Geum.ru

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

Вид материалаАвтореферат диссертации

Содержание


8. Рекомендации по выбору конструкций и габаритов внешней изоляции
Основное содержание диссертации
Подобный материал:
1   2   3   4   5   6   7   8   9

Для стержневых полимерных изоляторов выбор допустимых рабочих напряженностей Едоп.раб. основывается на недопустимости в стеклопластиковом стержне частичных разрядов (ЧР), уровень которых превышает 10-12пКл, исходя из этого рекомендована допустимая рабочая напряженность (0,2-0,4) кВ/мм. Полученные результаты можно объяснить тем, что технология изготовления стеклопластиковых цилиндров обеспечивает лучшую дегазацию связующего, чем технология создания стеклопластиковых стержней. Полученные результаты, а также экспериментальные данные других авторов подтверждают более высокие электроизоляционные характеристики стеклопластиковых цилиндров по сравнению со стержнями. Это позволяет принять для аппаратных полимерных изоляторов Едоп.раб. = 0,5 кВ/мм.



8. Рекомендации по выбору конструкций и габаритов внешней изоляции

из условия загрязнения

В работе сделан вывод, что при интенсивности загрязнения, характеризующейся удельной поверхностной проводимостью порядка 2мкСм и выше, габариты изоляции определяются рабочим напряжением.

Выбранная по рабочему напряжению изоляция должна быть проверена на надежность работы при воздействии перенапряжений в сочетании с загрязнением и увлажнением поверхности с учетом вероятности сочетания как перенапряжений, так и загрязнений и увлажнений определенной интенсивности.


Традиционная изоляция

Полученные в работе результаты исследований загрязненных изоляторов при длительном воздействии напряжения и при перенапряжениях легли в основу рекомендаций по выбору конструкций и габаритов аппаратных изоляторов различных классов напряжения.

Было показано, что уменьшение межреберных расстояний вызывает рост разрядных напряжений практически пропорционально длине пути утечки, пока последняя не достигнет некоторого определенного предела (). При дальнейшем увеличении длины пути утечки из-за шунтирования межреберных промежутков разрядами рост разрядных напряжений приостанавливается. Увеличение длины пути утечки на 20-30% сверх приводит даже к снижению разрядных напряжений. Таким образом, задача оптимизации конструкции ребер изоляторов заключается в определении такой длины пути утечки и, соответственно, такого межреберного расстояния, при котором было бы обеспечено максимальное разрядное напряжение.

На основании разработанных методов расчета были определены оптимальные значения для изоляторов с простым профилем ребер, которые широко используются при изготовлении аппаратной изоляции. Результаты расчета, а также экспериментальные данные позволяют дать следующие рекомендации по конструированию изоляторов:
  1. Для повышения предельных значений /Н и обеспечения наибольшей разрядной напряженности вдоль загрязненных изоляторов необходимо увеличивать вылет ребер, насколько это возможно с точки зрения технологии их изготовления.
  2. При конструировании грязестойкой изоляции необходимо по возможности уменьшать толщину кромок ребер. В частности, применение ребер с толщиной кромок 2 мм позволяет увеличить электрическую прочность изоляции примерно на 10%. Следует отметить, что, если изготовление таких ребер из фарфора встречает значительные технологические трудности, то для полимерных изоляторов их практически нет. Указанное обстоятельство является одной из причин, определяющих перспективность применения внешней изоляции из полимерных материалов.

Размеры внешней изоляции для аппаратов ВН и СВН должны выбираться из условий обеспечения двух требований:

1) длина пути утечки изолятора должна соответствовать ГОСТ 9920-75;

2) изолятор должен выдерживать приложение испытательного напряжения Uи при нормированной интенсивности загрязнения. Испытательное напряжение целесообразно принять равным:


,


где - наибольшее рабочее напряжение;

коэффициент Ки учитывает возможность снижения разрядных напряжений в реальных условиях из-за колебания давления или неравномерности распределения слоя загрязнения, что диктует необходимость повышения испытательного напряжения для обеспечения надежной эксплуатации оборудования.

