Наружная изоляция является одним из важнейших аспектов проектирования оборудования HVDC (высокого напряжения постоянного тока) на преобразовательных подстанциях. Это особенно актуально для систем сверхвысокого напряжения постоянного тока. Основным принципом конструкции такой системы до 10 ГВт является достижение высочайшей надежности.
Поэтому необходимо учитывать условия окружающей среды, тип изоляторов, определение размеров воздушных зазоров, коронного разряда и электрического поля на преобразовательных подстанциях.
Наружная изоляция является важнейшим аспектом проектирования оборудования HVDC на преобразовательных подстанциях и, особенно, для систем UHVDC. Основное внимание уделяется уровню напряжения, механической прочности и перепадам температур. Критическим для UHVDC может также стать эффект множественных разрывов. Более того, даже практика проектирования для обеспечения безопасности персонала, используемая при более низких уровнях напряжения, может потребовать пересмотра. Наружная изоляция включает проектирование изоляции для воздушного зазора, защиту от коронного разряда, изоляторы для внутренних и для наружных атмосферных условий.
Критические вопросы наружной изоляции.
Условия окружающей среды.
а) Условия на площадке.
Степень загрязнения площадки проектируемой преобразовательной подстанции можно оценить разными методами. Существует множество систем HVDC, работающих при различных условиях, наблюдая за которыми можно изучить влияние загрязнения на эти системы. Также можно установить испытательную станцию рядом с планируемой преобразовательной подстанцией. Для UHVDC важна, как можно более точная оценка степени загрязнения площадки, так как решения, принимаемые на ее основе, повлияют на надежность и на стоимость проекта. Также надо учитывать скорость ветра и сейсмичность, потому что именно эти параметры определяют механические требования к оборудованию при проектировании изоляции.
б) Условия в помещении.
На преобразовательных подстанциях некоторое оборудование, такое как преобразовательные вентили, обычно располагаются в помещении. Другое оборудование часто устанавливается на открытом воздухе, но может быть установлено и внутри ЗРУ постоянного тока. Несмотря на то, что условия в помещении более благоприятные, чем на открытом воздухе, на оборудование оказывает влияние пыль, колебания температуры и влажности. Поэтому эти параметры окружающей среды необходимо определять и контролировать.
в) Выбор между ЗРУ и ОРУ постоянного тока.
Для систем HVDC ЗРУ постоянного тока строится из-за экстремальной степени загрязнения объекта или при жестких требованиях к компактности конструкции. Для систем сверхвысокого напряжения постоянного тока длина оборудования достигает значения, при котором важна механическая целостность.
Учитывая большое количество передаваемой энергии, возможно, размещение оборудования в помещении является лучшим вариантом, но все равно это требует тщательного изучения и сравнения различных альтернатив.
Распредустройство постоянного тока: (a) Вид ОРУ постоянного тока 500 кВ; (b) ОРУ постоянного тока проекта XS800 SGCC.
Тип изоляторов.
а) Материалы поверхности.
Для простоты и, главным образом, с точки зрения защиты от загрязнения, поверхности изоляторов можно разделить на HTM (материал с гидрофобным свойством) и не-HTM. HTM включает в себя в основном изоляторы с поверхностью из силиконовой резины. К не-HTM относятся изоляторы с поверхностью, которая не может сохранить или восстановить свои гидрофобные свойства после загрязнения. Основываясь на современных технических разработках, почти все изоляторы, используемые в системах сверхвысокого напряжения постоянного тока, имеют поверхность HTM. Информация о преимуществах и недостатках изоляторов из силиконового каучука, изготовленных с использованием различных типов материалов или с использованием различных технологий производства, часто является слишком обобщенной и может ввести в заблуждение. Поэтому любые обсуждения такого рода должны основываться на всестороннем изучении опыта эксплуатации и некорректно обобщать гидрофобные свойства изолятора, используя только уровни HC (класс гидрофобности). Измерение HC является простым и быстрым методом приблизительной оценки состояния поверхности. Однако отчеты об измерениях HC на месте показали, что уровни HC в большинстве случаев различаются в разных точках изолятора, а также могут быстро меняться в зависимости от условий окружающей среды. Ожидаемые показатели загрязнения изолятора нельзя получить только на основе нескольких измерений углеводородов.
б) Линейность.
При 800 кВ постоянного тока было подтверждено, что зависимость между диэлектрической прочностью и длиной изолятора при искусственном загрязнении была линейной, когда применяемое загрязнение превышало 0,05 мг/см2 SDD. Но для более низких уровней SDD эта же зависимость была немного нелинейной. Например, в условиях, когда исследуемый объект - фарфоровый изолятор был равномерно загрязнен. При напряжении постоянного тока выше 800 кВ выполнение таких испытаний становится затруднительным, так как туман, применяемый в испытательной камере неоднородный, что способствует частичному увлажнению изолятора. Системы UHVDC должны и будут проектироваться с учетом того, что линейная зависимость остается в силе даже при более высоких уровнях напряжения.
