Изоляция и перенапряжения

Дефект бумаги в БПИ ограничен пределами одного слоя и многократно перекрывается другими слоями. Тончайшие зазоры между слоями и большое количество микропор в самой бумаге при вакуумной сушке обеспечивает удаление из изоляции воздуха и влаги, а при пропитке эти зазоры и поры надежно заполняются маслом или другой пропиточной жидкостью.

Конденсаторные и кабельные бумаги имеют однородную структуру и высокую химическую чистоту. Конденсаторные бумаги самые тонкие и чистые. Трансформаторные бумаги используются в вводах, трансформаторах тока и напряжения, а также в элементах продольной изоляции силовых трансформаторов, автотрансформаторов и реакторов.

Для пропитки бумажной изоляции в силовых маслонаполненных кабелях 110-500 кВ используются маловязкие нефтяные или синтетические кабельные масла, а в кабелях до 35 кВ - маслонаполненные смеси повышенной вязкости. В силовых и измерительных трансформаторах и вводах пропитка осуществляется трансформаторным маслом. В силовых конденсаторах применяется конденсаторное масло (нефтяное), хлорированные дифенилы или их заменители, а также касторовое масло (в импульсных конденсаторах).

Нефтяные кабельные и конденсаторные масла более тщательно очищены, чем трансформаторные.

Хлорированные дифенилы, обладая высокой относительной диэлектрической проницаемостью, повышенной стойкостью к воздействию частичных разрядов (ЧР) и негорючестью, токсичны и экологически опасны. Поэтому масштабы их применения резко сокращаются, их заменяют экологически чистыми жидкостями.

Для снижения диэлектрических потерь в силовых конденсаторах используют комбинированную изоляцию, в которой слои бумаги чередуются со слоями полипропиленовой пленки, у которой на порядок меньше чем у непропитанной бумаги. Такая изоляция обладает более высокой электрической прочностью.

Недостатками БПИ являются невысокая допустимая рабочая температура (не более 90С) и горючесть.

Масло-барьерная (маслонаполненная) изоляция (МБИ). Основу этой изоляции составляет трансформаторное масло. Оно обеспечивает хорошее охлаждение конструкции за счет самопроизвольной или принудительной циркуляции.

В состав МБИ входят и твердые диэлектрические материалы - электрокартон кабельная бумага и др. Они обеспечивают механическую прочность конструкции и используются для повышения электрической прочности МБИ. Из электрокартона выполняют барьеры а слоями кабельной бумаги покрывают электроды. Барьеры повышают электрическую прочность МБИ на 30-50%, разделяя изоляционный промежуток на ряд узких каналов, они

ограничивают количество примесных частиц, которые могут приближаться к электродам и участвовать в инициировании разрядного процесса.

Электрическую прочность МБИ повышает покрытие электродов сложной формы тонким слоем полимерного материала, а в случае электродов простой формы - изолирование их слоями бумажной ленты.

Технология изготовления МБИ включает сборку конструкции, сушку ее под вакуумом при температуре 100-120С и заполнение (пропитку) под вакуумом дегазированным маслом.

К достоинствам МБИ относятся сравнительная простота конструкции и технологии ее изготовления, интенсивное охлаждение активных частей оборудования (обмоток, магнитопроводов), а также возможность восстановления качества изоляции в эксплуатации путем сушки конструкции и замены масла.

Недостатками МБИ являются меньшая, чем у бумажно-масляной изоляции электрическая прочность, пожаро- и взрывоопасность конструкции, необходимость специальной защиты от увлажнения в процессе эксплуатации.

МБИ используется в качестве главной изоляции в силовых трансформаторах с номинальными напряжениями от 10 до 1150 кВ, в автотрансформаторах и реакторах высших классов напряжения.

Изоляция на основе слюды имеет класс нагревостойкости В (до 130С). Слюда имеет очень высокую электрическую прочность (при определенной ориентации электрического поля относительно кристаллической структуры), обладает стойкостью к воздействию частичных разрядов и высокой нагревостойкостью. Благодаря этим свойствам, слюда является незаменимым материалом для изоляции статорных обмоток крупных вращающихся машин. Основными исходными материалами служат микалента или стеклослюдинитовая лента.

Микалента представляет собой слой пластинок слюды, скрепленных лаком между собой и с подложкой из специальной бумаги или стеклоленты. Микалента используется в так называемой компаундированной изоляции, процесс изготовления которой включает намотку нескольких слоев микаленты, пропитку их при нагреве под вакуумом битумным компаундом и опрессовку. Эти операции повторяются для каждых пяти-шести слоев до получения изоляции необходимой толщины. Компаундированная изоляция используется в настоящее время в машинах малой и средней мощности.

Более совершенной является изоляция, выполняемая из стеклослюдинитовых лент и термореактивных пропиточных составов.

Слюдинитовая лента состоит из одного слоя слюдинитовой бумаги толщиной 0,04 мм и одного или двух слоев подложки из стеклоленты толщиной 0,04 мм. Такая композиция обладает достаточно высокой механической прочностью (за счет подложек) и отмеченными выше качествами, характерными для слюды.

Из слюдинитовых лент и пропитывающих составов на основе эпоксидных и полиэфирных смол изготовляют термореактивную изоляцию, которая при нагреве не размягчается, сохраняет высокую механическую и электрическую прочность. Разновидности термореактивной изоляции, используемые у нас в стране, называют “слюдотерм”, “монолит”, “монотерм” и т.д. Термореактивная изоляция применяется в статорных обмотках крупных турбо- и гидрогенераторов, двигателей и синхронных компенсаторов с номинальными напряжениями до 36 кВ.

Пластмассовая изоляция в промышленных масштабах используется в силовых кабелях на напряжения до 220 кВ и в импульсных кабелях. Основным диэлектрическим материалом в этих случаях является полиэтилен низкой и высокой плотности. Последний имеет лучшие механические характеристики, однако менее технологичен из-за более высокой температуры размягчения.

