Линейные и трансформаторные элегазовые вводы

УДК 621.315.626.064.242

Изоляция электрооборудования высокого напряжения и вентильные разрядники. Труды ВЭИ, 1982, выл. 91, с. 116—128.
Приведены габаритно-массовые характеристики вводов с элегазовой, бумажно-масляной, твердой и полипропилено-элегазовой изоляцией для освоенных классов напряжения 110—220 кВ, показана практическая независимость радиального размера вводов от рода основной изоляции.
Изложены результаты исследования и оптимизации электрического поля вводов конденсаторного типа, а также с системой электродов цилиндр — диск и цилиндр — цилиндр. Показана возможность дальнейшего совершенствования этих вводов на высокие классы напряжения.
Библиогр.: 5.

М. И. Сысоев, А. В. Акимов, Л. В. Игнатьева, С. И. Роганкова, А. А. Филиппов
ЛИНЕЙНЫЕ И ТРАНСФОРМАТОРНЫЕ ЭЛЕГАЗОВЫЕ ВВОДЫ

ВВЕДЕНИЕ

Линейные элегазовые вводы, служащие для связи ВЛ и элегазовых шинопроводов, уже нашли широкое применение. Их конструкции непрерывно совершенствуются и возможности еще далеко не исчерпаны. Совершенствование идет по пути как уменьшения радиальных размеров, так и увеличения механической надежности. Отметим, что материал изоляционных покрышек вводов подвергается достаточно большим механическим нагрузкам из-за давления газа внутри вводе, влияния ветра, гололеда и тяжести проводов.
В табл. 1 даны основные габаритно-массовые показатели вводов 110—330 кВ с различной основной изоляцией между токоведущим электродом и заземленным фланцем: твердой, бумажно-масляной, элегазовой и полипропилено-элегазовой. Сравнивая радиальные размеры по внутреннему диаметру изоляционной покрышки освоенных в производстве вводов 110 и 220 кВ, о которых имеются наиболее точные данные, видим, что род основной изоляции практически не влияет на основной радиальный размер.
Однако массы этих вводов в некоторых случаях существенно отличаются из-за выбора той или иной конфигурации фарфоровой покрышки за счет различных ее конусности и толщины стенок. Например, остов ввода с твердой изоляцией может быть проточен по острому конусу, а следовательно, и покрышка может быть изготовлена легкой. Кроме того, твердый остов позволяет закрепить его жестко механически в заземленном фланце, что разгружает покрышку от механических напряжений, возникающих от действия массы остова.
Большую роль в выборе типа конструкции играют традиции и налаженная технология производства обычных вводов, которые, естественно, стремятся использовать и при производстве элегазовых вводов.
В отечественной практике разрабатывается направление, в котором задача повышения механической прочности решается посредством стяжки изоляционных покрышек с помощью пружинного механизма, позволяющего разгрузить фарфор от растягивающих напряжений (рис. 1,а). Изоляция между токоведущим проводником и заземленным фланцем осуществляется посредством элегаза при избыточном давлении 0,25-0,3 МПа. Основные преимущества таких вводов - простота конструкции и технологии, а следовательно, и низкая стоимость.

Таблица 1

Трансформаторные вводы, служащие для ввода напряжения из трансформатора или реактора в элегазовый шинопровод, в отличие от линейных вводов находятся на начальной стадии разработки. Наметились два основных направления создания вводов: с твердой или традиционной бумажно-масляной изоляцией между токоведущим электродом и заземленным фланцем; с элегазовой изоляцией между указанными электродами (рис. 2).
В обоих случаях изоляция между экраном ввода, стенкой бака и обмоткой трансформатора осуществляется посредством масла, а между другим экраном ввода и оболочкой шинопровода — посредством элегаза.
Как показывают предварительные расчеты, а также результаты испытаний макетов, вводы с элегазовой изоляцией между токоведущим электродом и заземленным фланцем будут иметь примерно те же радиальные размеры, что и вводы с бумажно-масляной изоляцией, но аксиальные размеры у первых примерно в 2 раза меньше, чем у вторых. Приблизительно такое же соотношение и между массами этих вводов.

