Расчет электрической прочности масляных промежутков при воздействии грозового импульса

Получена эмпирическая зависимость пробивной напряженности от напряженного объема масла и предложен метод расчета изоляционных конструкций. Изучение следов пробоя показало, что в качестве напряженного объема надо брать объем масла, заключенный между поверхностью электрода и эквиградиентной поверхностью, напряженность на которой равна 0,8 от Еmах.

УДК 621.316.933.1.064.25.015.5
В. И. Антонов
РАСЧЕТ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ МАСЛЯНЫХ ПРОМЕЖУТКОВ ПРОИЗВОЛЬНОЙ ФОРМЫ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ГРОЗОВОГО ИМПУЛЬСА

При проектировании трансформаторного оборудования на напряжение 500 кВ и выше одной из главных задач являются детальный теоретический анализ вновь создаваемых изоляционных конструкций и экспериментальная проверка принятых решений. Применение ЭВМ позволяет существенно углубить и детализировать анализ изоляционных конструкций, для чего необходимо наличие численных моделей изоляционных узлов трансформаторов. Такие модели включают в себя расчет и анализ электрического поля данной конструкции, а также метод оценки электрической прочности этого изоляционного узла.
Внутреннюю изоляцию трансформаторов подразделяют на главную и внешнюю по отношению к обмотке. Главной изоляции, межобмоточной и на краю обмотки уделялось много внимания, так как эти виды изоляции определяют технико-экономические показатели трансформатора. В результате разработан достаточно надежный, с учетом характерных особенностей главной маслобарьерной изоляции, эмпирический метод расчета [1].
Увеличение мощности в единице оборудования вызвало транспортно-габаритную проблему, решить которую можно в основном путем сокращения внешних масляных промежутков, что сделало вопрос об оценке прочности этих промежутков очень актуальным.
В [2] предложена универсальная зависимость прочности первого масляного канала от его ширины для оценки коэффициентов запаса промежутков главной изоляции и внешних масляных промежутков. Основой для этой зависимости являются экспериментальные исследования прочности главной изоляции при изменении размера канала от 5 до 50 мм. Говоря о близости характеристик поля каналов с размерами 5—50 и 50—500 мм, автор [2] на основе анализа зарубежных работ и испытании комплексных моделей масляной изоляции экстраполирует кривую с 50 до 500 мм. После такого обоснования универсальности предложенной зависимости предлагается использовать эту кривую как для главной изоляции, так и для внешних масляных промежутков, таких как обмотка—стенка бака, экран ввода — стенка бака. При этом масштабность, неоднородность поля и структура изоляции учитываются только одним универсальным критерием — размером масляного канала. Идея универсальности интересна и может быть реализована на базе обобщения различных эмпирических методов расчета отдельных изоляционных узлов, проверенных практикой, на основе общих физических представлений о пробое масляной изоляции. Метод оценки прочности, предложенный в [2], носит очень приближенный характер и пригоден лишь для предварительных оценок.
В [3] показано наличие зависимости пробивной напряженности от напряженного объема в однородном поле для одноминутного напряжения, коммутационного и грозового импульсов в диапазоне изменения напряженного объема масла (НОМ) от 4 до 1800 см³.
В [4] предложен метод расчета электрической прочности масел трех видов для одноминутного напряжения в пределах изменения НОМ от 10-2 до 106 см³.
Целью данной работы являются экспериментальные исследования зависимости пробивной напряженности от значения НОМ и разработка на ее основе метода расчета масляной изоляции при воздействии грозового импульса. Характеристики исследуемых масляных промежутков приведены в таблице. При испытаниях принят ступенчатый метод приложения напряжения при 10 или 20 воздействиях на каждой ступени. Напряжение начальной ступени принималось равным 30% от предполагаемого пробивного, а интервал между ступенями соответствовал 5% этого напряжения. В каждом опыте определялось 10—50 пробивных точек. 

* Цилиндр покрыт нитроэмалью.

Для поддержания во время испытаний характеристик масла на уровне, близком к исходному, особое внимание уделялось уменьшению образования и удалению продуктов разложения, для чего в первую очередь использовались схемные мероприятия, ограничивающие ток и время горения дуги в исследуемом промежутке до минимальных значений. Кроме этого, в промежутках с однородным полем после каждого пробоя проводилось беспузырьковое перемешивание масла в межэлектродном пространстве. Контрольные опыты показали, что все эти меры позволяют поддерживать характеристики качества масла на уровне, близком к исходному, в течение 40— 50 опытов. После 40 опытов производилась замена или регенерация масла.
В таблице показано, что не все масляные промежутки при воздействии грозового импульса удалось довести до пробоя в силу ограниченных возможностей экспериментальной установки.
На рис. 1 приведена зависимость 10%-ных пробивных напряженностей Е от НОМ, в качестве которого принят объем, заключенный между поверхностью электрода, где напряженность максимальна, и эквиградиентной поверхностью, соответствующей 0,8 от Emах [4].

