилсон предложил принять в качестве основного фактора, определяющего электрическую прочность масла, так называемый 90%-ный "напряженный" объем, понимая под этим термином ту часть объема масла в промежутке между электродами, в которой напряженность больше или равна 90% максимальной напряженности на электродах. Пользуясь этой гипотезой, Вилсон теоретически рассчитал экспериментальные кривые Пика, однако прямой экспериментальной проверки не было.
В последнее время за рубежом экспериментальной проверкой гипотезы Вилсона занимались многие исследователи, однако наибольший интерес представляют последние работы Икеда [2] и Хигаки [3] . В них исследована зависимость электрической прочности трансформаторного масла в сравнительно однородном электрическом поле с электродами без изоляционного покрытия от "напряженного" объема достаточно широкого диапазона:
10-7-10-6 см3. Результаты этих работ в основном подтверждают гипотезу Вилсона и дают основания полагать, что она может быть положена в основу универсального метода расчета электрической прочности масляной изоляции. Однако для этого необходимы расширение исследований в области электрических полей несколько большей неоднородности с проверкой гипотезы в конструкциях электродов, имеющих покрытие, и, кроме того, устранение противоречий, возникающих при сравнительном анализе результатов работ [2 ] и [3] .
Так, в [21 существенное влияние „напряженного"объема на электрическую прочность установлено во всем диапазоне 10-7—106 см3 при всех видах воздействующего напряжения. В то же время согласно результатам работы [3] это влияние имеет место только при объеме 10-7—103 см3, дальнейшее увеличение его до 106 см3 и более не приводит к изменению электрической прочности. Кроме того, характер зависимости импульсной прочности от „напряженного" объема, полученный в [3] , дает основание предполагать, что в этом случае превалирует не объем, а площадь электродов.
Все указанные выше обстоятельства выявили необходимость начать исследование влияния "напряженного" объема на электрическую прочность трансформаторного масла в однородных полях. При этом была поставлена задача выявить это влияние и определить характер статистического распределения напряжений пробоя в единичном и n-кратном объеме. В статье приводятся результаты этих исследований.
В качестве масляного промежутка, "напряженный" объем которого был принят за единичный, использовался промежуток размером 2,4 мм, образованный стандартными электродами (ГОСТ 17515-75), закрепленными на электродержателе. Единичный "напряженный" объем, рассчитанный по методике ГОСТ 11.006—74, был равен 0,05 см3. Для промежутков объемом, варез большим единичного, использовались плоские электроды диаметром 50 мм ( V = 5 см3) и 250 мм ( V= 170 см3) с расстояниями 2,5 и 3,5 мм.
Закругление краев электродов выполнялось так, чтобы избежать пробоя на краю. При осмотре электродов после опытов было установлено, что следы пробоев рассеяны по всей их поверхности, причем на закругленном крае они практически отсутствовали. Это позволило сделать вывод, что все побочные эффекты — непараллельность электродов, краевой эффект, влияние следов предыдущих пробоев — были устранены. Испытания проводили в баке (из органического стекла) вместимостью 40 л. Предварительно масло очищали от механических примесей и воды о помощью фильтр-пресса по замкнутому циклу, затем подвергали вакуумной сушке. В результате такой технологической обработки масло имело влагосодержание 15—25 г/т, а содержание механических примесей составляло не более 10 г/т.
Испытания проводились 20-ударным ступенчатым методом. Напряжение начальной ступени равнялось 30—36% ожидаемого 50%-ного напряжения пробоя. Интервал между ступенями составлял 5—10% напряжения начальной ступени. В каждом опыте определялись напряжения пробоя с 5 и 50%-ной вероятностью.
Исследования проводились при 1-минутном воздействии напряжения промышленной частоты, грозовом (1,2/50 мкс) и коммутационном (150/800 мкс) импульсах.