Рис 1. Линейные элегазовые вводы отечественной конструкции: а — с системой электродов цилиндр —диск; б — с видоизмененной системой электродов цилиндр—цилиндр и переменным сечением токоведущего электрода; 1 — токоведущий стержень; 2 — заземленный фланец; 3 — изоляционные покрышки; 4 — заземленный экран; 5 - тороидальный край заземленного цилиндра; 6 - пружинный механизм

Малые аксиальные размеры элегазовых вводов позволят устанавливать их перпендикулярно оси обмотки трансформатора, т. е. в горизонтальном положении, что удобно для сочленения их с элегазовым шинопроводом, который обычно также располагается горизонтально. Кроме того, прорабатываются варианты решений, позволяющие устанавливать и заменять элегазовые вводы без слива масла из трансформатора.
Одна из главных проблем создания элегазовых трансформаторных вводов — разработка конструкции, исключающей попадание в трансформаторное масло элегаза, пузырьки которого могут резко снизить прочность трансформаторной изоляции. И здесь наметилось определенное преимущество элегазовых вводов перед вводами с бумажно-масляной изоляцией. Однако в связи с необходимостью разработки новой маслобарьерной изоляции между обмоткой трансформатора, его баком и экраном ввода, что потребует значительного времени, разрабатываются оба типа вводов.
Как показали исследования и опыт эксплуатации, линейные вводы на напряжения 110 и 220 кВ целесообразно делать без конденсаторных обкладок. По-видимому такая конструкция будет распространена на более высокое напряжение. Однако для трансформаторных вводов, где получение минимальных радиальных и аксиальных размеров является доминирующим над всеми остальными требованиями, вводы конденсаторного типа в некоторых случаях могут оказаться предпочтительными.

Рис. 3. Изменение относительной напряженности поля на токоведущем электроде при отклонении его радиуса от оптимального соответственно для систем электродов цилиндр — диск (1) и цилиндр — цилиндр (2)
Если учесть снижение допустимой напряженности поля в связи с увеличением площади электродов при увеличении числа обкладок, то рассматриваемый эффект будет еще меньше. Все это позволяет сделать вывод о нецелесообразности применения в элегазовых вводах более одной (максимум двух) промежуточной обкладки.