Пластмассовая изоляция в кабеле располагается между полупроводящими экранами, выполняемыми из наполненного углеродом полиэтилена. Экран на токоведущей жиле, изоляция из полиэтилена и наружный экран наносятся методом экструзии (выдавливания). В некоторых типах импульсных кабелей применяются прослойки из фторопластовых лент. Для защитных оболочек кабелей в ряде случаев используется поливинилхлорид.

Газовая изоляция. Для выполнения газовой изоляции в высоковольтных конструкциях используется элегаз, или шестифтористая сера . Это бесцветный газ без запаха, который примерно в пять раз тяжелее воздуха. Он имеет наибольшую прочность по сравнению с такими инертными газами, как азот и двуокись углерода.

Чистый газообразный элегаз безвреден, химически неактивен, обладает повышенной теплоотводящей способностью и является очень хорошей дугогасящей средой; он не горит и не поддерживает горение. Электрическая прочность элегаза в нормальных условиях примерно в 2,5 раза выше прочности воздуха.

Высокая электрическая прочность элегаза объясняется тем, что его молекулы легко присоединяют электроны, образуя устойчивые отрицательные ионы. Из-за этого затрудняется процесс размножения электронов в сильном электрическом поле, который составляет основу развития электрического разряда.

При увеличении давления электрическая прочность элегаза возрастает почти пропорционально давлению и может быть выше прочности жидких и некоторых твердых диэлектриков. Наибольшее рабочее давление и, следовательно, наибольший уровень электрической прочности элегаза в изоляционной конструкции ограничивается возможностью сжижения элегаза при низких температурах, например, температура сжижения элегаза при давлении 0,3 МПа составляет -45С, а при 0,5 МПа равна -30С. Такие температуры у отключенного оборудования наружной установки вполне возможны зимой во многих районах страны.

Для крепления токоведущих частей в комбинации с элегазом используются опорные изоляционные конструкции из литой эпоксидной изоляции.

Элегаз используется в выключателях, кабелях и герметизированных распределительных устройствах (ГРУ) на напряжения 110 кВ и выше и является весьма перспективным изоляционным материалом.

При температурах выше 3000С может начаться разложение элегаза с выделением свободных атомов фтора. Образуются газообразные отравляющие вещества. Вероятность их появления существует для некоторых типов выключателей, предназначенных для отключения больших токов к.з. Поскольку выключатели герметически закрыты, появление ядовитых газов не опасно для эксплуатационного персонала и окружающей среды, но при ремонте и вскрытии выключателя необходимо принимать специальные защитные меры.

4.3 Зависимость электрической прочности внутренней изоляции от длительности воздействия напряжения

Характерная для внутренней изоляции зависимость пробивного напряжения от времени приложения пробивного напряжения показана на рисунке 5.1.

, с

10 10 10 10 10

Рис. 5.1. Зависимость пробивного напряжения от времени воздействия напряжения

Сложный вид этой зависимости объясняется тем, что при разных временах процессы в изоляции, приводящие к пробою, имеют различную физическую природу.

Прежде всего следует обратить внимание на то, что при любом значении времени пробивное напряжение - величина случайная, разбросы которой около среднего значения характеризуются коэффициентом вариации, порядка

5-15%. Случайный характер величины объясняется как природой процессов развития пробоя, так и неконтролируемыми случайными различиями между внешне одинаковыми изоляционными конструкциями.

Зависимость =f(), показанная на рис. 5.1, может быть разделена на несколько участков, границы которых указаны ориентировочно.

При малых временах , т.е. в диапазоне от единиц микросекунд до нескольких миллисекунд, в изоляции возможен так называемый чисто электрический пробой, сущность которого состоит в том, что при некотором напряжении в изоляции создаются условия для образования и быстрого увеличения числа свободных электронов. Последние в сильном электрическом поле приобретают энергию, достаточную для ионизации нейтральных молекул и образования концентрированного потока электронов. За счет энергии, выделяющейся при взаимодействии потока электронов с молекулами диэлектрика, происходит разрушение последнего с образованием проводящего канала.

При временах более нескольких десятков микросекунд значение напряжения остается практически неизменным, так как время много больше времени формирования проводящего канала, а другие механизмы пробоя еще не успевают проявиться.

При > 10c для внутренней изоляции, содержащей большие объемы жидкого диэлектрика, может наблюдаться некоторое снижение . Это происходит вследствие того, что с увеличением сильнее проявляется влияние примесных твердых частиц, неизбежно присутствующих в технически жидких диэлектриках. Такие частицы имеют, как правили, более высокую, чем у жидкости диэлектрическую проницаемость. Поэтому около них происходит некоторое увеличение напряженности в жидкости, что влечет за собой снижение пробивного напряжения. Под действием электрического поля примесные частицы перемещаются в области повышенных напряженностей. Чем больше время , тем дальше успевают сместиться частицы, тем больше вероятность появления их в наиболее напряженной области изоляции и, следовательно, ниже пробивное напряжение . При < 10с частицы практически не успевают сместиться, и их влияние минимально.

Следующий участок кривой - область теплового пробоя. В зависимости от размеров и свойств изоляции и температуры окружающей среды он может занимать диапазон от десятков секунд до нескольких часов. Сущность теплового пробоя состоит в следующем.

Под действием приложенного напряжения в изоляции возникают диэлектрические потери, обусловленные наличием у реальной изоляции небольшой проводимости и рассеянием энергии при некоторых видах поляризации. За счет диэлектрических потерь происходит дополнительный разогрев изоляции.