в) Профиль оребрения.
Была установлена важность профиля оребрения для характеристик изолятора при различных типах условий увлажнения, несмотря на то, что во время таких лабораторных испытаний было трудно воссоздать естественные условия загрязнения. Для решений постоянного тока, чтобы избежать перекрытия оребрения частичной дугой, необходимо относительно большое расстояние между оребрениями по сравнению с тем, что используется при переменном токе. Особенно для систем сверхвысокого напряжения постоянного тока с большими изоляторами. Этот принцип, установленный для фарфоровых изоляторов, также должен применяться к изоляторам с поверхностью HTM.
Основываясь на тех же принципах профилей, использование спиральных или винтовых оребрений связано только с технологией их производства. Для станционных изоляторов большого диаметра и для изоляторов с поверхностью HTM очевидно, что при одинаковых параметрах профиля оребрение, сформированное по спиральной технологии, имеет удовлетворительные характеристики.
г) Длина утечки.
Этот метод был успешно опробован ранее, а электроэнергетические компании широко приняли принцип использования более короткого пути утечки для изоляторов HTM. Действительно, этот принцип часто позволял производить оборудование для приложений сверхвысокого напряжения постоянного тока и может использоваться при большинстве внутренних условий. В экстремальных условиях, например, около моря, необходимо учитывать риск преждевременного старения оборудования.
Внутри помещений, без таких процессов увлажнения, как дождь, туман и снег, может использоваться гораздо более короткий путь утечки, чем на открытом воздухе, даже если в помещении появляется пыль. В большинстве случаев утечка не будет определяющим параметром для внутренних условий.
Для изоляторов, установленных в горизонтальном положении, таких как стенные вводы, может использоваться более короткая длина пути утечки, чем для вертикальных изоляторов, так как естественная промывка более эффективна и снижает риск попадания воды. Это особенно актуально для настенных вводов с оребрением из силиконовой резины. Поверхность HTM способствует тому, что проходной изолятор становится нечувствительным к неравномерному дождю.
Для аппаратов с контролируемым внутренним распределением напряжения при проектировании необходимо тщательно учитывать динамическое изменение внешнего распределения напряжения из-за различных погодных условий. Тенденция к использованию очень длинного пути утечки фактически может ухудшить ситуацию. Основным ограничением для использования более длинного пути утечки в системе сверхвысокого напряжения постоянного тока является требования к механической конструкции. С точки зрения надежности системы механическая безопасность является большим фактором риска, чем перекрытие внешней изоляции. Следовательно, необходимо соблюсти баланс между требованиями к внешней изоляции и отрицательным влиянием на механическую прочность слишком длинных изоляторов.
д) Испытания.
Чтобы лучше понять взаимосвязь между напряжениями и прочностью внешней изоляции, проводились многочисленные лабораторные испытания. Однако, лабораторные испытания не могут полностью обеспечить реальные условия эксплуатации, например, загрязнение окружающей среды, поэтому искусственное загрязнение для определения «годности» или «непригодности» для конструкции внешней изоляции может оказаться неточным. Точность будет еще ниже, если по результатам таких испытаний оценивать изоляторы HTM. Таким образом, можно сделать вывод, что тестирование, целью которого являются НИОКР, полезно для проектирования, в то время как тестирование (например, в форме типовых испытаний) для проверки конструкции часто может вводить в заблуждение.
Определение воздушных зазоров.
а) Множественные промежутки.
Множественные промежутки бывают в случае, когда один высоковольтный электрод обращен к нескольким заземленным электродам, например к стенам. Это не относится к параллельным промежуткам, когда несколько высоковольтных электродов, находящихся под одним и тем же напряжением, и каждый обращен к заземляющему электроду и действуют независимо. Для параллельных промежутков существует известный способ учета изменений пробоя по сравнению с единичным промежутком. Однако для множественных промежутков должна быть установлена изоляционная конструкция. При сверхвысоком напряжения постоянного тока с большими воздушными промежутками в основном промежутке нельзя исключить влияние других заземленных электродов на основной промежуток.
Рис. 2: Влияние стенок на траектории пробоя.
б) Насыщение и повреждение электрода.
Коммутационный импульс в большинстве случаев является определяющим напряжением для воздушных промежутков на подстанциях HVDC.
Установлено, что при коммутационном импульсе зависимость между диэлектрической прочностью и промежутком нелинейна и быстро насыщается. Это особенно характерно для зазоров типа «стержневая плоскость» с большими электродами. Для таких зазоров с большими электродами насыщение происходит еще быстрее, чем для зазоров со стержневой плоскостью. Следовательно, любое улучшение, достигнутое за счет увеличения радиуса электрода, уменьшается при увеличении расстояния между зазорами. Это делает необходимым улучшать электрод каждый раз при повышении уровня напряжения. В противном случае необходимо определять промежуток, как для стержневого электрода.
