Проведены исследования разрядных характеристик высоковольтных вводов напряжением 220—1150 кВ с длиной верхней покрышки от 2 до 7,5 м при воздействии переменного напряжения промышленной частоты и импульсных униполярных напряжений с длиной фронта от 2 до 4000 мкс. Получена зависимость 50%-ных разрядных напряжений от длины фронта импульса для вводов 220, 330 и 500 кВ. Подтверждено для вводов снижение импульсных напряжений с фронтами 100—500 кВ. По результатам исследований построена обобщенная зависимость разрядных коммутационных 50%-ных напряжений положительной полярности от длины верхних покрышек вводов, позволившая определить необходимую и достаточную длину покрышки ввода 1150 кВ.
УДК 621.315.626.027.3
А. Ф. Калачихин, Б. П. Кокуркин
РАЗРЯДНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВВОДОВ ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ
При разработке трансформаторных вводов на сверхвысокие напряжения возникает задача определения размеров верхней фарфоровой покрышки, обеспечивающих необходимую электрическую прочность внешней изоляции. Опыт показывает, что разрядные напряжения конденсаторных вводов, находящихся в атмосферном воздухе, выше разрядных напряжений воздушных промежутков стержень — плоскость одинаковой длины, причем эта разница растет с увеличением номинального напряжения ввода. Поэтому использование разрядных характеристик воздушных промежутков для определения длины верхней покрышки ввода приводит к неоправданному увеличению габаритов ввода.
Расчет размеров покрышки по распределению потенциала и напряженности поля вдоль оребренной поверхности или по критической напряженности на поверхности верхнего экрана пока не разработан и в практике проектирования конденсаторных вводов не применяется.
В статье изложены результаты экспериментальных исследований разрядных характеристик маслонаполненных конденсаторных вводов разных классов напряжения при воздействии напряжения промышленной частоты, коммутационных и грозовых импульсов.
Объектами испытаний служили трансформаторные вводы напряжением 220—1150 кВ или макеты вводов с усиленной внутренней изоляцией. Длина верхней покрышки вводов изменялась от 2 до 7,5 м. Вводы 500, 750 и 1150 кВ имели верхние прутковые экраны диаметром 1000, 1250 и 1900 мм. Вводы устанавливались на испытательном баке диаметром 2 м и высотой 4,5 м, заполненном трансформаторным маслом. Для приближения условий испытаний к реальным над испытательным баком на уровне опорного фланца симметрично вводу устанавливалась заземленная плоскость размером 3X10 м, имитирующая поверхность бака силового трансформатора.
Испытания вводов на напряжение 330 и 500 кВ с имитирующей плоскостью и без нее показали снижение их разрядных напряжений из-за влияния плоскости и подтвердили необходимость ее установки при испытаниях. Для ввода на напряжение 220 кВ разрядные напряжения оказались одинаковыми, поскольку высота покрышки не превышала диаметра бака. Расстояние от оси ввода до стен высоковольтного зала и до каскада трансформаторов составляло 9 и 8,5 м.
Грозовые импульсы стандартной формы и апериодические коммутационные импульсы с длительностью фронта от 80 до 900 мкс подавались на объект от генератора импульсных напряжений ГИН-7,2 МВ, колебательные импульсы 4000/6500 мкс — от каскада трансформаторов ИОМК-2250 кВ при возбуждении его от колебательного контура.
При испытании вводов плавным подъемом напряжения промышленной частоты в сухом состоянии и под дождем разрядное напряжение определялось как среднее по 10—15 опытам. При импульсных испытаниях [1] находилась вероятность перекрытия ввода на двух-трех уровнях испытательного напряжения. На каждом уровне подавалось 25—50 импульсов неизменной амплитуды и определялась частость перекрытия. По полученным экспериментальным точкам строилась разрядная характеристика и определялись ее параметры — U50% и σ.