Мощность диэлектрических потерь в изоляции определяется выражением

(5.1)

где - круговая частота; С - емкость рассматриваемой изоляции; U - воздействующее напряжение; tg - тангенс угла диэлектрических потерь, равный отношению активного тока через изоляцию к емкостному току .

Если мощность потерь в изоляции будет превышать мощность отвода тепла, произойдет нарушение теплового баланса изоляции, температура в изоляции будет неограниченно расти до потери изоляцией диэлектрических свойств - произойдет тепловой пробой.

Изложенная упрощенная модель теплового пробоя относится к случаю, когда время приложения напряжения значительно превышает постоянную времени нагрева изоляции.

Последний участок зависимости =f() соответствует временам от нескольких минут или часов до 10-15 и более лет. Это область, в которой пробой постепенно подготавливается медленно протекающими процессами электрического старения изоляции. Эти процессы возникают под действием сильных электрических полей и необратимо ухудшают свойства изоляции.

ЛЕКЦИЯ 5. КРАТКОВРЕМЕННАЯ И ДЛИТЕЛЬНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОЧНОСТЬ ВНУТРЕННЕЙ ИЗОЛЯЦИИ ЭЛЕКТРОУСТАНОВОК

5.1 Понятие “кратковременная электрическая прочность” внутренней изоляции и поведение изоляции при воздействии перенапряжений

Внутренняя изоляция оборудования энергосистем должна надежно выдерживать грозовые и внутренние перенапряжения. Электрическая прочность при воздействии перенапряжений характеризует способность изоляции противостоять этим воздействием и определяется пробивным напряжением (пробивной напряженностью электрического поля) при нормированных воздействиях.

Перенапряжения не должны приводить к полному пробою внутренней изоляции, а также к появлению в ней каких-либо местных повреждений, влекущих за собой сокращение срока службы изоляционной конструкции. Такие повреждения при перенапряжениях могут быть вызваны частичными разрядами. Это возможно в том случае, если энергия частичных разрядов достаточна для разрушения изоляции за малое время существования перенапряжения. Например, опасные повреждения возможны при появлении критических частичных разрядов в бумажно-масляной изоляции, а также в маслобарьерной изоляции силовых трансформаторов при частичных разрядах в виде пробоя первого масляного канала.

Таким образом, кратковременная электрическая прочность внутренней изоляции или ее способность выдерживать воздействие перенапряжений не всегда характеризуется напряжением полного (сквозного) пробоя, в ряде случаев она определяется напряжением появления частичных разрядов (ЧР) с опасной для данной изоляции интенсивностью.

Это весьма важно с практической точки зрения. Например, при заводском контроле изоляционных конструкций отсутствие пробоя во время приложения испытательного напряжения еще не означает, что испытания прошли успешно. Необходимо убедиться в том, что под действием испытательного напряжения в изоляции не появились частичные повреждения. С этой целью до и после приложения испытательного напряжения состояние изоляции обязательно контролируется с использованием методов, позволяющих обнаружить местные дефекты (например, по характеристикам частичных разрядов). Кратковременная электрическая прочность обычно рассматривается применительно к следующим нормированным воздействиям:

а) электрическая прочность при кратковременном приложении напряжения промышленной частоты (плавный подъем напряжения с определенной скоростью или одноминутное приложение напряжения) - используется при определении требуемых габаритов изоляции по заданным испытательным напряжениям промышленной частоты, при определении допустимых испытательных напряженностей электрического поля по результатам этих испытаний, а также при определении размеров (допустимых напряженностей) по уровню длительных квазистационарных перенапряжений;

б) электрическая прочность при импульсных напряжениях длительностью порядка десятков микросекунд - используется при определении размеров изоляции (допустимых напряженностей) по заданным грозовым перенапряжениям, возникающим в электропередачах при ударах молнии. В этом случае при испытаниях чаще всего используются импульсы 1,2/50 мкс и срезанные импульсы при времени среза 2-3 мкс;

в) электрическая прочность при импульсных напряжениях длительностью от сотен микросекунд до десятых долей секунды - используется при определении размеров изоляции (допустимых напряженностей) по заданным внутренним коммутационным перенапряжениям. Испытания изоляции чаще всего проводятся апериодическим импульсом с фронтом примерно 250 мкс и длительностью примерно 2500 мкс (250/2500 мкс) или колебательным импульсом; например, для внутренней изоляции силовых трансформаторов - с фронтом не менее 100 мкс и длительностью импульса не менее (длительностью первого полупериода до полуспада напряжения) 1000 мкс. Электрическая прочность внутренней изоляции зависит как от амплитуды и длительности, так и от его формы. При этом воздействие колебательных импульсов для некоторых видов изоляции более опасно, чем апериодических при одинаковой амплитуде импульса. Снижение электрической прочности при колебательных импульсах напряжения по сравнению с апериодическими связано с тем, что в первом случае количество ЧР, возникающих в изоляции при каждом импульсе, больше, чем во втором. Частичные разряды сопровождаются разрушением изоляции, и поэтому многократное воздействие перенапряжений приводит к накоплению разрушений (кумулятивный эффект), например к образованию газовых полостей в пропитанной изоляции за счет разложения жидкого диэлектрика и снижению напряжения частичных разрядов. Для каждого вида электрооборудования может быть введено понятие внутреннего ресурса. Внутренний ресурс изоляционной конструкции представляет собой величину, характеризующую способность изоляции в течение определенного времени выдерживать приложенное напряжение и противостоять разрушающему действию процессов, протекающих при этом напряжении. Данные о кратковременной электрической прочности при стандартных грозовых импульсах напряжения и при плавном или ступенчатом подъеме напряжения 50 Гц. Соответствующие напряжения будем обозначать далее и . При этом требования о том, что внутренняя изоляция должна выдерживать воздействия грозовых и внутренних перенапряжений, могут быть записаны в виде следующих неравенств:

> (6.1)

> (6.2)

где и - испытательные напряжения соответственно импульсное и промышленной частоты, значения которых устанавливаются с учетом уровней возможных в эксплуатации грозовых и внутренних перенапряжений.