Более того, даже небольшое «повреждение», появляющееся на поверхности большого электрода, приведет к резкому снижению электрической прочности. Снаружи при смывании дождем загрязнения с поверхности электрода, большая часть воздушных зазоров будет вести себя как стержневой электрод.
Внутри помещения «идеальный» электрод также может быть неверно определен. В этом случае монтажные конструкции с «головками» винтов также «повредят» электрод. В помещении могут появиться насекомые, что также может стать причиной сбоев. При проектировании изоляции необходимо учитывать все эти факторы.
в) Безопасное расстояние.
Также при множественных зазорах может расширяться траектория пробоя и достигать другого заземленного электрода, находящегося на гораздо большем расстоянии от основного зазора. В таком случае около основного зазора вообще не будет «безопасной зоны».
Традиционно для более низких уровней напряжения, соответствующих системе переменного тока 500 кВ или ниже, считалось, что с металлическим постаментом длиной около 2,5 метров персонал станции может безопасно получить доступ к подстанции даже во время работы. Однако для систем сверхвысокого напряжения постоянного тока расстояние между дугами изоляторов находится в диапазоне более 8 метров. Вероятность поломки между верхними электродами и землей возрастет, поэтому работа во время работы под основанием высотой 2,5 метра опасна для персонала.
Следует учитывать, что любое безопасное расстояние должно иметь нулевую вероятность отказа, т. е. расстояние, которое оценивается с запасом в 5 сигм от U 50. Этот критерий должен применяться только при условии, что, в крайнем случае, человек должен войти в ОРУ постоянного тока во время работы. Другой мерой может быть строительство безопасного коридора, защищенного от дуги возможной аварии. Необходимо дальнейшее изучение мер безопасности.
г) Испытания.
Лабораторные испытания являются необходимым инструментом разработки продуктов для новых и более высоких уровней напряжения. Расчет изоляции основан на принципе вероятности. Вероятность отказа можно исследовать с помощью лабораторных испытаний с использованием, например, процедуры подъема и спуска. Подъем и спуск является эффективной и относительно точной процедурой для определения вероятности поломки. Но испытания при небольшом количестве отказов не могут гарантировать достаточный уровень точности без большого количества испытаний при высоком напряжении.
С другой стороны, очевидно, что оборудование, изготовленное из самовосстанавливающейся и из невосстанавливающейся изоляции, не выдерживает многих поломок. Следовательно, необходимо достичь некоторого баланса, который позволит разработать надежный продукт, при этом не разрушить большое количество объектов. Необходимо найти компромисс, чтобы обосновать новую конструкцию путем проведения стандартного испытания на устойчивость. В этом случае альтернативой является компьютерное моделирование, которое в сочетании с лабораторными экспериментами процесса разрушения позволяет лучше понять это сложное явление. С инженерной точки зрения, несмотря на то, что сегодняшние методы моделирования, не столь удобны в качестве инструмента проектирования, они по-прежнему ценны для моделирования различных ситуаций, которые не могут быть хорошо смоделированы в испытательной лаборатории.
При испытании самовосстанавливающейся изоляции возникают проблемы при испытании на уровнях напряжения UHVDC. Было замечено, например, что разряды или даже пробои могут возникать не на испытательном объекте, а на других частях испытательной схемы. Таких разрядов и пробоев следует избегать путем изменения защиты от коронного разряда испытательной цепи. Для наблюдения за выбросами использовались цифровые камеры, снимки с которых были сразу доступны для проверки в диспетчерской.
Корона и поле постоянного тока.
При проектировании оборудования и шин внутри помещений следует стремиться к отсутствию короны. Пыль, заряженная постоянным напряжением, накапливается на поверхности электродов, что необходимо учитывать при проектировании. Для конструкции без коронного разряда электрическое поле будет только геометрическим и может быть рассчитано без учета потока ионов. Для наружных условий оборудование и шины традиционно проектируются таким образом, чтобы не было короны в хорошую погоду и когда они новые. Спроектировать без короны для наружных условий нереально. Ионные токи возникают при наличии коронного разряда. Однако преобразовательная подстанция с высоковольтным оборудованием и шинами не является общественным местом, и в обычных условиях там не должны находиться люди. Поэтому критерии для ионных полей под ЛЭП постоянного тока здесь применять не нужно.
Выводы.
Превосходная надежность систем сверхвысокого напряжения постоянного тока может быть достигнута только за счет:
1. Использования знаний и опыта эксплуатации существующих систем HVDC;
2. Выявления и решения новых проблем, связанных с повышением уровня напряжения;
3. Баланса между требованиями к изоляции и другими ограничениями при проектировании.