УДК 621.315.615/.614.6:621.315.626
А. Ф. Калачихин
Изоляция электрооборудования высокого напряжения и вентильные разрядники. Труды ВЭИ, 1982, вып. 91, с. 3-9.
Показана возможность замены периодического несинусоидального напряжения пульсирующим для упрощения расчета изоляции вводе. Приведены результаты исследования распределения постоянного напряжения на модели с бумажно-масляной изоляцией. Показана целесообразность расчета изоляции по переменной составляющей пульсирующего напряжения или по импульсным воздействиям с последующей проверкой по постоянной составляющей с учетом распределения температуры в остове. Даны расчетные формулы для определения необходимого числа обкладок, для определения температуры в остове, сопротивления слоев и распределения постоянной составляющей по слоям.
Библиогр.: 5.
МЕТОД ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО РАСЧЕТА ВНУТРЕННЕЙ БУМАЖНО-МАСЛЯНОЙ ИЗОЛЯЦИИ ВВОДА ПОСТОЯННОГО ТОКА
Изоляция вводов, устанавливаемых на преобразовательных подстанциях линии электропередачи постоянного тока, подвергается длительному воздействию периодического несинусоидального напряжения и кратковременным перенапряжениям. Поскольку прочность изоляции существенно зависит от вида приложенного напряжения, с целью упростить расчет целесообразно периодическое несинусоидальное напряжение заменить пульсирующим с постоянной U0 и переменной Up составляющими напряжения частотой 50 Гц.
Известно, что прочность изоляции на пульсирующем напряжении, как и на переменном, зависит от интенсивности развития частичных разрядов (ЧР) и от соотношения Up и Uo. При незначительной пульсации, когда переменная составляющая меньше напряжения появления начальных ЧР, с увеличением постоянной составляющей ЧР возникают при амплитудном пульсирующем напряжении. При значительной пульсации напряжения уровень ЧР определяется переменной составляющей, и изоляцию следует рассчитывать по формулам, применяемым для вводов переменного тока. При этом следует иметь в виду, что напряжение возникновения начальных ЧР снижается с увеличением постоянной составляющей [1] .
Изоляция вводов, рассчитанная по длительному пульсирующему напряжению , должна быть проверена по допускаемым напряженностям при грозовых и коммутационных перенапряжениях. Если полярности постоянной составляющей пульсирующего напряжения и перенапряжения совпадают, то изоляция проверяется по допускаемой напряженности при импульсных воздействиях без учета постоянной составляющей, поскольку она в данном случае не оказывает влияния на интенсивность развития ЧР на краях уравнительных обкладок. Если же полярности постоянной составляющей и перенапряжения противоположны, то допускаемая напряженность в изоляции от импульсного воздействия должна быть снижена. Вопрос прочности изоляции при наложении импульсного напряжения на постоянное изучен недостаточно, поэтому в практике проектирования применяют некоторое завышение расчетного импульсного напряжения против необходимого по условию защитного уровня линии электропередачи постоянного тока. Это позволяет рассчитывать импульсную прочность вводов, подвергающихся перенапряжениям, без учета постоянной составляющей длительно приложенного пульсирующего напряжения.
Величина U0 находится из гармонического разложения заданного несинусоидального напряжения. За Up примем синусоидальное напряжение частотой 50 Гц с амплитудой, равной разности амплитуды периодического несинусоидального напряжения и постоянной составляющей.
Для проверки ввода на диэлектрические потери и нагревостойкость следует использовать действующее заданное несинусоидальное напряжение без постоянной составляющей:
В качестве расчетных напряжений могут быть приняты нормированные испытательные напряжения, внесенные в техническое задание на разработку ввода.
Во вводах переменного и постоянного тока применяется изоляция конденсаторного типа. При изменении толщины слоев и длины уравнительных обкладок в остове представляется возможность эффективного регулирования распределения постоянной и переменной составляющих напряжения. Постоянная составляющая распределяется по остову пропорционально сопротивлениям последовательно расположенных слоев изоляции, переменная составляющая и импульсные перенапряжения распределяются обратно пропорционально емкостям слоев. Во время работы в результате нагрева изоляции изменяются сопротивления слоев, что приводит к перераспределению постоянной составляющей напряжения. Емкости слоев бумажно-масляной изоляции от температуры практически не зависят, и распределение переменной составляющей во время работы не изменяется. Эти особенности распределения составляющих должны быть учтены при расчете изоляции.