В силу случайной природы разрядных процессов во внутренней изоляции и неконтролируемых различий между внешне одинаковыми изоляционными конструкциями напряжения и являются величинами случайными, подверженными значительным разбросам. Следовательно условия (6.1) и (6.2) должны соблюдаться с некоторой достаточно высокой вероятностью Р, зависящей от требований к надежности изоляции (например, Р=0,999). Это означает, что в условия (6.1) и (6.2) должны входить такие значения напряжений и , вероятность появления которых или еще более низких очень мала и равна 1- Р.

Напряжения и , соответствующие требуемой малой вероятности пробоя, или повреждения изоляции называются допустимыми для данной изоляционной конструкции. Обозначим их и . Таким образом, условиями нормальной работы внутренней изоляции при перенапряжениях будут неравенства

(6.3)

(6.4)

При разработке изоляционных конструкций пользуются значениями напряжений и , полученными по результатам испытаний соответствующих конструкций или макетов, воспроизводящих ту или иную часть конструкции. Для этого результаты испытаний достаточно больших партий конструкций или макетов подвергают статистическому анализу, выбирают вид функций распределения и и оценивают их параметры, например, математические ожидания ; и среднеквадратические отклонения . Затем, используя функции распределения и , определяют допустимые напряжения из условий

1- Р; (6.5)

1- Р, (6.6)

где Р - вероятность того, что конструкция выдержит перенапряжения без пробоя и повреждения.

5.2 Длительная электрическая прочность внутренней изоляции

В эксплуатации на внутреннюю изоляцию оборудования энергосистем одновременно воздействуют электрические, тепловые, механические и другие нагрузки. Они неизбежно вызывают в изоляции сложные процессы, следствием которых является постепенное ухудшение свойств изоляции, именуемое старением.

Электрическая прочность при длительном приложении напряжения характеризует способность изоляции выдерживать рабочее напряжение в течение определенного срока службы и численно определяется напряжением (напряженностью электрического поля), приводящим к разрушению изоляции к концу заданного отрезка времени. В процессе длительной эксплуатации происходит старение изоляции, которое выражается в уменьшении кратковременной электрической прочности и ухудшении других электрофизических характеристик изоляции.

Основными причинами ухудшения внутренней изоляции являются:

1) электрическое старение вследствие развития частичных разрядов при перенапряжениях или при рабочем напряжении;

2) тепловое старение и окисление изоляции;

3) увлажнение изоляции.

Практическое значение процессов старения состоит в том, что они ограничивают сроки службы изоляционных конструкций. В связи с этим при разработке и изготовлении высоковольтного оборудования, а также при организации его эксплуатации должны предусматриваться меры, снижающие темпы старения изоляции до такого уровня, при котором обеспечивается требуемый срок службы изоляционных конструкций (обычно, 20-30 лет и более).

Изменения свойств внутренней изоляции в процессе эксплуатации происходят за счет энергии, которая передается изоляции от источников внешних нагрузок. При разных видах нагрузки она сообщается изоляции в разной форме, поэтому вызывает различные по содержанию процессы. Соответственно различают электрическое, тепловое и механическое старение изоляции. Кроме того, старение внутренней изоляции может быть обусловлено проникновением в нее из окружающей среды загрязнений, в частности влаги.

В реальных условиях эксплуатации процессы старения, вызванные разными внешними нагрузками, протекают одновременно, влияя сложным образом друг на друга. Закономерности старения внутренней изоляции при одновременном воздействии нескольких нагрузок пока еще в должной мере не изучены.

Основной причиной электрического старения многих видов изоляции являются частичные разряды. Старение изоляции, пропитанной жидкими диэлектриками, прежде всего проявляется в разрушении и изменении физико-химических характеристик пропитывающего состава, которое сопровождается выделением газа, увеличением проводимости и tg. В последующем возникают разрушения твердой фазы: электрокартона, изоляционной бумаги или синтетической пленки. Эти процессы при интенсивном протекании завершаются пробоем изоляции.

5.3 Срок службы изоляции

С увеличением напряжения, приложенного к изоляции любого типа, темпы электрического старения возрастают, а сроки службы соответственно уменьшаются. Зависимость срока службы от значения воздействующего напряжения U в широком диапазоне значений может иметь сложный характер. Для области относительно малых средних сроков службы (от единиц часов до 10-10ч) экспериментально установлена зависимость следующего вида:

(7.1)

где А - постоянная, значение которой зависит от свойств изоляции;

n - показатель степени, зависящий от конструктивных особенностей изоляции и рода воздействующего напряжения (рис.7.1-1). Например, для бумажно-масляной изоляции с резконеоднородным электрическим полем (конденсаторного типа) при напряжении промышленной частоты n = 48, а при постоянном напряжении n = 912;

для маслобарьерной изоляции со слабонеоднородным электрическим полем n = 5080.

 lnU

Рис. 7.1. Зависимость среднего срока службы внутренней изоляции от воздействующего напряжения:

2 1 - по

ln U 1 2 - по

ln

Для области больших сроков службы (более 10ч) количество экспериментальных данных сравнительно невелико из-за большой стоимости и продолжительности экспериментов. Установлено, что по мере снижения напряжения U сроки службы в области 2 увеличиваются быстрее, чем следует из (7.1.), а ниже некоторого напряжения становятся неограниченно длительными. Такому ходу зависимости соответствует выражение

(7.2)

Срок службы изоляционной конструкции любого типа при заданном напряжении является величиной случайной.

5.4 Старение изоляции под воздействием частичных разрядов

Под действием электрического поля старение преимущественно происходит за счет развития в изоляции частичных разрядов (ЧР). В ряде случаев ЧР возникают в газовых включениях в толще изоляции.