Требуемая надежность внешней изоляции может быть достигнута введением коэффициентов запаса как при нормировании степени загрязнения, так и значения испытательного напряжения. Важно отметить, что создание необходимого запаса только за счет одного из коэффициентов не обосновано, т.к. чрезмерное увеличение испытательного напряжения или степени загрязнения может привести к изменению характера предразрядных процессов, в частности, шунтирования межреберных промежутков.

Высота изоляции находится из соотношения


, (23)


где - 50%-ная разрядная напряженность вдоль поверхности изолятора;

- коэффициент запаса, принимаемый равным = I + 2,5,

где - коэффициент вариации с усредненным значением, равным 0,06.

Разрядная напряженность определяется в процессе проведения лабораторных исследований внешней изоляции. При разработке новых конструкций предварительная оценка габаритов изоляции проводится исходя из расчетных значений , определенных по предложенной в данной работе методике.

Разработанные в работе принципы конструирования полимерных изоляторов позволили создать элемент опто-электронного измерителя тока, обеспечивающий передачу оптического сигнала из области высокого напряжения к заземленным элементам - оптоизолятор. Оптоизолятор состоит из стеклопластикового стержня, в поверхностный слой которого вмонтировано одно или несколько оптических стекловолокон. Стекловолокна герметизируются силиконовым слоем, после чего поверхность защищается оребренной оболочкой. Конструкция ребер рассчитывается по методике, созданной в данной работе. Образец оптоизолятора был разработан и изготовлен. Испытания образца дали положительные результаты.


Пространственные изоляционные системы

В последнее время на основе технологических возможностей, появившихся с внедрением полимерных изоляторов, просматривается тенденция создания пространственных изоляционных конструкций и систем, когда вместо традиционных изоляторов в виде оребренных цилиндров применяются сложные трехмерные изоляционные конструкции и системы. Пространственные системы позволяют наиболее полно реализовать предъявляемые требования при минимальном расходе материалов. При создании вакуумного выключателя напряжением 27-35кВ реализована конструкция полого опорного изолятора с оребрением как наружной, так и внутренней поверхностей цилиндра, для выключателя нагрузки - в виде оребренного сегмента цилиндра. Создан и запатентован также изолятор на напряжение 10кВ, в котором вместо цилиндрического оконцевателя применена объемная конфигурация из основного материала изолятора, позволяющая предельно упростить и удешевить стоимость арматуры. Известен вариант опорной изоляции в виде пространственной системы, состоящей из стержневых полимерных изоляторов.

В настоящее время во многих случаях возникает потребность в усилении изоляции из-за неправильного учета условий загрязнения при проектировании (например, увеличения загрязненности атмосферы вследствие строительства вблизи трассы ЛЭП промышленных предприятий, интенсивного применения удобрений на полях и т.д.). Такая задача может быть решена путем совершенствования внешней изоляции, в первую очередь – на базе полимерной изоляции. Проведенные автором исследования показали перспективность многостержневых конструкций подвесной изоляции. Методы расчета таких конструкций в целом соответствуют общим принципам, разработанным при выполнения данной работы. Однако количественные характеристики, как показали исследования, существенно иные при токах утечки менее 10-15 мА, что вероятно связано с изменением физических процессов в канале разряда. В результате электрическая прочность изоляции при диаметре стержня 3-4 мм резко возрастает. При уменьшении диаметра стержня увеличиваются также удельные механические характеристики стеклопластика, что уменьшает массу изоляторов при той же прочности изоляторов на разрыв. Проведенные исследования макетных образцов многостержневых изоляторов подтвердили их высокие характеристики, что позволило начать разработку опытных образцов.

По предварительным оценкам применение пространственных изоляционных систем при строительстве ЛЭП может на 10-15% уменьшить стоимость изоляции.