Вводы без конденсаторных обкладок. Как показывают исследования и опыт эксплуатации, элегазовые вводы на напряжение 110— 220 кВ, а возможно, и на более высокое, целесообразно делать без конденсаторных обкладок. При этом могут быть различные системы изоляции между токоведущим проводником и заземленным фланцем: коаксиальные цилиндрические электроды и цилиндр - диск с закругленным краем (рис. 1, а). Первая система давно известна и широко используется, вторая предложена недавно.
Преимущество системы электродов цилиндр — диск по сравнению с системой цилиндр — цилиндр состоит в том, что поле в ней является более однородным. Радиальные размеры вводов с новой системой электродов на 15% меньше соответствующих размеров вводов с традиционной системой. Следует также отметить следующее экспериментальное наблюдение. Система электродов цилиндр — диск не требует столь тщательной чистоты сборки и обработки поверхности электродов, как система цилиндр — цилиндр. Это обстоятельство несомненно связано с уменьшением площади электродов с большой напряженностью в новой системе по сравнению с традиционной. Таким образом, с учетом упрощения конструкции, уменьшения поверхности электродов с большой напряженностью общее снижение радиальных размеров следует оценить на уровне 25%. Приведенные результаты показывают, что применение вводов с системой электродов цилиндр — диск безусловно предпочтительнее, так как позволяет значительно снизить размеры ввода без использования промежуточных обкладок.
Как показывают расчеты поля системы цилиндр - диск, оптимальные размеры системы получаются при соотношении радиусов токоведущего электрода диска R и его скругления (рис. 1), равном
1:2, 6:0, 21. При этих расчетах приближенно учитывалось влияние на поле наружного экрана 4 (рис. 1,а). Коэффициент неоднородности поля отношение максимальной напряженности к средней — равен 1,45.
Зависимость напряженности поля на токоведущем электроде от соотношения между его радиусом и расстоянием от его оси до заземленного диска не имеет ярко выраженного минимума (рис. 3, кривая 1). В то же время с целью уменьшения напряженности поля на наружной поверхности изоляционной покрышки, а также иногда по конструктивным соображениям может оказаться целесообразным уменьшить радиус токоведущего электрода. Для оценки изменений, которые могут произойти в этом случае, покажем, как изменяются соответствующие напряженности. Из рис. 3 следует, что при уменьшении r1 на 20% оптимального напряженность на токоведущем электроде увеличится на 2,5%. В то же время расчет показывает, что для сохранения неизменной напряженности все размеры должны быть увеличены на 2,5%, а напряженность на внешней поверхности изоляционной покрышки снизится при этом на 10%.
Одним из недостатков вводов без конденсаторных обкладок является высокая напряженность поля на внешней поверхности изоляционной покрышки напротив края заземленной обкладки или наружного экрана 4 (рис. 1, а). Для устранения этого недостатка предложена видоизмененная система коаксиальных цилиндров, в которой закругленные края заземленного цилиндра заходят внутрь его (рис. 1,б), а не наружу, как это делается обычно. В рассматриваемом случае сильное поле на краях цилиндра как бы отодвигается внутрь промежутка и тем самым ослабляется поле в наружной части промежутка.
Применение видоизмененной системы коаксиальных цилиндров позволяет снизить напряженность на наружной поверхности изоляционной покрышки вблизи края заземленного цилиндра примерно на 20%.
Как показывают расчеты, радиус токоведущего электрода в рассматриваемом случае меньше радиуса, соответствующего радиальному размеру обычной системы цилиндр — цилиндр. Однако это не приводит к заметному увеличению напряженности на токоведущем электроде в средней части рассматриваемого промежутка, где поле соответствует полю системы цилиндр — цилиндр без учета краевого эффекта. Это происходит вследствие того, что зависимость рассматриваемой напряженности от радиуса этого электрода имеет слабо выраженный минимум. Таким образом, новая система электродов в отношении размеров внутренней изоляции практически не отличается от обычной системы цилиндр — цилиндр, а в отношении внешней изоляции, как уже отмечалось, существенно лучше.
Оптимальные радиусы токоведущего электрода r1, заземленного цилиндра R и скругления тороида для предлагаемой системы относятся друг к другу как 1:3, 2:0,25. Коэффициент неоднородности поля
f = 1,7.
Знание соотношений между r1и r3, коэффициента f и напряженности Ед позволяет легко определить необходимые радиальные размеры ввода
(6)
откуда
(7), где UM — испытательное напряжение.
Дальнейшее снижение напряженности поля на внешней поверхности изоляционной покрышки может быть достигнуто применением токоведущего электрода переменного сечения. Диаметр электрода выбирают на пределах заземленного цилиндра исходя из оптимальных соотношений (6), (7). Далее в сторону наружной части ввода этот диаметр уменьшается на коротком промежутке, равном примерно 1,5 диаметра, плавно до половины начального диаметра, что позволяет снизить напряженность на внешней поверхности изоляционной покрышки еще на 20%.