Электрическая прочность газовых пузырьков ниже, чем прочность жидкого или твердого диэлектрика, а напряженность электрического поля в газовом пузырьке при переменном напряжении выше, чем в жидком или твердом диэлектрике. В сферическом газовом включении с диэлектрической проницаемостью напряженность электрического поля равна

(7.3.)

где - напряженность в окружающем диэлектрике с диэлектрической проницаемостью в отсутствие включения.

При включении в виде плоской щели, расположенной поперек силовых линий поля,

(7.4.)

В области высоких напряженностей порядка 10 В/см и выше в твердых и жидких диэлектриках в отсутствие газовых включений может возникнуть микропробой, приводящий к местному разрушению диэлектрика. Подобные процессы в твердых диэлектриках могут приводить к зарождению древовидных каналов (дендритов), развитие которых в последующем происходит за счет ЧР в этих микроканалах, заполненных газом.

Разрушение жидких и твердых диэлектриков частичными разрядами сопровождается выделением газа, состоящего преимущественно из водорода и углеводородных соединений.

При изготовлении внутренней изоляции высоковольтного оборудования обычно принимаются специальные меры против появления газовых включений. Несмотря на это во многих случаях приходится считаться с возможностью их случайного образования на стадии изготовления, например из-за несовершенства процессов сушки и пропитки, или в эксплуатации (появление трещин при механических перегрузках, выделение газов при разложении материалов из-за местных перегревов и т.д.).

В бумажно-масляной и в масло-барьерной изоляции оборудования высших классов напряжения при строгом соблюдении технологии изготовления газовые включения отсутствуют. Однако и в этих видах внутренней изоляции могут развиваться ЧР, но при существенно более высоких напряженностях, чем в изоляции с газовыми включениями.

Экспериментально установлено, что в БПИ возможны ЧР двух видов: начальные и критические.

Начальные ЧР характеризуются кажущимися зарядами от Кл. Они развиваются непосредственно в масляных прослойках между электродом и прилегающим слом бумаги у острых кромок или у микронеровностей электродов, т.е. в местах локального усиления электрического поля. С ростом приложенного напряжения средняя мощность НЧР возрастает.

Из-за малой энергии, рассеиваемой в отдельных НЧР, эти разряды не оказывают разрушающего воздействия на бумагу, а вызывают лишь медленное разложение масла с выделением газа и образованием ряда других продуктов. Сущность электрического старения, обусловленного НЧР, состоит в постепенном накоплении в изоляции продуктов разложения масла, приводящих к росту тангенса угла диэлектрических потерь и мощности диэлектрических потерь. Со временем этот процесс приводит к тепловому пробою изоляции. Возможен и другой механизм старения: постепенное повышение в масле концентрации газов, образующихся под действием НЧР. В этом случае старение завершается тогда, когда масло полностью насыщается газом, растворение газов в масле прекращается и в изоляции образуются газовые включения. В последних возникают мощные критические ЧР, которые быстро разрушают слои бумаги до полного пробоя.

НЧР в БПИ при рабочем напряжении в принципе допустимы, однако их мощность не должна превышать значений, определяемых требуемым сроком службы. В ряде случаев конструкции с БПИ проектируются по условию полного отсутствия НЧР при рабочем напряжении.

КЧР имеют кажущиеся заряды Кл и более. При быстром подъеме напряжения такие разряды возникают, когда мощность НЧР возрастает настолько, что скорость выделения газов из масла становится выше скорости их растворения и в изоляции образуются устойчивые газовые включения. В этих включениях и развиваются КЧР.

КЧР имеют мощность достаточную для относительно быстрого (минуты, часы) разрушения слоев бумаги. Они особенно опасны тем, что их появление даже на очень короткое время, например при перенапряжениях, приводит к образованию в изоляции газовых включений, в которых эти мощные ЧР могут развиваться затем при напряжениях ниже начального, могут сохраниться и при рабочем напряжении и за короткое время разрушить изоляцию до пробоя.

Обязательным условием длительной надежной работы БПИ является отсутствие КЧР при всех возможных перенапряжениях и при испытательных напряжениях.

В МБИ также могут иметь место НЧР и КЧР. Первые из них имеют кажущиеся заряды не более Кл и возникают непосредственно в масляных зазорах конструкции или в газовых включениях. Такие ЧР , как правило, безопасны для изоляции, так как твердую изоляцию они не повреждают, а продукты разложения масла распределяются по большим объемам.

КЧР с кажущимися зарядами Кл и более представляют собой пробой масляных каналов в конструкции или скользящие разряды по поверхности твердой изоляции. Появление КЧР в МБИ недопустимо, т.к. такие разряды вызывают необратимое снижение длительной электрической прочности изоляции.

5.5 Тепловое старение внутренней изоляции

При рабочих температурах (60-130С) в диэлектрических материалах возникают или резко ускоряются химические реакции, которые приводят к постепенному изменению структуры и свойств материалов - к ухудшению свойств всей изоляции в целом. Эти процессы именуют тепловым старением.

Для твердых диэлектриков наиболее характерным является постепенное снижение механической прочности в процессе теплового старения. со временем это приводит к повреждению изоляции под действием механических нагрузок и затем уже к пробою.

В жидких диэлектриках в результате теплового старения образуются газообразные, жидкие и твердые продукты реакций. По мере накопления этих продуктов, загрязняющих изоляцию, проводимость и диэлектрические потери растут, а электрическая прочность снижается.

В комбинированной внутренней изоляции, содержащей жидкие и твердые материалы, тепловое старение влечет за собой как снижение механической прочности соответствующих элементов, так и ухудшение электрических характеристик всей изоляции.

