К расчету внешней изоляции элегазовых вводов

Исследованы закономерности возникновения и развития безэлектродного поверхностного разряда на внешней поверхности покрышки. Приведены данные испытаний элегазовых вводов с полимерной изоляцией. Указаны пороговые значения напряженностей, при которых может произойти перекрытие воды.

УДК 621.315.626.064.242.001.24
В. В. Акимов, А. А. Панов
К РАСЧЕТУ ВНЕШНЕЙ ИЗОЛЯЦИИ ЭЛЕГАЗОВЫХ ВВОДОВ

Газоизолированные вводы выгодно отличаются от вводов с бумажно-масляной изоляцией малой массой, простотой конструкции, технологичностью изготовления, пожаро- и взрывобезопасностью. В отечественной практике чаще всего используются вводы без промежуточных конденсаторных обкладок, у которых распределение напряженности по внешней поверхности покрышки, разделяющей элегаз и атмосферный воздух, по характеру приближается к распределению напряженности в промежутках стержень —  стержень. Вследствие этого при некоторых критических значениях напряженности на внешней поверхности покрышки возникает так называемый безэлектродный поверхностный разряд (БПР) [1, 2], каналы которого до определенного момента не имеют гальванической связи с проводящими деталями конструкции.
Для расчета внешней изоляции элегазовых вводов важно знать, как возникает БПР, при каких условиях он развивается в полное перекрытие промежутка между высоковольтными и заземленными частями ввода.
Исследования проводились на макетах элегазовых вводов с двумя типами стеклоэпоксидных покрышек: гладкими (ГП) и с оребренным защитным слоем (ОП) из кремний-органической резины. На рисунке представлены эскизы макетов и распределение напряженности электрического поля по внешней поверхности покрышек, рассчитанное на ЭВМ по программе AXIAL [3].

Эскиз макета элегазового ввода с гладкой стеклоэпоксидной (а) и оребренной силоксановой (б) покрышками и распределение напряженности электрического поля по их внешней поверхности:
E, ER — составляющие напряженности, соответственно параллельная и перпендикулярная оси ввода; E∑ — модуль напряжённости

При исследованиях давление воздуха изменялось от 98,5 до 100,8 кПа, температура — от 288 до 289 К, относительная влажность — от 30 до 75%.
Получены зависимости напряжений возникновения БПР и напряжений перекрытия внешней изоляции макетов от вида воздействующего напряжения, типа покрышки и влажности воздуха. Значения напряжений, приведенные к нормальной плотности воздуха, представлены в таблице.

Экспериментально установлено, что при воздействии грозовых импульсов напряжение перекрытия зависит от полярности импульса и практически не зависит от типа покрышки и влажности воздуха. Предразрядные явления визуально не наблюдались.
После перекрытия внешней изоляции ввода с ОП в районе 4-го и 11-го ребер (считая снизу) оставался черный след. Промежутки от 4-го ребра до заземленного фланца и от 11-го до высоковольтного экрана перекрывались по воздуху. После 10—15 перекрытий последующие разряды ориентировались на ранее оставленные следы и напряжение перекрытия снижалось примерно на 10%.
При воздействии переменного напряжения промышленной частоты перекрытие внешней изоляции исследуемых макетов развивалось различно. Полному перекрытию внешней изоляции макета с ОП предшествовало периодическое возникновение БПР в виде отдельных стримеров, перекрывающих промежутки между 4—6-м ребрами. При увеличении напряжения БПР возникали все чаще, так что в межреберных промежутках наблюдалось одновременно несколько стримеров. Непосредственно перед полным перекрытием стримеры распространялись не только в аксиальном направлении, но и вокруг цилиндрической части покрышки, образуя под ребрами почти полностью замкнутые кольца. После БПР на поверхности кремний-органического защитного покрытия оставались темные следы. Перекрытие внешней изоляции макета с ОП происходило без возникновения визуально наблюдаемых предразрядных явлений.
Эксперименты при переменном напряжении показали, что напряжение возникновения БПР и напряжения перекрытия внешней изоляции макета с ОП зависят от влажности воздуха. Увлажнение покрышки (имитация выпадения росы) привело к уменьшению напряжения возникновения БПР и изменило визуально наблюдаемую картину явления: вместо отдельных стримеров возникло диффузное свечение, как бы чехлом обволакивающее поверхность покрышки в районе 3—7-го ребер. Приводим результаты экспериментов.

