Основы конструирования ГРУ с элегазовым заполнением - Состав Выбор изолирующих промежутков в ГРУ

Экономический эффект от применения ГРУ достигается, главным образом, за счет сокращения размеров РУ, что в свою очередь связано с уменьшением длины изолирующих промежутков. Последнее становится возможным из-за высокой электрической прочности элегаза и его использования в промежутках со слабонеоднородным электрическим полем. Действительно, при внутренней электрической прочности элегаза 89 кВ/см для поддержания электрической прочности промежутка на уровне 312 кВ (что соответствует расчетному уровню коммутационных перенапряжений систем класса 110 кВ) в однородном поле требуется длина промежутка 35 мм. Для создания необходимого запаса с учетом разброса пробивных напряжений и неоднородности поля используемых промежутков этот размер может быть увеличен до 100 мм, что, однако, значительно меньше характерных размеров изоляции в ОРУ. С ростом класса напряжения выигрыш в размерах делается все более значительным, что связано с опережающим ростом длины промежутков в ОРУ ввиду высокой степени неоднородности электрического поля в них.
Как правило, современные ГРУ создаются в пофазно экранированном исполнении, когда каждая фаза размещена в отдельной оболочке. При этом на выбор изоляции влияют только рабочее фазное напряжение и перенапряжения относительно земли, в то время как междуфазные перенапряжения могут не учитываться. Это относится как к изоляции между элементами высокого напряжения и оболочкой, так и к изоляции между контактами разъединителей, поскольку характерной чертой разъединителей ГРУ является их совмещение с быстродействующим заземлителем. В результате такого совмещения в разомкнутом положении разъединителя подвижный контакт заземлен постоянно, за исключением коротких периодов работы заземлителя, не превышающих 2 мин.
Размеры изолирующих промежутков и ГРУ в целом определяются двумя условиями: 1) необходимостью поддерживать требуемую электрическую прочность изоляции и 2) необходимостью обеспечивать отвод от токоведущих элементов выделяющейся в них теплоты при прохождении рабочего тока. При характерных для современных ГРУ высокого напряжения рабочих токах 6 — 10 кА минимальный диаметр токоведущих элементов составляет 50 — 60 мм, а с учетом размещения разъемных контактных соединений и других конструктивно необходимых деталей достигает 100 — 150 мм. Для снижения напряженности поля на них применяют экраны с радиусом кривизны поверхности 10 — 20 мм и более. Анализ условий начала самостоятельного разряда в элегазе показывает, что при такой кривизне поверхности и при используемых в ГРУ давлениях элегаза (всегда по меньшей мере превышающих атмосферное) начальная напряженность самостоятельного разряда почти совпадает с внутренней электрической прочностью элегаза. В условиях слабонеоднородного поля это означает, что единственным критерием поддержания необходимой электрической прочности изолирующих промежутков является максимальная напряженность поля.
Известно, что максимальная напряженность поля на поверхности экранов может меняться в широких пределах в зависимости от размеров оболочки, причем одновременно с изменением внутреннего радиуса оболочки R меняются длина изолирующего промежутка и степень неоднородности поля в нем. Пусть габаритный размер экрана высокого напряжения равен 2г, длина изолирующего промежутка /, тогда при симметрии вращения R = г + /. Напряженность максимальна на поверхности внутреннего экрана и по мере увеличения й от г до R>r меняется в широких пределах. Оптимальное соотношение размеров экрана и оболочки соответствует минимуму максимальной напряженности. В системе соосных цилиндрических электродов этот минимум соответствует R/r~ 2,728; для концентрических сферических электродов R/r = 2. При отклонении от этих значений в большую или меньшую сторону электрическая прочность промежутков меняется сначала незначительно, а затем очень быстро. Так, для цилиндрических электродов границы 10%-ного отклонения от максимальной электрической прочности соответствуют диапазону 0,222 < R/r < 0,535, для сферических — 0,060 < R/r < 0,939.
Аналогичный минимум и соответствующее ему отношение R/r могут быть найдены и при более сложной, определяемой конструктивными соображениями форме экранов. Для этого, однако, необходим точный расчет сложного электрического поля в промежутке, выполнить который удается только с применением современных методов математического моделирования и их реализацией на ЭВМ. Варьируя размер оболочки R, с помощью ЭВМ можно определить как оптимальное соотношение между R и г, так и соответствующую этому соотношению максимальную напряженность Emax. Значение Emax служит в дальнейшем основой для выбора изолирующей среды и давления газа, а также для заключения о возможности создания аппарата в данных габаритах при существующем уровне технологии производства. Если изолирующая среда (элегаз) определена, можно найти необходимое для работы ГРУ давление. Известно, что по мере увеличения давления разрядная напряженность растет вначале пропорционально давлению (при р < 0,2 МПа), а при достижении давления 0,5 — 0,6 МПа почти перестает изменяться.
Это связано как с наличием микровыступов и других нарушений правильной структуры поверхности электродов, так и с возможным действием пыли, механических примесей и других факторов. Влияние многих из них может быть нейтрализовано тонкими (25 — 250 мкм) диэлектрическими покрытиями поверхности экранов, однако полностью устранить эти факторы в условиях массового производства не удается.
По мере роста давления растет и разброс пробивных напряженностей (коэффициент вариации достигает значения а* ~ 0,06). Учет статистического разброса пробивных напряженностей приводит к критериальному условию для заключения о возможности создания аппарата с данными габаритами:

