В элегазовых аппаратах СВН пробивная напряженность основных изоляционных промежутков составляет 0,5—0,7 от значений напряженности поля, определяемых в соответствии с законом подобия газового разряда. Применение электроизоляционного покрытия поверхности экранов ввода элегаз — элегаз КРУЭ 1150 кВ позволило поднять электрическую прочность до теоретически возможной. Путем численных расчетов и прямым экспериментом показано влияние загрязняющих частиц на электрическую прочность таких систем.
УДК 621.316.5.064.242.0273
М. А. Аушев, В, Н. Борин
ПРИМЕНЕНИЕ ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫХ ПОКРЫТИЙ В ЭЛЕГАЗОВЫХ АППАРАТАХ СВЕРХВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ
В газонаполненных аппаратах высокого напряжения в качестве электрической изоляции широко применяется элегаз при повышенном давлении. В соответствии с законом подобия газового разряда пробивная напряженность элегаза может быть определена из выражения E=89 Р, где Р — давление. Однако в высоковольтных конструкциях с увеличением давления элегаза наблюдается отклонение от этой закономерности, особенно заметное при большой площади электродов. Так, например, ввод элегаз — элегаз аппаратов КРУЭ 1150 кВ при номинальном давлении элегаза имеет пробивную напряженность при воздействии коммутационного импульса отрицательной полярности всего 50% от теоретической пробивной напряженности. В связи с этим актуальность задачи повышения электрической прочности элегазовой изоляции в таких аппаратах не вызывает сомнений. Одним из наиболее эффективных путей в этом направлении является применение электроизоляционных покрытий [1].
В качестве покрытий обычно используют эпоксидные компаунды, окисные пленки, полиэтилены и другие полимеры [2]. Для силовых аппаратов наиболее приемлемы эпоксидные покрытия с хорошими механическими и электрическими свойствами. Как показано в [1], применение эпоксидного покрытия на экранах ввода элегаз — элегаз КРУЭ 1150 кВ позволяет при отрицательной полярности коммутационного импульса поднять пробивную напряженность до соответствующей закону подобия. Однако при положительной полярности такого повышения не наблюдалось. При обсуждении перспективности применения электроизоляционных покрытий неоднократно высказывалось замечание, что в аппаратах высокого напряжения покрытия могут быть неэффективны, поскольку в реальности всегда присутствуют загрязняющие частицы [3]. Вероятно, причина наблюдаемого в [1] эффекта полярности вызвана загрязняющими частицами. Поэтому вопросы, связанные с применением электроизоляционных покрытий в высоковольтных аппаратах, должны решаться с учетом возможного поведения загрязняющих частиц и их влияния на пробивную напряженность.
Загрязняющие частицы могут находиться на покрытии или вблизи него. Если частица находится на покрытии, то существуют две области с повышенной напряженностью поля: область вершины частицы и область клина, образованного поверхностью частицы и покрытием. В зависимости от места ионизационных процессов и их интенсивности частица может отлететь от покрытия или инициировать пробой основного промежутка. Для расчета ионизационных процессов использовалась программа, разработанная на базе программы AXIAL [4]. На основе известного критерия стримерного пробоя оценивалось выполнение условия самостоятельности разряда в местах с повышенной напряженностью поля.
При выполнении условия самостоятельности разряда в клине частица приобретает заряд, одноименный с полярностью электрода — подложки, и отлетает от покрытия. Рассчитанные зависимости начальной напряженности в клине от давления элегаза приведены на рис. 1.
Рис. 1
При нахождении частицы вблизи покрытия возможен разряд между частицей и покрытием. Расчеты показывают, что при определенном расстоянии между частицей и покрытием существует минимум начальной напряженности. Расстояние, соответствующее этому минимуму, составляет 5—40 мкм. Минимальное значение начальной напряженности между частицей и покрытием приблизительно на 20% меньше начальной напряженности в клине.
Проверка выполненных расчетов проведена в электродном устройстве, обеспечивающем практически однородное поле. Диаметр плоской части электродов 56 мм, расстояние между электродами 10 мм. Стальные сферические частицы диаметром 0,2—2 мм выполняли роль загрязняющих частиц. В качестве покрытия использовались материалы, которые могут реально применяться в аппаратах с газовой изоляцией: полиэтилен 1 (R=0,1 мм) и 3 (R=0,5 мм), эпоксидный компаунд 2 (R=0,1 мм). Толщина слоя покрытия составляла 0,3—0,9 мм.
