Geum.ru

Научно-технические основы создания внешней изоляции электрооборудования высокого и сверхвысокого напряжения

Вид материалаАвтореферат диссертации

Содержание


3. Исследование развития разряда вдоль загрязненной и увлажненной поверхности изоляции
4. Разрядные напряжения аппаратных изоляторов при длительном воздействии напряжения
1-1΄ - изолятор типа Ф8; 2-2΄ - изолятор типа Ф9; 3-3΄ - изолятор типа П2
Подобный материал:
1   2   3   4   5   6   7   8   9

3. Исследование развития разряда вдоль загрязненной и увлажненной

поверхности изоляции


После перекрытия «сухих поясов», возникающих под воздействием рабочего напряжения, формируется поверхностный частичный разряд (ПЧР), который заканчивается несколькими нитевидными каналами-ветвями.

Опубликованные данные и результаты настоящих исследований позволяют выделить две фазы развития разряда при длительном приложении напряжения. В процессе первой, тепловой (медленной) фазы частичный разряд распространяется за счет тепловых процессов – идет подсушка слоя загрязнения в области головки канала ПЧР, вызывающая увеличение «сухого пояса» и удлинение канала. Поскольку напряженность поля в канале ПЧР при интенсивности загрязнения, опасной для изоляции, существенно меньше средней напряженности вдоль изоляционной поверхности, удлинение частичного разряда вызывает увеличение напряженности ELH на неперекрытом участке. Когда значение приложенного напряжения U достигает критического значения, начинается вторая, электрическая (быстрая) фаза, которая приводит к полному перекрытию изоляции. Эта же фаза является определяющей в случае перекрытия изоляции при коммутационных импульсах.

Анализ снимков, сделанных кинокамерой СКС-16М и 2х-объективной оптической системой, позволил более детально рассмотреть процесс развития разряда в зависимости от приложенного напряжения. В случае, если напряжение не превышает 0,6-0,7 от критического, длины ветвей практически не зависят от их расположения по отношению к заземленному электроду. При увеличении напряжения до критического значения та из ветвей, которая направлена к заземленному электроду, начинает развиваться более интенсивно, в то время как другие ветви начинают распадаться. В конечном счете, направленная к заземленному электроду ветвь становится продолжением канала ПЧР, то есть при критическом напряжении начинается процесс развития разряда вдоль загрязненной и увлажненной поверхности изолятора.

Критическому напряжению соответствует критическое значение тока утечки Iкр.

Опыты на простейших моделях загрязненной изоляции позволили установить эмпирическую формулу для расчета критического тока утечки


А (2)


где ρs – поверхностное сопротивление слоя загрязнения, к0м;

b – ширина модели, см;

В, m – константы, которые для загрязненных цементом моделей в диапазоне ρs/b = (I-4), характерном для реальных загрязнений и конструкций изоляторов, равны соответственно 0,52 и 0,37.

Анализ процессов, происходящих при развитии частичных разрядов, а также расчеты показали, что минимальное значение критического тока может быть определено, исходя из условия устойчивости горения частичного разряда параллельно увлажненному слою загрязнения.

Изучение кинокадров развития разряда и осциллограмм токов утечки позволило установить, что при длительности воздействующего напряжения менее одной секунды предразрядное время, в основном, определяется скоростью движения ПЧР вдоль загрязненной поверхности. На основании полученных экспериментальных данных скорость продвижения разряда может быть определена по формуле


, (3)


где I = fI(U(t), RC) – ток утечки по слою загрязнения,

U(t) - напряжение на неперекрытом участке изоляции в данный момент времени,

Rс = fR(ρs, l, b) - сопротивление слоя загрязнения при горении ПЧР на поверхности модели, к0м;

l – длина неперекрытого участка изоляции,

С и p – константы. При отрицательной полярности напряжения они равны 6 см/мс и 1,5 соответственно, а при положительной полярности С равно 70 см/мс, для случая, когда разряд развивается вдоль слоя электролита, и 32 см/мс – для увлажненного цемента, p = 2.

Анализ фоторегистраций канала ПЧР показал, что при положительной полярности напряжения разряд развивается значительно ближе к поверхности, чем при отрицательной.

На основании изученных закономерностей формирования разряда по загрязненной и увлажненной поверхности были разработаны методики расчета разрядных напряжений изоляторов при длительном воздействии напряжения промышленной частоты и перенапряжениях различной формы.




4. Разрядные напряжения аппаратных изоляторов

при длительном воздействии напряжения

Известные методы расчета разрядных напряжений загрязненных изоляторов основываются на определении предельных длин ПЧР. При этом не учитывается, на стадии какой фазы развития разряда эти длины достигаются.


В данной работе было получено, что предельные длины ПЧР зависят от скорости их развития: с увеличением скорости от 4 до 100 см/с длины существенно возрастают. Экспериментально было найдено, что при скоростях, соответствующих тепловой фазе, предельные длины ПЧР могут быть определены по формуле


, см (4)


где - приложенное напряжение, кВ,

D и n – коэффициента, равные для напряжения промышленной частоты и постоянного тока 0,9, 0,24 и 1,72, 0,59 соответственно;

I0 – ток, ограниченный сопротивлением неперекрытой части изолятора и определяемый выражением


, А, (5)


где RC - сопротивление неперекрытой части изолятора.