Рис. 1
Анализ рис. 1 говорит о наличии явно выраженной зависимости пробивной напряженности от НОМ при воздействии грозового импульса. Для оценки прочности масляных промежутков необходимо иметь аналитическое выражение этой зависимости, ее количественная сторона устанавливалась методами корреляционного и регрессионного анализов. На базе основных положений вероятностной теории пробоя трансформаторного масла [5, 6] регрессионное уравнение имеет вид. Регрессионный анализ выполнялся с учетом коэффициента импульса. Это дополнительное условие позволяет более точно, с учетом известных закономерностей связать исходное выражение с ранее полученной зависимостью для одноминутного напряжения [4].
В результате корреляционного анализа определены коэффициент корреляции ; статистика T=3,12; корреляционное отношение.
На основе этих данных сделан вывод, что гипотеза о наличии корреляционной связи между 10%-ной пробивной напряженностью и НОМ может быть принята с 95%-ной достоверностью.
Регрессионный анализ позволил получить аналитическое выражение для этой зависимости:

С учетом закона 3-σ выражение для допустимой напряженности имеет вид .
Приводим алгоритм оценки прочности на основе зависимости пробивной напряженности от НОМ:
рассчитывается максимальная напряженность на поверхности электрода для чисто масляных промежутков и на поверхности твердой изоляции для промежутков с бумажно-масляной изоляцией;
рассчитывается напряженный объем масла, заключенный между поверхностью, на которой Е=Еmах, и 80%-ной эквиградиентной поверхностью;
по значению напряженного объема определяется допустимая напряженность.
Проведена проверка этой методики на известных из литературы зависимостях пробивного напряжения от расстояния между электродами двух электродных устройств: шар — плоскость и цилиндр — плоскость. Поля этих промежутков наиболее полно отражают поля изоляционных узлов обмотка — стенка бака и установки ввода. На первом этапе расчетной проверки взята экспериментальная зависимость 50%-ного пробивного напряжения от расстояния между электродами для промежутка шар — плоскость при воздействии грозового импульса [7, 8]. Результаты расчетов по предложенной методике показаны на рис. 2.
Анализ рис. 2 показывает, что в широкой области изменения размеров промежутков шар — плоскость (рис. 2,a) и цилиндр — плоскость (рис. 2,б) получено хорошее согласие расчетных пробивных напряжений с экспериментальными при воздействии грозового импульса в диапазоне изменения НОМ от 20 до 40000 см³, охватывающем весь возможный предел изменения НОМ в трансформаторах.

Проведенная проверка является подтверждением того, что зависимость пробивной напряженности от НОМ правильно отражает закономерности пробоя трансформаторного масла, но в несколько непривычном виде. В практике расчета главной изоляции трансформаторов существует надежный метод расчета маслобарьерной изоляции по средней напряженности в канале [1].
Серьезной проверкой предложенного метода расчета является сравнительная оценка прочности изоляции в середине обмотки на основе [1] и предложенного метода расчета.
Проведены расчеты поля трансформаторов ОРЦ-135000/500 в середине обмотки и определены максимальная напряженность, средняя напряженность в канале и границы НОМ. 

Рис.3

На рис. 3 показаны конфигурация и расположение НОМ в первом масляном канале. За максимальную напряженность принята напряженность на углу катушки со 100%-ным потенциалом на границе масло — бумага.
Приводим результаты оценки прочности на основе НОМ.
Вид воздействия ... грозовой... импульс
Напряжение, кВ .  900
Средняя напряженность в канале 0,0152. %/мм;
13,68 кВ/мм Канал, мм  7
Допустимая напряженность, кВ/мм:
РТМ* ..  19,4
ВЭИ .  20,6
Коэффициент запаса:
РТМ ...  1,42
ВЭИ  1,47
Результаты оценки прочности по средней напряженности в первом масляном канале следующие:
Вид воздействия грозовой... импульс
Напряжение, кВ ...  900
Максимальная напряженность на углу катушки 0,0165. %/мм;
14,85 кВ/мм Напряженный объем, см³ .  568
Допустимая напряженность на основе зависимости от НОМ, кВ/мм .  23,44
Коэффициент запаса ...  1,58
* Рекомендационно-технические материалы.

Сравнение расчетных значений коэффициентов запаса говорит о хорошем совпадении результатов. Это еще раз подтверждает, что универсальная методика расчета на основе зависимости пробивной напряженности от НОМ не входит в противоречие с хорошо зарекомендовавшей себя в практике методикой расчета прочности по средней напряженности в канале, но имеющей достаточно узкую область применения, ограниченную только промежутками главной изоляции.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Морозова Т. И. Исследования электрической прочности и разработка метода расчета главной изоляции высоковольтных трансформаторов: Автореф. дис. ... канд. техн. наук. М., 1970.
2. Джунь Л. П. Исследование электрической прочности внутренней изоляции трансформаторов высших классов напряжения: Автореф. дис. ... канд. техн. наук. Л., 1986.
3. Антонов В. И. Экспериментальные исследования зависимости электрической прочности трансформаторного масла от напряженного объема в однородном электрическом поле // Изоляция электрооборудования высокого напряжения и вентильные разрядники: Сб. науч. тр. ВЭИ. М.: Энергоиздат, 1982. С. 17—22.
4. Морозова Т. И., Антонов В. И. Экспериментальное исследование влияния объема масла на электрическую прочность изоляции трансформаторов // Электротехника. 1986. № 3. С. 41—43.
5. Wilson W. R. Fundamental factor controling the unit dielectric strength of oil // AIEE. Trans. 1953. P. 69—74.
6. Statistical consideration on breakdown of transformer oil / M. Murano, M. Murata, S. Menju, M. Ikeda // IEEE Trans. Power Appar. and Syst. 1973. Vol. 92, N 3. P. 853.
7. Техника высоких напряжений / А. В. Алмазов, Г. В. Борисоглебский, С. С. Городецкий и др.; Под общ. ред. Л. И. Сиротинского. М.; Л.: Госэнергоиздат, 1953. Ч. 2.
8. Characteristics transformer oil in large cylinder-plane electrodes up to gap length of 200 mm and their application to the insulation from outer winding to tank on UHV transformer / M. Higaki, K. Endon, J. Kamata, M. Haski // IEEE Power Engineering Soc. Winter Meet. New York, N. Y., 1975. Paper C 75 116—9.