В [2] выдвинута гипотеза о влиянии на электрическую прочность внешней изоляции вводов зарядов, появляющихся на поверхности покрышки при воздействии напряжения. Эта гипотеза проверена методом электрографии [4]. Эксперимент проводился на макете с ОП. После одноминутного воздействия на макет переменного напряжения покрышка обрабатывалась электрографической смесью, в результате чего получалась качественная картина распределения зарядов по ее поверхности.
Установлено, что с увеличением влажности воздуха напряжение, при котором появляются поверхностные заряды, обнаруживаемые электрографическим методом, уменьшается: при относительной влажности 30% оно составило 650 кВ, при 75% — 540 кВ. Визуально наблюдаемые БПР в обоих случаях отсутствовали.
Распределение зарядов по поверхности покрышки менялось случайным образом от воздействия к воздействию, однако первые заряженные участки поверхности обнаруживались в области максимума напряженности между 4-м и 6-м ребрами. Взаиморасположение разноименно заряженных участков было таким, что электрическое поле на границе раздела твердого диэлектрика и воздуха приобретало дополнительную составляющую, перпендикулярную оси покрышки и касательную к ее поверхности. Появлением этой составляющей обусловлено распространение БПР вокруг цилиндрической части покрышки.
После воздействия грозовых импульсов амплитудой 950 кВ заряд обнаружен только на верхнем ребре, остальная часть поверхности покрышки осталась незаряженной. Знак заряда совпадал с полярностью воздействовавших импульсов.
Объяснение полученных результатов обосновывали следующим тезисом: для полного перекрытия внешней изоляции ввода напряженность в воздухе должна быть достаточной, во-первых, для формирования каналов разряда БПР и, во-вторых, для распространения их вдоль всего промежутка.
При напряжении промышленной частоты зависимость разрядного напряжения от типа покрышки, по-видимому, обусловлена различным распределением электрического поля по поверхности ГП и ОП.
Из сравнения расчетных зависимостей напряженности осесимметричного электрического поля вблизи внешней поверхности покрышки от аксиальной координаты видно, что в области максимума (эта область, расположенная несколько выше края внутреннего
заземленного экрана, показана на рис. б) напряженность под ребрами примерно на 15% выше, чем в тех же точках вблизи поверхности ГП. У краев ребер напряженность примерно в три раза ниже, чем вблизи поверхности ГП.
В одинаковых атмосферных условиях (плотность воздуха нормальная, относительная влажность 75%) максимальная расчетная напряженность вблизи поверхности ОП при возникновении БПР и ГП при перекрытии отличаются на 3,5% и составляют примерно 1,85 МВ/м. Эта дает основание предполагать, что БПР, возникший на поверхности ГП, сразу развивается в полное перекрытие внешней изоляции ввода, и визуально различить эти две стадии разряда невозможно.
Перекрытие внешней изоляции ввода с ОП происходит тогда, когда БПР могут распространиться в аксиальном направлении вдоль всей поверхности покрышки. Сопоставление результатов расчета электрического поля и экспериментальных данных показало, что при перекрытии расчетное значение аксиальной (т. е. параллельной оси ввода) составляющей напряженности у краев ребер в области максимума должно быть не менее 0,7 МВ/м.
При воздействии грозовых импульсов к моменту перекрытия аксиальная составляющая напряженности как вблизи поверхности ГП, так и у внешних краев ребер уже превышает 0,7 МВ/м, т. е. достаточна для формирования полного перекрытия. Условием перекрытия внешней изоляции является возникновение БПР. Поскольку БПР возникают на поверхности обеих покрышек примерно при одинаковых напряжениях, напряжение перекрытия не зависит от типа покрышки.
Зависимости напряжения перекрытия внешней изоляции макетов от вида воздействия и влажности воздуха обусловлены, видимо, влиянием поверхностных зарядов. Как показали эксперименты с электрографической смесью, заряды в области максимума напряженности появляются только при воздействии переменного напряжения, причем с увеличением влажности воздуха образование зарядов происходит при меньших напряжениях. Минимальная плотность поверхностного заряда, которая может быть зафиксирована при помощи электрографической смеси, составляет примерно 10-5 Кл/м² [5]. Заряды такой плотности могут создавать собственное поле с напряженностью до 1 МВ/м и, очевидно, вносят существенные искажения в основное осесимметричное поле ввода.

При воздействии грозовых импульсов заряды, вероятно, не успевают образоваться, электрическое поле остается неискаженным. Отсюда следует, что напряженность, при которой возникают БПР, составляет примерно 3 МВ/м, а напряжение перекрытия не зависит от влажности воздуха. При воздействии переменного напряжения заряды вносят существенные искажения в основное поле ввода, превращая его из осесимметричного в трехмерное. Напряженность в воздухе увеличивается, чем облегчаются условия как для возникновения БПР, так и для развития их в полное перекрытие. Этим объясняются значительная (до 30%) разница в напряжениях перекрытия при воздействии импульсного и переменного напряжений, а также зависимость электрической прочности внешней изоляции от влажности воздуха.

ВЫВОДЫ

Для вводов внутренней установки с ГП рекомендуется выбрать диаметр покрышки таким, чтобы максимальная напряженность на ее поверхности не превышала 1,85 МВ/м при воздействии напряжения промышленной частоты и 3 МВ/м при воздействии грозовых импульсов.
Вылет ребер следует выбирать таким, чтобы аксиальная составляющая напряженности основного поля ввода у краев ребер не превышала 0,7 МВ/м.
Для вводов наружной установки рекомендуется выбирать диаметр цилиндрической части покрышки таким, чтобы при воздействии рабочего напряжения максимальная напряженность не превышала 1,85 МВ/м.