Ресурс и надежность внутренней высоковольтной изоляции

Надежность большинства видов высоковольтного энергетического оборудования в значительной степени определяется свойствами его внутренней изоляции, поэтому изучение их изменения в условиях, подобных эксплуатационным, является одним из новых и важных направлений высоковольтных исследований. Отечественный и зарубежный опыт подобных исследований позволяет сформулировать ряд проблем в этой области, эффективное решение которых будет способствовать совершенствованию научнообоснованных методов проектирования и испытания внутренней высоковольтной изоляции.
К их числу, прежде всего, относится проблема создания физически обоснованных математических моделей, связывающих между собой воздействующие на изоляцию факторы (например, рабочее напряжение, его частоту, нагрев) и время до достижения изоляцией определенного состояния, в том числе до отказа заданного типа. Например, основываясь на энергетических закономерностях разрушения изоляции, можно показать, что широко используемая степенная двухпараметрическая математическая модель вольт-секундной характеристики
(1)
в общем случае физически неточна, в то время как аналогичная трехпараметрическая модель
(2) с параметрами G, U₀ и n, где U₀ — параметр сдвига, более полно отвечает физике разрушения изоляции под действием подведенной извне энергии электрического поля и, как показывают эксперименты с изоляцией силовых конденсаторов, силовых трансформаторов и высоковольтных электрических машин, точнее описывает опытные данные. Другие опытные данные (например, о термическом старении изоляции силовых трансформаторов) дают основание утверждать, что и такая известная математическая модель термического старения изоляции, как закон Аррениуса, адекватно описывает опытные данные тогда, когда она имеет трех параметрическую форму (с параметром сдвига).
С вопросом о физически обоснованной математической модели разрушения изоляции непосредственно связана проблема адекватной
статистической модели, связывающей между собой воздействующие на изоляцию факторы, время до достижения ею определенной степени разрушения и вероятность наступления такого состояния изоляции. Например, теоретический анализ показывает (а опытные данные это подтверждают), что сопряженной (адекватной) статистической моделью, физически отвечающей математической модели (2) при U = const, является не двух-, а трех параметрическое одномерное вейбулловское распределение времени до отказа; в случае термического старения указанной выше уточненной форме закона Аррениуса при температуре Т=const отвечает не двух-, а трех параметрическое одномерное логарифмически нормальное распределение времени до отказа (при сравнительно небольшом числе испытанных объектов).
Появление в названных выше в качестве примера математических и статистических моделях третьего и единственного, имеющего реальный физический смысл, параметра (параметра сдвига) существенно изменяет подход к оценке значений допускаемой напряженности (или допускаемой температуры), а также эффективно влияет на оценки показателей надежности изоляции и, следовательно, изделия в целом. С другой стороны, это обстоятельство усложняет как эксперимент, так и методы обработки его результатов с целью определения оценок параметров соответствующих моделей.
Серьезным представляется вопрос о ресурсных испытаниях изоляции, под которыми, как правило, подразумеваются длительные испытания и в которых (обычно с ускорением) в той или иной степени воспроизводится лишь один из всех нормированных стандартом на данный вид оборудования режимов — нормальный рабочий режим. Очевидно, что даже в тех случаях, когда такому испытанию подвергается изоляционная система оборудования со сниженным уровнем изоляции, как правило, нет оснований считать достоверными полученные оценки ресурса. Так как при этом не воспроизводятся переходные режимы, то скорее всего эти оценки завышены. По-настоящему ресурсными являются только такие испытания, в которых отражены все нормированные, в том числе переходные, режимы работы изделия, частью которого является испытываемая изоляция (это, однако, не означает, что все эксплуатационные режимы должны непосредственно воспроизводиться в испытаниях).
Из сказанного следует, что целью длительных испытаний изоляции может быть, например, построение математической и статистической моделей старения изоляции, определение оценок параметров этих моделей, получение других характеристик изоляции при работе в стационарном длительном режиме, но не оценка ресурса или других показателей надежности этой изоляции.
Выделяя проблемы, связанные с оценками ресурса и других показателей надежности, следует отметить, что естественное желание руководствоваться в этом случае требованиями соответствующих ГОСТ наталкивается на их несовершенство и содержащиеся в них неточности и даже ошибки. Последние обстоятельства свидетельствуют о том, что в части их требований к надежности эти стандарты практически не применяются; ясно, что для практической реализации требований действующих ГОСТ по надежности технических изделий необходима тщательная корректировка этих стандартов.
В числе прочих направлений развития высоковольтной техники НИИПТ продолжает исследования проблем длительной электрической прочности различных систем внутренней изоляции. В последние годы это направление было расширено за счет разработок более совершенных математических и статистических моделей электрической прочности и методов их экспериментального определения, методик испытаний отдельных изоляционных систем на надежность (в указанном выше смысле), создания комплексных установок для испытания на надежность и т. д. В этот же период были разработаны общие принципы испытаний высоковольтного оборудования на надежность (кроме вращающихся машин) и общие требования к специальным испытательным установкам для их проведения, новая концепция приемочных испытаний этого оборудования, обеспечивающая его комплексную проверку, в том числе на эксплуатационную надежность, методы приемо-сдаточных и предэксплуатационных испытаний элегазовых КРУ, проекты типовых методик испытаний, силовых конденсаторов и силовых распределительных трансформаторов на надежность и т. д.
Настоящий сборник содержит часть работ, выполненных в НИИПТ совместно с предприятиями и НИИ за последние 5 лет в области длительной электрической прочности различных систем внутренней высоковольтной изоляции: силовых и специальных конденсаторов, силовых и специальных кабелей, генераторов, стекловолоконных световодов. В сборник входят, в частности, материалы об экспериментальной проверке опытной методики ресурсных испытаний силовых распределительных трансформаторов (испытаний на надежность), о парке испытательных установок длительного воздействия НИИПТ и специальных требованиях к ним.
Сборник может представлять интерес для специалистов, занимающихся конструированием, производством, эксплуатацией, испытаниями и исследованиями высоковольтного оборудования и его внутренней изоляции.
А. Г. Левит