Темпы теплового старения внутренней изоляции определяются скоростями химических реакций, зависящими от температуры в соответствии с уравнением Аррениуса

 (7.5.)

где v - скорость химической реакции.

Срок службы изоляции при тепловом старении обратно пропорционален скорости химических реакций. При разных температурах и отношения сроков службы изоляции

(7.6.)

где Т - повышение температуры, вызывающее сокращение срока службы изоляции при тепловом старении в 2 раза.

Значение Т для разных видов внутренней изоляции лежит в пределах от 8 до 12С и в среднем составляет 10С.

5.6 Старение изоляции при механических нагрузках

Под действием механических нагрузок в материалах происходят медленные процессы старения, имеющие место даже тогда, когда нагрузки значительно меньше разрушающих, а деформации носят упругий характер. В этом случае в напряженном материале возникает упорядоченное движение локальных дефектов (на молекулярном уровне) и за счет этого образуются и постепенно увеличиваются в размерах микротрещины. Когда количество и размеры микротрещин достигают некоторых критических значений, наступает разрушение.

Процесс старения в твердой изоляции при одновременном воздействии механических нагрузок и сильных электрических полей может значительно ускоряться из-за того, что в образующихся в изоляции микротрещинах возникают ЧР, которые повышают темпы разрушения изоляции.

5.7 Увлажнение как форма старения изоляции

Влага проникает во внутреннюю изоляцию главным образом из окружающего воздуха. В некоторых случаях она может образовываться в самой изоляции в результате термоокислительных процессов. В аварийных ситуациях влага может попадать в изоляцию из системы охлаждения и других устройств.

Появление влаги в изоляции приводит к резкому снижению сопротивления утечки, т.к. во влаге содержатся диссоциированные примеси. Растут диэлектрические потери. Снижается напряжение теплового пробоя. Происходит дополнительный нагрев изоляции, что влечет за собой ускорение темпов теплового старения.

При неравномерном увлажнении искажается электрическое поле в изоляции и снижается пробивное напряжение изоляции.

Влага может быть удалена из изоляции путем сушки. Изоляция некоторых видов оборудования (кабелей, вводов) сушке не поддается. В таких случаях увлажнение может рассматриваться как особая форма необратимого старения изоляции.

5.8 Допустимые рабочие нагрузки на внутреннюю изоляцию

Для ограничения интенсивности процессов старения необходимо ограничить уровень длительно действующих на изоляцию электрических, тепловых и механических нагрузок.

Для того, чтобы длительное воздействие рабочего напряжения не приводило к сокращению сроков службы изоляции, необходимо обеспечить отсутствие ЧР при рабочем напряжении. Отсюда следует основное условие выбора допустимых рабочих напряжений

 (7.7.)

Установлены наибольшие допустимые значения температуры.

ЛЕКЦИЯ 6. СИСТЕМА КОНТРОЛЯ И ДИАГНОСТИКА ВНУТРЕННЕЙ ИЗОЛЯЦИИ

6.1 Системы контроля качества изоляционных конструкций

Испытания являются средством повышения эксплуатационной надежности высоковольтного оборудования. Требуемая надежность электрической изоляции достигается прежде всего с помощью выбора рациональной конструкции и использования в ней высококачественных материалов, применения совершенной технологии изготовления и строгого соблюдения технологической дисциплины, четкого выполнения правил монтажа и эксплуатации.

Однако во время разработки конструкции, ее изготовления, хранения, транспортировки, монтажа и эксплуатации возможны случайные ошибочные действия специалистов или другие непредвиденные случайные события, следствием которых может быть появление в изоляции дефектов, сокращающих в конечном итоге ресурс всей конструкции.

Для проверки правильности технических решений, принятых при разработке новой изоляционной конструкции, опытные образцы или первые экземпляры конструкции подвергаются наиболее тщательным типовым контрольным испытаниям. По результатам этих испытаний делается заключение о передаче новой конструкции в производство. Такие испытания проводятся затем через каждые 1-3 года для проверки стабильности характеристик и соблюдения всех технических требований (периодические контрольные испытания).

Все ответственные крупные изоляционные конструкции (отдельные или входящие в состав какого-либо оборудования), а также представительные выборки из партий небольших конструкций массового производства перед отправкой потребителю подвергаются на заводе-изготовителе контрольным приемо-сдаточным испытаниям. Цель этих испытаний - отбраковка изоляционных конструкций со случайными дефектами, возникшими в процессе производства.

Следующий контроль - приемо-сдаточные испытания после монтажа, перед вводом в эксплуатацию. При этом выявляются дефекты, которые могли случайно появиться во время хранения, транспортировки и монтажа изоляционных конструкций.

Контроль состояния изоляции высоковольтного оборудования осуществляется и в процессе эксплуатации. С этой целью проводятся профилактические испытания (периодические или непрерывные), а после плановых или иных ремонтов оборудования перед новым включением в работу - приемо-сдаточные испытания.

Указанная система контрольных испытаний дает уменьшение числа аварийных отказов оборудования высокого напряжения и сокращение ущерба, связанного с нарушением электроснабжения потребителей.

При контроле качества изоляции высоковольтного оборудования используют:

испытания приложением высоких напряжений, эквивалентных ожидаемым в эксплуатации перенапряжениям, для проверки уровней кратковременной электрической прочности изоляции;

измерения характеристик изоляции (интенсивности ЧР, значений tg) и испытания при повышенных по сравнению с рабочим напряжениях для оценки длительной электрической прочности изоляции;

неразрушающие электрические и неэлектрические методы испытаний с целью косвенной оценки состояния изоляции и ее пригодности к длительной эксплуатации (при профилактических испытаниях).

Объем, методы и нормы испытаний устанавливаются соответствующими стандартами, техническими условиями и Правилами технической эксплуатации электроустановок.