РАСЧЕТ АКСИАЛЬНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ

При расчете аксиального поля части ввода, находящейся в среде атмосферного воздуха, в общем случае необходимо решить три задачи: выбранное разрядное расстояние между верхним наружным экраном и заземленным фланцем (рис. 1,б), а также форма экрана должны обеспечить необходимую электрическую прочность воздушного промежутка между экраном и заземленным фланцем и окружающими заземленными предметами (пол или стенка);
высота ввода должна быть достаточной для обеспечения необходимой длины пути утечки, если ввод подвергается атмосферным воздействиям;
максимальная напряженность на поверхности изоляционной покрышки не должна превосходить определенного допустимого значения, выше которого возникает без электродный разряд по поверхности в месте нахождения этой напряженности.
Первые две задачи решаются традиционными методами. Отметим, что при выборе воздушного промежутка и формы верхнего наружного экрана следует учитывать некоторое влияние токоведущего проводника и конденсаторных обкладок на улучшение распределения поля
в воздушном промежутке. Обычно это влияние приводит к увеличению разрядного напряжения примерно на 10%. Для начальной оценки формы экрана и разрядного расстояния можно воспользоваться соответствующими данными, имеющимися для уже разработанных и испытанных вводов с бумажно-масляной изоляцией.
Третья задача является наиболее сложной и трудной. Она еще находится на начальной стадии решения, и имеются только ориентировочные данные, полученные на основе разработки и испытания вводов 110— 500 кВ. При наблюдении за развитием разряда вдоль поверхности изоляционной покрышки без ребер были отмечены следующие явления. Разряд возникает в месте максимальной напряженности поля, которое расположено несколько выше края внутреннего заземленного экрана. Поле в этом месте направлено вдоль поверхности, а нормальная составляющая практически равна нулю [3]. При хорошо обработанной поверхности (проточенной, а затем лакированной) и влажности окружающего воздуха меньше 50% разряд возникает при напряженности, зависящей от вида напряжения и равной примерно 30 кВ/см при грозовом и коммутационном импульсах независимо от общей длины разрядного промежутка и 15—23 кВ/см (амплитудное значение) при напряжении промышленной частоты в зависимости от длины промежутка. При 60, 80, 120 и 200 см амплитудные значения напряженности при напряжении частотой 50 Гц равны 23; 20,3; 16 и 15,6 кВ/см соответственно, а при напряжении грозового импульса 29,5; 29,2; 29,5 и 26,4.
Существенно более низкая, чем у воздуха, разрядная напряженность длинных промежутков при напряжении промышленной частоты и отсутствие этого несоответствия при импульсных напряжениях делают правдоподобной гипотезу о существенном влиянии объемных зарядов на поверхности изоляционной покрышки. По-видимому, здесь имеет место явление, аналогичное явлению при высокочастотном разряде в воздушном промежутке. При этом следует иметь в виду, что подвижность зарядов на поверхности диэлектрика может быть существенно ниже, чем непосредственно в воздухе.
Испытание вводов с ребрами, а также с покрышкой, имеющей гладкую поверхность, показало, что при длинах промежутков, характерных для вводов 220 и 500 кВ, оребрение повышает разрядные градиенты на 20—30%, а повышенная влажность снижает эти градиенты на 20%. Ребра, по-видимому, служат барьерами для распространения без электродного разрядного канала вдоль поверхности изоляционной покрышки. Таким образом, при расчете вводов 220 кВ и выше необходимо брать в качестве расчетной допустимой напряженности по поверхности гладких изоляционных покрышек при напряжении промышленной частоты 8 кВ/см (действующее значение), а при наличии ребер — 10 кВ/см. Отметим, что необходимы дальнейшие исследования для уточнения приведенных значений напряженности и раскрытия физических явлений, происходящих при этом процессе разряда.
Как показывает опыт, длина изоляционной конусной покрышки отечественных вводов определяется из условия необходимой механической прочности.

Таблица 3

Короткие покрышки в виде полусферы и близкие к ней по форме имеют значительные механические напряжения растяжения. В то же время как фарфор, так и эпоксидный компаунд имеют низкую прочность при растяжении. Обычно угол между осью и образующей должен быть около 20°. В этом случае аксиальные напряженности поля достаточно малы и весь расчет по сути дела сводится к выбору формы экрана с помощью ЭВМ.

ВЫБОР ДОПУСТИМОЙ НАПРЯЖЕННОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ

Как известно, допустимая напряженность электрического поля для изоляции сжатым газом зависит от чистоты обработки поверхности электродов, ее площади, а также от чистоты сборки. Как показывает опыт, непременным условием хорошей сборки являются обстукивание, протирка всех поверхностей, продувка сжатым воздухом, очистка пылесосом. За рубежом при серийном выпуске применяется промывка деталей в специальной ванне, в которой для хорошей очистки поверхностей деталей создают ультразвуковые колебания. Только после такой подготовки можно рассчитывать на определенные допустимые напряженности поля, соответствующие определенной степени механической обработки поверхностей электродов, на которых возможно появление большой напряженности поля.
В табл. 3 по данным [4] и более поздних результатов исследований приведены некоторые экспериментальные значения разрядной напряженности поля в зависимости от площади электродов с большой напряженностью поля (90% максимальной и больше) для различных чистоты механической обработки и вида напряжения.
По данным указанной таблицы можно определить Uд следующим образом. Известно, что для наиболее широко применяемого давления элегаза 0,35-0,4 МПа стандартное отклонение δ при воздействии напряжения промышленной частоты равно 0,03, а при грозовом и коммутационном импульсах δ= 0,05 [5] . Если ввести также определенный коэффициент запаса , связанный как с возможными отклонениями в размерах, так и с другими причинами, то по средней разрядной напряженности можно определить Ед по формуле Eд=Ecp(1-Зδ).