Рис. 1
На рис. 1 приведена зависимость 50%-ного разрядного напряжения от длительности фронта импульсов положительной полярности для вводов 500 (1), 330 (2) и 220 кВ (3) в сухом состоянии, Для вводов, как и для воздушных промежутков, наблюдается снижение разрядных напряжений при импульсах с фронтами 80— 630 мкс, однако для вводов снижение не так значительно. Это объясняется выравнивающим влиянием конденсаторной изоляции на распределение электрического поля в воздушном промежутке вокруг ввода, где развивается разряд. Можно отметить незначительное смещение минимума разрядного напряжения в сторону увеличения длительности фронта с увеличением длины покрышки ввода.
При напряжении промышленной частоты средние разрядные напряжения вводов 220, 330 и 500 кВ равны 920, 1190 и 1350 кВ, 50%-ные, соответствующие критическому фронту, ниже средних сухоразрядных напряжений при плавном подъеме напряжения частоты 50 Гц, а при воздействии колебательного импульса с фронтом 4000 мкс 50%-ные разрядные напряжения выше или равны средним сухоразрядным при плавном подъеме.
Для сравнения проведены испытания ввода 500 кВ при плавном подъеме напряжения 50 Гц под стандартным дождем. Среднее разрядное напряжение ввода под дождем на 14% ниже, чем в сухом состоянии.
При испытаниях ввода 1150 кВ с покрышкой длиной 7,5 м прикладывалось выдерживаемое напряжение промышленной частоты 1830 кВ при плавном подъеме. Из трех приложений напряжения в сухом состоянии перекрытий не было. При испытании ввода под стандартным дождем из трех приложений произошло одно перекрытие, из последующих шести приложений перекрытий не было. Однако эти испытания не дают полного представления о разрядных характеристиках вводов сверхвысокого напряжения. Для этой цели исследовались макеты вводов 750 и 1150 кВ.
Проведены сравнительные испытания макета ввода 750 кВ с длиной покрышки 6 м, диаметром верхнего экрана 1,25 м и воздушного промежутка экран — плоскость таких же размеров в тех же атмосферных условиях. Макет установлен опорным фланцем на уровне пола. К объектам прикладывались коммутационные импульсы с фронтом 150 мкс. Получены разрядные характеристики для ввода: U50%=1645 кВ, σ=5,6% и для промежутка экран — плоскость: U50%=1475 кВ, σ=4,4%. Испытания показали, что ввод на 12% увеличивает прочность промежутка экран — плоскость [2].
Расстояние от оси ввода 1150 кВ до стены высоковольтного зала 9 м не позволяет получить точку разрядной характеристики ввода с высокой вероятностью разряда вдоль покрышки длиной 7,5 м.
Испытывался макет ввода напряжением 1150 кВ (длина покрышки 7,5 м, диаметр экрана 1,9 м), установленный на баке с имитирующей плоскостью 3,5X12 м, поднятой на высоту 5,2 м от пола с целью уменьшения расстояния промежутка экран — плоскость до 6,8 м и увеличения вероятности перекрытия макета ввода.
Из серии в 56 импульсов положительной полярности с фронтом 600 мкс и амплитудой 1870 кВ зафиксировано 6 разрядов на стену зала и 4 — на имитирующую плоскость. Для промежутка экран — плоскость без ввода в тех же условиях получены значения U50% =1740 кВ и σ=5,1%. Приняв для характеристики ввода σ=5,1%, можно в вероятностных координатах графически по вероятности φ=0,08 (без учета разрядов на стену здания) и по разрядному напряжению 1870 кВ для ввода определить U50% = 1980 кВ.
Для накопления материала по разрядным характеристикам вводов проведены повторные испытания макета ввода 1150 кВ, установленного на баке с имитирующей плоскостью размером 3,5x12 м, расположенной на высоте 4,5 м от пола на уровне опорного фланца ввода. Расстояние между верхним экраном макета и плоскостью 7,6 м.
К макету прикладывались коммутационные импульсы 300/6000 мкс положительной полярности: в серии из 26 импульсов с амплитудой 1930 кВ зарегистрировано 10 разрядов на стену здания и один — вдоль покрышки на имитирующую плоскость; в серии из 54 импульсов с амплитудой 2010 кВ зарегистрировано 39 разрядов на стену здания и 5 — на имитирующую плоскость.