Заключение


Основные результаты работы сводятся к следующему:

  1. Разработаны научно-технические основы создания внешней изоляции оборудования высокого и сверхвысокого напряжения, решена важная народно-хозяйственная задача по созданию и внедрению внешней изоляции для линий передачи переменного и постоянного тока.
  2. Получены новые данные о разрядных процессах, протекающих при перекрытии загрязненной изоляции. Установлено, что в общем случае наблюдаются две фазы развития разряда: тепловая и электрическая. Первая фаза определяется тепловыми процессами, вторая – является одной из форм электрического разряда. Показано, что с достаточной для практических целей точностью переход к электрической фазе определяется критической напряженностью электрического поля и сопротивлением проводящего слоя на единицу длины пути утечки.

Установлено, что при воздействии постоянного напряжении перекрытие изоляции в основном определяется тепловой фазой, а при переменном напряжении – в большей степени электрической фазой, при коммутационных перенапряжениях и высоте изоляционной конструкции до 2х метров – исключительно электрической фазой (при большей высоте имеет место каскадное развитие разряда по воздуху).
  1. На основе анализа критических токов и напряжений предложен метод определения разрядных напряжений изоляторов при длительных воздействиях. Метод позволяет на стадии проектирования находить необходимые геометрические размеры изоляции с погрешностью не более 10 %.
  2. Разработан принцип оптимизации конструкции ребер внешней изоляции, который учитывает соотношения между электрической прочностью воздушных промежутков и напряжениями, возникающими на них в процессе формирования частичных поверхностных разрядов.
  3. Разработана методика расчета электрической прочности загрязненной аппаратной изоляции при кратковременном воздействии напряжения. Методика базируется на использовании экспериментальных зависимостей скоростей распространения ПЧР от приложенного напряжения.
  4. Изучены разрядные характеристики загрязненной аппаратной изоляции высотой до 14,4 метров. Установлено, что при воздействии напряжения промышленной частоты разрядные напряжения изоляторов возрастают практически линейно с увеличением их высоты; при воздействии коммутационных импульсов наблюдается снижение разрядных напряженностей по мере увеличения высоты изоляции.
  5. Исследованы электрические характеристики силиконовых эластомеров в части их электрической прочности при скользящих разрядах и пробое. Это позволило установить минимальную толщину ребра, обеспечивающую его непробиваемость при эксплуатационных воздействиях. В результате разработана методика оптимизации конструкции полимерных изоляторов, приводящая к минимальной материалоемкости изделий.
  6. Получены теоретические зависимости, характеризующие условия монолитности многослойной полимерной конструкции при воздействии механических и термомеханических нагрузок. Выполнен теоретический анализ газопроницаемости полимерных изоляционных покрышек. Учтены релаксационные процессы в эластомере и зависимость газопроницаемости от температуры.
  7. Установлена зависимость изменения разрядных напряжений загрязненных и увлажненных изоляторов при длительном воздействии напряжения промышленной частоты от атмосферного давления.
  8. На базе теоретических и экспериментальных исследований даны практические рекомендации по конструированию изоляторов и габаритам опорной изоляции аппаратов ВН СВН и УВН, а также по методике испытаний загрязненной изоляции.

11. Предложены варианты пространственной изоляционной системы для ЛЭП, обеспечивающие выбор габаритов опор, исходя исключительно из прочности воздушных промежутков, что позволяет создавать компактные линии электропередач.

12. Результаты работы использованы при разработке единой серии воздушных выключателей ВНВ 110-1150 кВ (НПО «Уралэлектротяжмаш»), при разработке вводов постоянного тока напряжением ± 400-800 кВ (завод «Изолятор»), при разработке изоляции шинных опор и разъединителей (Великолукский завод высоковольтной аппаратуры), при создании изоляции комплектных кабельных устройств ± 800 кВ (НИИКП), при разработке полимерных покрышек для ограничителей перенапряжений (ЗАО НПП «Спецэнерготехника», ООО ЛМЭ «Ограничитель»), полимерных покрышек для трансформаторов напряжения (ОАО «Молния»), опорных полимерных изоляторов 35-110 кВ (ОАО «Энергия-21»), при подготовке ГОСТ 10390-71, макетного образца оптоизолятора для электронно-оптического измерителя тока, а также РТМ «Нормы и методы испытаний изоляции в загрязненном состоянии» и РТМ на вводы постоянного тока.