Для переменного напряжения указанные выше коэффициенты относятся к эффективным значениям тока и напряжения.

Зависимость Rc = f(, L, I) может быть определена экспериментально или приближенно, если заменить изолятор цилиндром с эквивалентным диаметром Dэк, и применить известные методы расчета электрического поля на проводящей поверхности при растекании тока с круглого электрода


Rс = , (6)


L – длина пути утечки изолятора,

dэк - эквивалентный диаметр растекания опорной точки частичного разряда.

Значение dэк может быть найдено по формуле, полученной на основе экспериментальных данных


, (7)


где ρs – в кОм, I – в А, (dэк – в мм).

Была разработана методика расчета разрядных напряжений изоляции, в которой в качестве необходимого и достаточного условия ее перекрытия принят переход процессов развития разряда в электрическую фазу. Методика расчета заключается в следующем.
  1. По формуле (4) методом последовательных приближений определяется предельная длина ПЧР, достигаемая в процессе теплового (медленного) его развития. При этом значение приложенного напряжения принимается равным ожидаемому разрядному напряжению.
  2. По формуле


, (8)


находится ток утечки по изоляции Im. (, Im - амплитудные значения).

напряженность электрического поля вдоль канала частичного разряда, определяемая известным выражением


кВ/см). (9)

  1. По формуле (2) определяется значение Iкр и сравнивается с Im . В зависимости от того, что больше (Iкр или Im ) расчет повторяется с увеличенным или уменьшенным значением до тех пор, пока с заданной степенью точности не будет достигнуто равенство: Im = Iкр. Соответствующее значение принимается равным разрядному напряжению.

Результаты расчетов разрядных напряжений изоляторов по разработанной методике для большинства типов изоляторов удовлетворительно согласуются с опытными данными при изменении проводимости в диапазоне 3-16 мкСм при воздействии как переменного, так и постоянного напряжений (рис. 1, табл. 2).

Для некоторых изоляторов экспериментальные разрядные напряжения оказываются меньше расчетных, что, как показал анализ траектории разряда, объясняется шунтированием межреберных промежутков частичным разрядом. Анализ условий, при которых наблюдается такое шунтирование, необходим для оптимизации конфигурации ребер и будет проведен ниже.

Результаты исследования зависимости разрядных напряжений от высоты загрязненной и увлажненной изоляции приведены на рис. 2.





кВ U50







110

1΄

1

́

90




3 3΄



70

2΄ 2




γ

50

0 4 8 12 16 20 24 мкСм


Рис.1. Зависимости разрядных напряжений изоляторов типа Ф8, Ф9, П2 от проводимости слоя загрязнения при воздействии напряжения 50 Гц

1-1΄ - изолятор типа Ф8; 2-2΄ - изолятор типа Ф9; 3-3΄ - изолятор типа П2;

1, 2, 3 – эксперимент; 1΄, 2΄, 3΄ - расчет


Таблица 2


Сопоставление расчетных и экспериментальных данных на постоянном токе

Условное обозначение изолятора
Ф1
Ф11
Ф12
Ф13

Расчетные разрядные напряжения, кВ
84
68
112
84

Экспериментальные разрядные напряжения, кВ
62
66
105
86



Из рисунка видно, что электрическая прочность опорной изоляции, как при напряжении промышленной частоты, так и при постоянном напряжении увеличивается пропорционально ее высоте. Это значит, что разработанная методика расчета применима при выборе изоляции наивысших классов напряжения, включая электрооборудование 1150 кВ переменного тока и ±750 кВ постоянного тока. Из рисунка также следует, что электрическая прочность изоляторов при постоянном токе и высоте конструкции, превышающей 1 м, всегда ниже, чем при напряжении промышленной частоты (действующее значение).

Измерения разрядных напряжений еще 5-ти типов аппаратных изоляторов подтвердили, что электрическая прочность загрязненных изоляторов на постоянном напряжении близка или ниже, чем на переменном. Такие же выводы следуют из анализа известных данных в части линейной изоляции и расчетов по разработанной методике.





кВ U50




1000





800

2 1 4

3


600





400










200





Н

0

0 2 4 6 8 10 12 14 м


Рис.2. Зависимость минимальных разрядных напряжений от высоты изоляционной конструкции при напряжении 50 Гц (1, , 2, ) и постоянном напряжении (3, , 4, )

при удельной поверхностной проводимости 7 – 10 мкСм

1, , 3, , 4, - фарфоровые изоляторы; 2, - полимерные изоляторы.

1, , 2, , 3, - одиночная колонка; 4, - тренога


Поэтому длина изоляционной части, определенная напряжением постоянного тока полюс-земля, не может быть меньше, чем длина для систем напряжением переменного тока с таким же значением фазового напряжения (кВ эф.). Вместе с тем тот факт, что амплитудное значение при постоянном токе в 1,41 раза ниже, чем при напряжении 50 Гц, позволяет для конструкций постоянного тока существенно снизить размеры воздушных промежутков.