Исключая из серий разряды на стену здания, находим вероятности перекрытия ввода φ1 = 0,06 и φ2 = 0,33, по которым строим кривую эффекта и определяем параметры разрядной характеристики ввода
=2045 кВ и σ=4%, по которым находим выдерживаемое напряжение для ввода 1150 кВ с длиной покрышки 7,5 м:
где n=1,3 — коэффициент запаса по ГОСТ 1516.2—76.
Представляется необходимым определить длину покрышки ввода 1150 кВ, удовлетворяющей требованию ОСТ 16.0.800.991—82 по выдерживаемому напряжению при коммутационных импульсах с амплитудой 2100 кВ.
На рис. 2 построена обобщенная зависимость разрядных напряжений
вводов 1 от длины верхней покрышки при воздействии коммутационных импульсов положительной полярности. Разброс точек для одной и той же длины покрышки обусловлен U-образным характером 50%-ных разрядных напряжений в зависимости от длительности фронта воздействующих импульсов (рис. 1), а также некоторым различием условий установки вводов при испытаниях. Например, низкое значение U50% для макета ввода 750 кВ с покрышкой длиной 6 м объясняется сильным влиянием заземленной плоскости пола и, возможно, неудачной конструкцией пруткового экрана. То же можно сказать и о вводе 500 кВ, нижняя точка которого при импульсах с фронтом около 300 мкс получена при испытании ввода на баке диаметром 4,5 м, возвышавшемся над отметкой пола всего на 1,7 м. Поэтому кривая обобщающей зависимости легла выше этих точек, поскольку они для трансформаторных вводов, устанавливаемых на высоте 4— 5 м, не являются характерными.
Экстраполируя обобщенную зависимость, можно найти необходимую длину верхней покрышки L для ввода 1150 кВ.
Рис. 2
Приняв Uвыд=2100 кВ, σ= 5% и n=1,3, находим U50%=2250 кВ и по обобщенной зависимости L= 9 м.
Завод «Изолятор» изготовил опытный образец ввода 1150 кВ с покрышкой 9 м для типовых испытаний. Испытания внешней изоляции ввода проведены во Всесоюзном институте трансформаторостроения (г. Запорожье). К вводу прикладывались апериодические коммутационные импульсы 600/1200 мкс, по 15 импульсов на каждой полярности.
При испытании ввода на отрицательной полярности в сухом состоянии и под дождем перекрытий не было. При испытании на положительной полярности произошло по одному перекрытию из 15 приложений в сухом состоянии и под дождем, что допускается методикой ГОСТ 1516.2—76, причем ввод был установлен на уровне отметки пола с наклоном 15° к вертикали и разряды шли по прямой с экрана на плоскость, т. е. под углом к оси ввода. При установке ввода на трансформаторе его разрядная прочность возрастет и запас прочности внешней изоляции увеличится. Таким образом, испытания подтвердили правильность принятых решений при определении длины верхней покрышки вводов 1150 кВ.
Продолжив экстраполяцию, представляется возможным оценить длину верхней покрышки вводов ультравысоких напряжений.
Для сравнения на рис. 2 дана разрядная характеристика воздушного промежутка стержень — плоскость 2 при воздействии коммутационных импульсов с фронтом τф=350 мкс положительной полярности [3].
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
- Александров Г. Н., Иванов В. Л., Кизеветтер В. Е. Электрическая прочность наружной высоковольтной изоляции. Л.: Энергия, 1969.
- Экспериментальное исследование влияния ввода на электрическую прочность внешней изоляции трансформаторов / М. В. Бурмистров, О. В. Волкова, В. Я. Денисов и др. // Электричество. 1973. № 8. С. 83—84.
- Kaehler A. J., La Forest J. J., Zaffanella L. E. Switching surge flashover of UHU transmission line insulation // IEEE Trans. Power Appar. and Syst. 1971. Vol. 90, N 4. P. 1604—1611.