Основное содержание диссертации

опубликовано в следующих работах


1. Авторское свидетельство N 322735. Устройство для испытания внешней изоляции оборудования постоянного тока высших классов напряжения.// Остапенко Е.И., Энгельсберг Ф.Б.//.Бюл. изобр., 1971, N 36.

2. Лебедев Г.А., Годулян В.В., Остапенко Е.И. Влияние расположения изолятора на его грязеразрядные напряжения. // Электрические станции, 1972, № 1, с. 85-86.

3. Kisewetter V.E., Lebedev G.A, V.E., Merhalev S.D., Ostapenko E.I. Characteristics of EHV insulation in contaminated field moist conditions.//CIGRE, 1974, rep. 33-16, 11 p.

4. Лебедев Г.А., Остапенко Е.И., Годулян В.В. Влияние внешних очертаний аппаратной изоляции на ее электрическую прочность при загрязнении.// Электричество, 1975, N 6, с. 18-21.

5. Остапенко Е.И., Власова В.И. Развитие разряда вдоль загрязненной и увлажненной поверхности при воздействии коммутационных импульсов. // Энергия, Труды ВЭИ, 1977, выпуск 85, с. 57-64.

6. Лебедев Г.А., Остапенко Е.И., Годулян В.В. Электрическая прочность изоляции пространственных конструкций при загрязнении // Энергия, Труды ВЭИ, 1977, выпуск 85, с. 65-72.

7. Авторское свидетельство N 296063. Устройство для испытаний внешней изоляции оборудования постоянного тока высокого напряжения в условиях загрязнения и увлажнения.// Остапенко Е.И., Энгельсберг Ф.Б., Наймарк Г.В.//.Бюл. изобр., 1979 N 8.

8. Остапенко Е.И. Методика расчета электрической прочности загрязненной аппаратной изоляции. //Сборник научных трудов ВЭИ «Изоляция электрооборудования высокого напряжения и вентильные разрядники», 1982, с. 75-79.

9. Мерхалев С.Д., Соломоник Е.А., Остапенко Е.И. Разработка методики и нормативов испытаний внешней изоляции электрооборудования в загрязненном состоянии.// «Изоляция воздушных линий и распределительных устройств в районах загрязненной атмосферой».// Сборник научных трудов НИИПТ, Энергоатомиздат, Л., 1983. с. 5-10.

10. Трифонов В.З., Остапенко Е.И. Длительные испытания полимерных материалов и изоляторов на открытом стенде.// Электротехническая промышленность. Электрические материалы», 1984, № 4, с. 3-4.

11. Мерхалев С.Д., Соломоник Е.А., Остапенко Е.И. Определение категории изоляции электрооборудования путем высоковольтных испытаний.// Электрические станции, 1984, № 4, с. 67-71.

12. Соловьев Э.П., Остапенко Е.И., Кузнецов А.В., Трифонов В.З. Оценка температурно-временного режима типовых термомеханических испытаний полимерных изоляторов наружных высоковольтных установок. //Электротехника, 1984, № 9, с. 19-20.

13. Остапенко Е.И., Трифонов В.З. Применение полимерных материалов в высоковольтных изоляционных конструкциях наружной установки.// Информэлектро, Москва, 1984, 25 с.

14. Остапенко Е.И., Трифонов В.З. Перспективы разработки высоковольтных световодов для наружной установки.// 2-я Всесоюзная научно-техническая конференция «Системы управления и контроля высоковольтных электрических аппаратов., 1984, с. 86-89.

15. Годулян В.В., Остапенко Е.И., Худяков В.В., Щербинин Ю.Б. Выбор оптимальной конструкции аппаратной изоляции для ППТ с учетом загрязнения.// Сборник «Передача энергии постоянным током», М., Энергоатомиздат, 1985, с. 206-213.