где к = 5; Eдоп — допустимое значение напряженности.
При известных значениях Енач и о* это равносильно условию Emax < 0,7 Енач, которое справедливо для напряженности при длительном приложении напряжения промышленной частоты. Как правило, в ГРУ отечественного исполнения на электрическую прочность изолирующих промежутков накладывается дополнительное условие, заключающееся в том, чтобы при аварийном сбросе давления до 0,1 МПа пробоя не возникало. С учетом снижения о* при низких давлениях это приводит к снижению Едоп'ДО 60 кВ/см.
Вместе с тем размеры изолирующих промежутков при существующем уровне ограничения коммутационных перенапряжений определяются прочностью при импульсных воздействиях. В методике определения допустимой напряженности при нормированных коммутационных перенапряжениях также используют записанное выше критериальное уравнение, однако с учетом относительно малой частоты возникновения перенапряжений коэффициент к может быть принят равным 2,5, что дает Eдоп = 0,85 Eнач.
Возвращаясь к вопросу об определении давления в ГРУ, можно сделать вывод, что в диапазоне линейною роста напряженности р < 0,2 МПа (выполнение закона подобия) увеличение давления оправдано, так как позволяет пропорционально уменьшить размеры и пропорционально квадрату размеров снизить площадь поверхности и массу оболочки. В диапазоне существенных отклонений от закона подобия (р > 0,6 МПа) дальнейшее увеличение давления почти не' приводит к росту электрической прочности. С учетом допустимых температурных колебаний и возможного снижения давления в результате утечек в период между плановыми техническими осмотрами оптимальный диапазон рабочих давлений находится в границах 0,35 — 0,55 МПа, что совпадает с техническими характеристиками подавляющего большинства существующих ГРУ отечественного и зарубежного исполнения.
После определения давления элегаза следует проверить допустимость его использования на нижней границе заданного температурного диапазона (в частности, температуре минус 20 °С соответствует абсолютное давление конденсата 0,75 МПа, минус 45 °С — давление 0,3 МПа). Если температурные требования не удовлетворены (температура конденсации выше нижней границы заданного температурного диапазона), максимальную напряженность в ГРУ необходимо уменьшить путем увеличения размеров экранов и оболочки по описанной выше методике.
В противном случае при допустимости рассчитанного давления по отсутствию конденсации элегаза, следует определить, как описано выше, толщину стенки оболочки. Определенные по условию достижения заданной электрической прочности радиус оболочки R и давление р необходимо также проверить по условию теплоотвода с поверхности токоведущих элементов. Следует отметить, однако, что описанная процедура выбора размеров экранов и оболочки, а также давления элегаза была бы возможна только в том случае, если бы проектируемый аппарат создавался "на пустом месте", без стыковки с созданным ранее оборудованием, без учета существующих стандартов, технологической оснастки, имеющихся материалов и оборудования. Фактически с учетом необходимости "вписать" технологический цикл изготовления аппарата в существующее производство требования к проектированию сильно усложняются. Например, перед конструкторами часто возникает задача разместить создаваемый аппарат в оболочке заданных размеров при известном давлении элегаза. Естественно, что в этом случае оптимизация электрического поля должна быть направлена на выбор формы и размеров внутренних экранов по условию минимума напряженности.
Неизменное положение элементов высокого напряжения ГРУ относительно оболочки поддерживается с помощью твердых изоляторов. Как правило, их изготовляют из эпоксидного компаунда. Различают дисковые (или горшкообразные) изоляторы, разделяющие полость аппарата на два газоизолированных отсека, а также опорные изоляторы, выполняющие только функции механического крепления. Для снижения напряженности электрического поля в толще диэлектрика принимают специальные меры. Так, основание дискового изолятора устанавливают между специальными экранами на поверхности электрода высокого напряжения, снижая тем самым напряженность электрического поля в месте соединения металла с эпоксидным компаундом. На распределение напряженности в твердом изоляторе существенное влияние может оказать форма электродов. Рекомендуется увеличивать толщину дискового изолятора по мере удаления от оболочки к внутреннему цилиндрическому электроду в соответствии с формулой

где r0 — радиус оболочки; rub— текущее значение радиуса и толщины диска; а = 2,5; Ь0 = 0,067 rmin — толщина диска у оболочки; rmin — радиус внутреннего электрода.
При таком выборе формы отношение максимальной напряженности к средней в твердом изоляторе не превышает 1,2.
Распределение напряженности поля вдоль поверхности столбушковых изоляторов регулируют также с помощью размещенных в теле изолятора экранов. При этом, однако, выигрыш в напряженности у поверхности достигается в результате увеличения напряженности на поверхности экрана в толще изолятора. Существующие эпоксидные компаунды допускают длительное использование при максимальной напряженности не выше 3,5 кВ/мм.