Для выяснения характера изменения распределения постоянного напряжения проведены исследования модели остова при различном нагреве бумажно-масляной изоляции и центральной трубы. Данные модели: общая толщина изоляции 20 мм, число обкладок в, длины обкладок изменялись от 730 до 630 мм, диаметры обкладок — от 33 до 73 мм. От обкладок модели в сторону верхнего торца шли проволочные изолированные зонды сечением 0,3 мм. Модель опускалась в масло до отметки, находившейся на расстоянии 10 мм от верхнего торца. Измерения при напряжении др 1,5 кВ производились вольтметрами электростатической системы.
Поскольку верхний торец модели и зонды (над моделью) находились в воздухе и измерительные приборы имели внутреннее сопротивление приблизительно на два порядка больше, чем сопротивление слоев, то можно считать, что влияние измерительной системы на распределение постоянного напряжения по обкладкам модели было незначительным.
Модель прошла термовакуумную обработку в течение 48 ч при температуре 100°С и остаточном давлении 67 Па. Подогрев масла и трубы создавали различные температурные условия для изоляции (см. рисунок). С увеличением радиального перепада температуры в изоляции происходит уменьшение напряженности электрического поля в первых слоях модели и увеличение напряженности в последних. Однако увеличение напряженности сопровождается, как известно, снижением сопротивления бумажно-масляной изоляции по экспоненциальному закону. В итоге распределение напряжения в остове незначительно выравнивается (см. рисунок, а) . При расчете изоляции вводов влияние напряженности поля на сопротивление слоев можно не учитывать, что приведет лишь к некоторому увеличению запаса прочности ввода. При отсутствии радиального перепада температуры распределение постоянного напряжения по слоям изоляции достаточно равномерно во всех случаях нагрева (см. рисунок, б).
Рассмотрим выбор числа обкладок в равноемкостном равномерно нагретом остове при воздействии пульсирующего напряжения со значительной переменной составляющей и с наложением импульсных перенапряжений. В этом случае переменная и постоянная составляющие распределяются по слоям остова равномерно.
Исходя из допускаемого уровня частичных разрядов в длительном режиме работы ввода допускаемую радиальную напряженность в слое изоляции определяют по формуле
(1)
5
Распределение постоянного напряжения в модели, находящейся в масле, при изменении температуры трубы (20°С) и масла (б) в установившемся режиме
где m = 3,6+3,8 к В /мм — коэффициент, численно равный напряженности в слое толщиной δ-1мм.
В зависимости от постоянной составляющей напряженность снижается на 10—20% [1 ] .
Допускаемая длительная радиальная напряженность в слое на постоянном напряжении при температуре изоляции до воспринимается равной 20 кВ/мм [2] .
При минимальной толщине слоя изоляции необходимое число обкладок для длительной работы ввода находят по соотношению
При этом получают наибольшую допускаемую напряженность в Остове при кратковременных перенапряжениях,
(3)
В большинстве случаев напряженность оказывается меньше допускаемой по условию критического уровня частичных разрядов.
Минимально необходимое число обкладок, удовлетворяющее требованиям (1) — (3)
Остов следует проверить на аксиальную (вдоль уступов обкладок) допускаемую напряженность при различных воздействиях напряжения. При постоянном напряжении разряд вдоль слоев бумаги в меньшей степени зависит от толщины слоя, чем при переменном. Он развивается в масляной прослойке между листами бумаги. При длине уступов более 3—4 см и разрядном напряжении наблюдается пробой одного- двух листов бумаги, дальше разряд развивается в масле. С повышением температуры до 80°С разрядное напряжение существенно не изменяется [3] . Для вводов с длиной уступов 10-15 мм при воздействии испытательных напряжений можно принять следующие допускаемые значения аксиальной напряженности: на постоянном напряжении (1 ч) 24—29 кВ/см [2, 3] , на переменном 50 Гц (1 мин) 10—12 кВ/см, при грозовых импульсах 20—25 кВ/см [2] , при коммутационных 15-17 кВ/см. Рекомендуемые аксиальные напряженности проверены не макетах вводов постоянного тока при неоднократных испытаниях.