16. Остапенко Е.И., Годулян В.В., Мерхалев С.Д., Соломоник Е.И., Практика СССР по проектированию и выбору изоляции для загрязненных районов.// Электротехника, 1986, № 3, с. 23-26.

17. Волкова О.В., Корявин А.Р., Остапенко Е.И., Слуцкин Л.С. Внешняя изоляция электрооборудования сверх- и ультравысокого напряжения при глубоком ограничении перенапряжений.//«Электрическая прочность изоляции электрооборудования высокого напряжения». Сборник научных трудов ВЭИ, 1989, с. 4-14.

18. Годулян В.В., Остапенко Е.И., Трифонов В.З. Электрическая прочность внешней изоляции крупногабаритных конструкций в условиях загрязнения и увлажнения.// «Электрическая прочность изоляции электрооборудования высокого напряжения». Сборник научных трудов ВЭИ, 1989, с. 43-48.

19. Остапенко Е.И., Литманович Д.С. Монолитность многослойных полимерных изоляторов высоковольтных выключателей и ее контроль в производстве.// «Электрическая прочность изоляции электрооборудования высокого напряжения». Сборник научных трудов ВЭИ, 1989, с.102-107.

20. Е.И. Остапенко, В.В.Годулян, В.З.Трифонов Полимерные изоляторы для электрических аппаратов наружной установки.// «Электрическая прочность изоляции электрооборудования высокого напряжения». Сборник научных трудов ВЭИ, 1989, с. 98-101.

21. Ostapenko E.I. The influence of the pollution layer inert component on the insulation flashover.// CIGRE SC- 33 colloquium New Orleans, LA-USA 1989.

22. Мерхалев С.Д., Соломоник Е.А., Годулян В.В, Остапенко Е.И. Выбор внешней изоляции оборудования 1150 кВ в условиях загрязнения и увлажнения.//Электропередачи 1150 кВ, Сборник статей, книга вторая, 1992, с.29-38.

23. Годулян В.В., Остапенко Е.И. Влияние инертной составляющей слоя загрязнения на перекрытие внешней изоляции //Сборник научных трудов ВЭИ «Высоковольтная и преобразовательная техника. Системы управления электротехническим и энергетическим оборудованием», М., 1996, с. 15-17.

24. Вариводов В.Н., Волкова О.В., Ковалев В.Д., Козлов В.Б., Корявин А.Р., Остапенко Е.И. Перспективы создания нового поколения электрооборудования 1150 кВ, обеспечивающего высокий уровень надежности. //Электротехника , 1996, № 8, с. 10-16.

25. Мамхегов М.А., Остапенко Е.И., Трифонов В.З. Опорный полимерный изолятор.-Патент РФ № 2130660, Бюл. изобр. 1999, № 14.

26. Апряткин В.Н., Казанков Ю.В., Матаев В.В., Овчинников А.Г., Остапенко Е.И., Танель Ю.Г., Трифонов В.З. Линейный полимерный изолятор. - Патент РФ № 2170465, Бюл. изобр. 2001, № 19.

27. Годулян В.В., Е.И. Остапенко, В.З.Трифонов, В.А.Туркот Особенности конструкций и испытаний полимерных аппаратных изоляторов..// V1 Симпозиум «Электротехника 2010», 2001, доклад 6.01.

28. Е.И. Остапенко, В.З.Трифонов, Шарковский В.А. Оценка прочности связи защитной оболочки и несущего элемента в комбинированных полимерных изоляторах.// V1 Симпозиум «Электротехника 2010», 2001, доклад 6.13.

29. Е.И. Остапенко, В.З.Трифонов, В.В.Годулян Опыт разработки и применения полимерных изоляторов в высоковольтных аппаратах.// Электричество, 2001, № 9, с. 20-24.

30. Е.И. Остапенко. Физические процессы при перекрытии загрязненной изоляции.// Электричество, 2006, № 9.

31. Е.И.Остапенко. Методы выбора изоляции для районов с загрязненной атмосферой. //Электротехника , 2006, № 9.