Для ослабления влияния адгезионных сил на результаты экспериментов частица электростатически подвешивалась к покрытию верхнего электрода. С этой целью она первоначально помещалась в отверстие в покрытии нижнего электрода до соприкосновения с электродом. На электродное устройство подавалось постоянное напряжение со скоростью 0,1—0,5 кВ/с до подъема частицы из отверстия и прилипания ее к покрытию верхнего электрода.
Эксперименты показали, что, как правило, при воздействии постоянного и импульсного напряжений отлет частиц от покрытия происходил без пробоя промежутка. Пробой наблюдался только при воздействии импульсного напряжения, существенно превышающего необходимое для отлета частицы от покрытия. Отметим, что отлет частиц от покрытия происходит при напряженности поля большей, чем пробивная напряженность при наличии частицы на электроде без покрытия. Тем самым положительная роль покрытия в условиях загрязнений очевидна.
Следует также отметить определенное различие в значениях напряженности поля при отлете частиц при различной полярности электрода — подложки (см. рис. 1), что может иметь следующее объяснение. При положительной полярности электрода поверхность частицы, прилегающая к покрытию, имеет отрицательную полярность. При высокой напряженности поля в клине возможна автоэлектронная эмиссия, сопровождаемая несамостоятельным разрядом. По этой причине зарядка частицы и ее отлет от покрытия могут произойти при напряженности поля ниже расчетной. При отрицательной полярности электрода поверхность частицы в области клина имеет положительную полярность, фактор автоэлектронной эмиссии отсутствует, а вероятность нахождения свободных электродов или распад отрицательных ионов в этой области, (с объемом меньше 10-5 мм3) малы. Поэтому отлет частицы от покрытия связан только с выполнением условия самостоятельности разряда и экспериментальные данные лучше согласуются с расчетом.
При воздействии импульсного напряжения экспериментальные данные качественно совпадают с расчетными. Коэффициент импульса при отлете частицы от покрытия составляет 1,2—1,4. Эффекты полярности при импульсном и постоянном напряжениях аналогичны.
Хорошее согласие между экспериментальными результатами и расчетами показывает справедливость применения критерия стримерного пробоя для расчета ионизационных процессов вблизи поверхности частицы. На основании этого появляется реальная возможность путем численного эксперимента прогнозировать поведение частиц любой формы в системе электродов с покрытием.
Для оценки размера частиц, которые могут быть в реальных аппаратах, за основу принимались результаты испытаний элементов КРУЭ 1150 кВ. При принятой технологии изготовления и сборки аппаратов пробивная напряженность при воздействии переменного напряжения составляет 16—17 МВ/м. Если считать, что это значение ограничено сверху присутствием в аппарате загрязняющих частиц, имеющих сферическую форму, то их расчетный радиус составляет ~80 мкм. Для частиц с такими размерами незначительное изменение собственного заряда приводит к заметному изменению начальных напряженностей. Так, изменение заряда частицы на 16 пКл (108 электронов) приблизительно на 20% изменит начальную напряженность на вершине частицы радиусом 0,1 мм (рис. 2) и практически не изменит ее при радиусе 1 мм. По этой причине эксперименты с крупными частицами [2] вряд ли могут иметь практическое значение.
Негативное влияние частиц, которые присутствуют в элегазовых аппаратах, в значительной мере будет определяться процессом перезарядки тех частиц, которые находятся на покрытии. Исходя из отсутствия пробоя при отлете частицы от покрытия, можно оценить предельный заряд частицы, определяемый из условия равенства начальных напряженностей в клине 1, 2 (см. рис. 2) и на вершине частицы 3. Из рис. 2 видно, что этот заряд может достигать 10 пКл при отлете частицы радиусом 0,1 мм от эпоксидного покрытия. Заряд имеет полярность, одноименную с полярностью электрода, и может привести к существенному снижению пробивной напряженности основного промежутка. Учитывая это, можно прийти к выводу, что наиболее перспективно применять в качестве покрытия материалы, которые позволяют увеличить напряженность поля, соответствующую отлету частиц от покрытия. Из рис. 1 видно, что указанная напряженность приблизительно на 30% больше в случае применения покрытия из полиэтилена. Подтверждением высказанного предположения могут служить результаты экспериментальных исследований [3], где наиболее высокие значения пробивной напряженности при применении покрытий получены для покрытия из полиэтилена.