Эффективность испытаний или вероятность правильного выявления дефектной изоляции при контроле не является 100%-ной. Она зависит от методик испытаний, характеристик используемой аппаратуры, а также от выбора норм, т.е. значений измеряемых параметров, приписываемых нормальной и дефектной изоляции.

Профилактические испытания должны не только правильно, но и своевременно выявлять дефектную изоляцию.

Разные методы контроля изоляции по-разному выявляют различные по характеру дефекты. Дефекты условно подразделяют на две группы: сосредоточенные и распределенные. К первым относятся дефекты малых размеров, например проколы, трещины, газовые включения; ко вторым - дефекты, охватывающие значительные объемы изоляции, например увлажнения или загрязнения.

6.2 Испытания изоляции повышенным напряжением

Испытания высоким напряжением являются прямой проверкой уровня кратковременной электрической прочности изоляции, т.е. ее способности выдерживать грозовые и внутренние перенапряжения. Эти испытания входят в программы типовых и заводских приемо-сдаточных испытаний.

Конкретные значения испытательных напряжений, правила и методика проведения испытаний высоким напряжением устанавливаются стандартными или техническими условиями на соответствующее оборудование.

Испытания грозовыми импульсами напряжения. Испытания проводят полными и срезанными импульсами напряжений. Параметры полного грозового импульса: длительность фронта =1,20,36 мкс; длительность импульса мкс (рис. 8.1).

Срезанный импульс должен представлять собой стандартный полный импульс напряжения, срезанный на фронте или на спаде импульса при времени мкс (рис.8.2 и 8.3).



U Рис. 8.1. Полный грозовой импульс напряжения

мкс t

U U

Т Т

0 t 0 t

Рис. 8.2. Грозовой импульс напряжения, Рис. 8.3. Грозовой импульс срезанный на фронте напряжения, срезанный на спаде

Испытания внутренней изоляции (кроме газовой) проводят трехударным методом , т.е. путем приложения к испытуемой конструкции трех полных и трех срезанных импульсов нормированных значений напряжения положительной и отрицательной полярности.

Изоляция считается выдержавшей испытания, если при воздействии импульсов напряжения не произошел полный пробой и не наблюдались недопустимые повреждения изоляции. Последние могут быть обнаружены по искажению формы приложенного импульса напряжения или по результатам последующих измерений характеристик ЧР или значений tg.

Испытания внешней изоляции, а также внутренней газовой проводят 15-ударным методом (приложением по 15 полных и срезанных импульсов каждой полярности). Конструкция считается выдержавшей испытания, если не произошло ни одного полного разряда или повреждения в несамовосстанавливающейся изоляции конструкции и произошло не более двух полных разрядов в каждой серии из 15 импульсов в газовой или внешней изоляции.

Испытания коммутационными импульсами напряжения. При испытаниях оборудования переменного тока на напряжения 330 кВ и выше применяют коммутационные импульсы напряжения апериодический (рис. 8.4 а) и колебательный - периодический (рис. 8.4 б), параметры которых определяются ГОСТом.

_ф=100-300 мкс, _и=1000-3000 мкс

Рис. 8.4. Колебательные коммутационные импульсы напряжения:

а) апериодический; б) колебательный.

6.3 Испытания напряжением промышленной частоты

Испытание внутренней изоляции проводится путем однократного приложения нормированного испытательного напряжения с выдержкой в течение 1 мин. Изоляция считается выдержавшей испытание, если во время испытания не произошел полный пробой и не появились недопустимые повреждения, которые выявляются по различным внешним проявлениям, по результатам измерений характеристик ЧР или tg.

6.4 Измерения характеристик и испытания изоляции при повышенном напряжении

К испытаниям повышенным напряжением (обычно не более 2,0 ), главной целью которых является проверка длительной электрической прочности изоляции, относятся:

измерения значений tg изоляции при напряжениях, близких к рабочему, или определение зависимости tg=f(U) для нормированного диапазона напряжений;

проверка отсутствия в изоляции ЧР нормированной интенсивности при нормированном напряжении;

испытание изоляции на стойкость к тепловому пробою.

Эти испытания в разном объеме входят в программы типовых и заводских приемо-сдаточных испытаний некоторых видов высоковольтного оборудования.

Измерения значений tg изоляции проводят с помощью мостов переменного тока (мостов Шеринга), собранных по нормальной (рис. 8.6) или перевернутой схеме.



Рис. 8.6. Схема моста переменного Рис. 8.7. Зависимости tg от напряжения тока (нормальная)

Абсолютные значения tg, измеренные при напряжениях, близких к рабочему, характеризуют качество исходных диэлектрических материалов и наличие в изоляции загрязнений, в частности влаги, и тем самым являются показателями качества проведения процесса вакуумной сушки. Более полную информацию о состоянии изоляции дают зависимости tg=f(U), измеренные при напряжениях от 0,1-0,5 от наибольшего рабочего до 1,0-2,0 наибольшего рабочего (рис.8.7). Для изоляции высокого качества значения tg слабо зависят от испытательного напряжения или остаются практически постоянными. Сильное увеличение tg с ростом напряжения означает появление в изоляции интенсивных частичных разрядов.

Для некоторых видов изоляции, например для бумажно-масляной изоляции маслонаполненных кабелей 110-500 кВ, нормируются допустимые значения прироста tg в определенном диапазоне напряжений.

Измерения характеристик частичных разрядов. При проведении контрольных испытаний в заводских высоковольтных лабораториях для обнаружения и измерения характеристик ЧР в конструкциях высокого напряжения используют электрический метод и установки (рис.8.8). Эти установки выполняют и градуируют в соответствии с ГОСТ 20074-83.