На пульсирующем напряжении прочность вдоль уступов обкладок зависит от коэффициента пульсации
. При k > 0,6 аксиальная прочность определяется переменной составляющей напряжения.
Для расчета радиусов и длины промежуточных обкладок в равноемкостном остове используется метод, изложенный в [4] . Для нахождения параметров остова, обеспечивающих уменьшение диаметра на 10—12% без повышения радиальных напряженностей в слоях, используется метод, изложенный в [5] .
Чтобы найти распределение постоянной составляющей при неравномерном нагреве остова, необходимо выполнить тепловой расчет, состоящий из двух этапов: определение температуры масла во вводе в заданных условиях работы и определение распределения температуры в остове. Температуру масла находят методом составления теплового баланса внешнего теплообмена ввода с учетом потерь энергии в трубе, соединительной втулке и диэлектрических потерь в изоляции. Распределение температуры в остове находят по уравнению теплопроводности остова
— радиусы и длины нулевой и заземляющей обкладок;
- параметр остова; λ — эквивалентная теплопроводность изоляции, учитывающая отвод теплоты в радиальном и осевом направлениях; A - переводной коэффициент.
При намотке изоляции на токоведущую трубу решение уравнения (4) имеет вид:
4
При намотке изоляции на намоточный цилиндр и при циркуляции масла вокруг остова
где t0 и tn— температура внутренней и наружной поверхности остова, принимаемая на 2°С выше температуры масла во внутреннем и наружном каналах ввода.
Перепад температуры в остове благодаря циркуляции масла и двустороннему охлаждению изоляции в 2-3 раза меньше, чем в предыдущем случае. Это имеет важнейшее значение для вводов постоянного тока.
Зная температуру слоя i , находят его сопротивление
Доля постоянной составляющей напряжения на слое i
Если напряженность поля от постоянной составляющей в радиальном и аксиальном направлениях в результате температурного перераспределения по слоям оказалась больше допустимой, то должны быть приняты конструктивные меры к уменьшению перепада температуры в остове.
При определении потерь энергии в токоведущей трубе требуется иногда учитывать поверхностный эффект вытеснения гармоник тока, поскольку их амплитуды и частоты могут быть достаточно большими. Этот учет особенно необходим при намотке изоляции непосредственно на трубу.
Если приложенное к вводу напряжение не имеет переменной составляющей, но ввод подвержен перенапряжениям, число обкладок и диаметр остова определяются уровнем перенапряжений. Если же ввод рассчитывается на воздействие только постоянного напряжения, число обкладок определяется по допускаемой напряженности в слоях на постоянном напряжении с учетом нагрева остова от протекания номинального тока и с учетом характера циркуляции масла. При этом диэлектрические потери отсутствуют, потери от сквозной проводимости не учитываются. Радиальное распределение температуры в остове при отсутствии циркуляции масла в первом приближении не зависит от расположения обкладок и находится по формуле
При циркуляции масла вокруг остова его температура принимается равной средней температуре масла во вводе.
Список литературы
- Грайсух М. А., Кучинский Г. С., Каплан Д. А., Масса р м а н Г. Т. Бумажно-масляная изоляция в высоковольтных конструкциях. — М. — Л.: Госэнергоиэдат, 1963. — 298 с.
- Кучинский Г. С., Каплан Д. А. Допускаемые напряженности для бумажно-масляной изоляции аппаратов, работающих в электропередачах постоянного тока. - Электричество, 1961, № 5, с. 64-68.
- Грейсух М. А. Закономерности разряда вдоль слоев аппаратной бумажно-масляной изоляции на постоянном напряжении. — Электричество, 1960, № 7, с. 77-81.
- Калачихин А. Ф. К расчету высоковольтных вводов конденсаторного типа. - Вестн. электропромышленности, 1960, № 5, с. 66-69.
- Калачихин А. Ф. Расчет обкладок ввода на сверхвысокое напряжение. — Электротехническая промышленность. Сер. Аппараты высокого напряжения, трансформаторы, силовые конденсаторы, 1973, вып. 1 (21), с. 20—22.