Вывод о перспективности применения в силовых аппаратах покрытия из полиэтилена, основанный на исследовании влияния загрязняющих частиц на пробивную напряженность системы электродов с покрытием, экспериментально подтвержден при испытаниях ввода элегаз — элегаз КРУЭ 1150 кВ. Экраны ввода имели покрытия из полиэтилена и эпоксидного компаунда, выполненные методом порошкового напыления. Площадь экрана, характеризуемая напряженностью поля в диапазоне 0,9—1,0 от максимального значения, составляла около 1000 см2. Оболочка камеры также имела покрытие, но выполненное из лавсановой пленки. Толщина покрытия экрана изменялась от 0,5 до 2,0 мм. Эксперименты выполнялись в испытательной камере, подсоединенной к элементам КРУЭ 1150 кВ. Поскольку уровень изоляции элементов КРУЭ ограничен известными нормированными значениями испытательных напряжений, то диаметр оболочки испытательной камеры уменьшен до 620 мм, что позволило получить пробой в системе электродов с покрытием при существенно больших значениях пробивной напряженности. В некоторых случаях давление в испытательной камере снижалось по сравнению с нормированными для КРУЭ 1150 кВ.
На рис. 3 приведены экспериментальные результаты, полученные при испытаниях экранов с покрытием. Необходимо отметить, что эти значения соответствуют первому пробою. Повторное приложение напряжения приводит к низким значениям пробивного напряжения. Это вызвано сильным разрушением поверхности покрытия — появлением диэлектрических осколков и науглероженных мест.
Определено, что в случае применения покрытия из полиэтилена 1 пробивная напряженность может достигать 0,9—0,95 от значений, соответствующих закону подобия, при воздействии грозовых и коммутационных импульсов напряжения.
При применении эпоксидного покрытия пробивная напряженность при положительной полярности коммутационного импульса находится примерно на том же уровне, что и полученная с экранами без покрытия 2, а при отрицательной полярности поднимается вплоть до значений, соответствующих закону подобия.
В настоящее время габариты элегазовых аппаратов высокого напряжения определяются электрической прочностью при воздействии коммутационных импульсов отрицательной полярности 3. Следовательно, применение покрытия из полиэтилена дает почти 40% прироста электрической прочности, а из эпоксидного компаунда — только 20%.
Применение экранов с покрытием из полиэтилена позволило при давлении элегаза 0,3 МПа и диаметре оболочки 620 мм получить пробивное напряжение ввода элегаз — элегаз около 1900 кВ, что выше испытательного напряжения коммутационного импульса для аппаратов 1150 кВ.
При диаметре корпуса ввода элегаз — элегаз 900 мм и давлении элегаза 0,35 МПа выдерживаемое напряжение составило 3130 кВ при воздействии напряжения грозового импульса.
Проведенные эксперименты при давлении элегаза 0,3 МПа показывают, что при применении покрытия из полиэтилена электрическая прочность одинакова при воздействии грозового и коммутационного импульсов. Следовательно, характерной особенностью высоковольтных аппаратов с покрытием является существенное изменение вида вольт-секундной характеристики — она становится практически горизонтальной. Это требует нового подхода к координации изоляции элегазовых аппаратов сверхвысокого напряжения с покрытием.
Электроизоляционные покрытия успешно проходят проверку на испытательном стенде в г. Тольятти, где в некоторые узлы аппаратов КРУЭ 1150 кВ установлены экраны с покрытием из полиэтилена и эпоксидного компаунда. Один из экранов с покрытием из полиэтилена установлен в узел КРУЭ, где напряженность на поверхности экрана на 30% превышала расчетную для большинства элементов КРУЭ.
ВЫВОДЫ
- Выполненные расчеты и результаты экспериментов показывают, что можно прогнозировать поведение загрязняющих частиц в системе электродов с покрытием и их влияние на пробивную напряженность.
- Подъем частицы с покрытия происходит без пробоя и при напряженности поля большей, чем пробивная напряженность при наличии частицы на электроде без покрытия.
- Применение экранов с покрытием из полиэтилена позволяет поднять кратковременную электрическую прочность и существенно уменьшить габариты элегазовых аппаратов СВН.