Продукты разложения масла после пробоя удалялись из промежутка механической мешалкой с электрическим приводом. Механическая мешалка представляет собой пластину из фторопласта, которая под действием электромеханического привода совершает возвратно-поступательное движение 8 масляном промежутке. Скорость движения пластины была выбрана такой, чтобы в масляном промежутке не возникало пузырей. Время работы мешалки определяла уставка времени. Кроме того, принимались специальные меры для ограничения времени горения дуги. Все эти мероприятия позволяли поддерживать требуемое качество масла и производить очистку после 50 опытов пробоев.
В основу разработанных программ статистической обработки данных эксперимента была положена методика ГОСТ 11.006—74. При этом устанавливалось согласие опытного распределения с теоретическим, определялись математическое ожидание и среднеквадратичное отклонение. В качестве основного критерия, устанавливающего согласие опытного и теоретического распределений, был принят в соответствии с рекомендациями ГОСТ критерий ω2, который является более мощным, чем критерии Пирсона и Колмогорова, и позволяет проводить проверку согласия с опытом, когда число наблюдений равно или превышает 50, в то время как критерий Пирсона требует не менее 200.
Проверялись две гипотезы — распределение экспериментальных данных по нормальному закону и закону Вейбула. В таблице приведены результаты статистической обработки всех полученных данных.
Результаты расчетов функции распределения напряжений пробоя позволили установить, что для всех обследованных промежутков с „напряженными" объемами 0,05, 5 и 170 см3 при воздействии грозового и коммутационного импульсов предпочтительной является функция распределения Вейбула, которая может быть изображена следующим уравнением:
(1)
где Е — текущие значения напряженности; Ев — напряженность, при которой вероятность пробоя равна нулю; E1 - коэффициент, учитывающий форму распределения; т — коэффициент, учитывающий наличие пробивных факторов.
Когда воздействующая напряженность равна Ед , то Р(Е) равна нулю в соответствии с (1), так что существует предельное напряжение, при котором вероятность пробоя равна нулю. Расчеты показали также, что для напряжения промышленной частоты функция распределения Вейбула оказалась предпочтительной для единичного объема и неприемлемой для объемов 5 и 170 см3. Для этих объемов справедливым оказалось предположение о нормальном законе распределения.
Анализ экспериментальных данных показал, что при увеличении объема масла в электродном промежутке кривые распределения в каждом опыте становятся все более острыми, т. е. уменьшается интервал между 5 и 50%-ными напряжениями пробоя, причем уменьшение интервала столь существенно, что в опытах с большими объемами практически не удалось определить 5%-ные напряжения пробоя.
Закономерность изменения среднеквадратичного отклонения напряжения пробоя с увеличением объема масла между электродами практически не установлена, она лежит в пределах 3—9%. Обращает на себя внимание различный наклон кривых при импульсных воздействиях и при 1-минутном воздействии напряжения промышленной частоты (см. рисунок). При грозовом импульсе увеличение „напряженного" объема масла в 104 раза привело к снижению электрической прочности в 1,8 раза, при коммутационном в 1,7 раза и при воздействии напряжения промышленной частоты в 1,5 раза.
Зависимость электрической прочности масла от „напряженного" объема:
Δ - грозовой импульс; □ - коммутационный импульс;
* - 1-минутное напряжение частотой 50 Гц
Список литературы
- WiIson W. R. Fundamental factor controling the unit dielectric strength of oil. -TAIEE, 1953, voi. 72, Pt. 111, p. 68-73.
- Murano M., Men Ju S„ Ikeda M., Hasegava N. Experimental extension of volume effect on breakdown of transformer oil. — IEEE Power Engineering Society Winter Meeting. Nem York, N. Y., 1974, Paper C 74 236-6.
- Higaкi Μ., Endоu К., К a m a t a J., Hashi M. Breakdown performances of transformer oil in arrangement "Cylinder — Plane to 200 mm and teihz application of external winding - tank wall for insulation gap in the transformer E. Η. V. — IEEE Power Engineering Society Winter Meeting. New York, U. Y„ 1975, Paper C 75 116-9.