Рис. 8.8. Схема установки для измерения характеристик ЧР в изоляции

При появлении в изоляции ЧР с кажущимся зарядом q на емкости испытуемой изоляции С напряжение скачком изменяется на величину . При этом на измерительном элементе , т.е. на входе измерительной части установки, возникает импульс напряжения с амплитудой , пропорциональной q:

(8.8)

где - входная (паразитная) емкость измерительной части установки; - емкость конденсатора связи.

Этот импульс проходит через фильтр Ф верхних частот, отсеивающий напряжение промышленной частоты и его гармоники, усиливается до необходимого уровня усилителем У и подается на регистрирующие приборы РП (осциллограф и счетчик импульсов). Таким образом, определение характеристик частичных разрядов осуществляется путем измерения амплитуд импульсов напряжения от рахрядов и подсчета числа этих импульсов.

Для измерения характеристик ЧР в изоляции силовых трансформаторов и шунтирующих реакторов измерительные элементы и всю измерительную часть установки подключают через соединительные конденсаторы к каждому линейному выводу. В качестве соединительных конденсаторов обычно используют инвентарные вводы (проходные изоляторы) с измерительной обкладкой в бумажном остове. Современные установки в заводских высоковольтных лабораториях позволяют регистрировать ЧР с q Кл.

Измерения интенсивности ЧР проводят обычно до и после испытаний изоляции высоким напряжением промышленной частоты.

Изоляция считает выдержавшей испытания, если наибольшее знчение кажущегося заряда, зарегистрированное во время испытаний, не превышает допустимое для данного вида изоляции значение.

Испытание изоляции на тепловую устойчивость. Этот контроль проводится в рамках типовых испытаний. Для проверяемой конструкции создается тепловой режим, эквивалентный номинальному эксплуатационному. Затем к изоляции прикладывается нормированное для данного опыта испытательное напряжение промышленной частоты, которое выдержитвается до достижения установившегося значения tg изоляции. Для крупногабаритных конструкций продолжительность таких испытаний может составлять несколько суток.

6.5 Профилактические испытания и диагностика изоляции оборудования высокого напряжения

Цель профилактических испытаний - своевременное обнаружение дефектов в изоляции, возникших по случайным причинам в процессе эксплуатации и сокращающих ресурс оборудования, а также дефектов, развившихся вследствие нормального старения изоляции. В современной системе профилактических испытаний используются:

испытания приложением высокого напряжения,

неразрушающие электрические методы испытаний;

неразрушающие неэлектрические методы контроля;

электрические методы контроля при рабочем напряжении.

Профилактические испытания высоким напряжением. Применение этого метода ограничивается возможностями создания транспортабельных источников высокого напряжения требуемой мощности и опасностью неконтролируемого повреждения изоляции высоким испытательным напряжением.

В настоящее время профилактические испытания высоким напряжением проводят для изоляции крупных вращающихся машин, кабельных линий, а также для оборудования до 10 кВ. Изоляция статорных обмоток турбо- и гидрогенераторов испытывается ежегодно переменным напряжением 1,5 , а при более редком контроле - до 1,7 . Допускается применение постоянного испытательногонапряжения, значение которого должно быть в 1,6 раза выше испытательного напряжения промышленной частоты. Достоинствами постоянного испытательного напряжения являются существенно меньшая мощность испытательной установки, возможность измерений токов утечки, которые дают полезную информацию о состоянии изоляции, а также значительно меньшая, чем при переменном испытательном напряжении, опасность повреждения изоляции.

Изоляция кабельных линий испытывается практически только постоянным высоким напряжением.

Неразрушающие электрические методы испытаний. К этой группе методов относятся измерения значений tg при напряжении значительно меньше рабочего, а также методы, в которых используются явления абсорбции зарядов (миграционной поляризации), характерные для неоднородной (комбинированной) изоляции. Важно не только абсолютное значение tg, но и его стабильность во времени. Как правило, по значению tg удается выявить распределенные дефекты, например увлажнение изоляции.

Внешними проявлениями абсорбционных процессов в изоляции являются измерение сопротивления утечки изоляции во времени и зависимость емкости изоляции от частоты.

Достоинствами этих методов являются простота выполнения измерений, недостатками - необходимость вывода оборудования из работы, слабая связь измеряемых величин с фактической электрической прочностью изоляции, а также сильное влияние на результаты измерений температуры изоляции.

Неразрушающие неэлектрические методы контроля. Среди многих возможных неэлектрических методов контроля (акустических, оптических, химических и др.) в настоящее время получили широкое применение и показали высокую эффективность методы контроля изоляции маслонаполненного оборудования, основанные на анализе проб масла. Эти методы применимы для многих видов оборудования: силовых и измерительных трансформаторов, шунтирующих реакторов, вводов высокого напряжения, маслонаполненных кабелей. Достоинство этих методов в том, что они не требуют вывода из работы проверяемого оборудования.

Для выявления достаточно грубых дефектов изоляции пробы масла подвергаются простому химическому анализу, определению электрической прочности и tg.

Наиболее совершенным является контроль по составу и концентрации газов, растворенных в масле. В этом случае из проверяемого трансформатора берут две-три пробы масла. Далее анализ газов из проб масла проводят методом газовой хромотографии: определяют концентрации водорода, метана, этилена, этана, ацетилена, окиси и двуокиси углерода и других.

Установлено, что по составу и концентрациям газов, растворенных в масле, можно достаточно достоверно судить о характере дефекта, а по динамике изменения концентраций - о тепени опасности этого дефекта.

Особая ценность этого метода состоит в его высокой чувствительности: обнаруживаются газы с объемными концентрациями более . Благодаря этому дефекты могут быть выявлены на самых ранних стадиях.

Методы контроля изоляции при рабочем напряжении. Все рассмотренные ранее методы пригодны для организации только периодического контроля изоляции, эффективность которого значительно снижается при увеличении интервала времени между испытаниями, а сокращение этих интервалов времени ограничивается возможностями вывода оборудования из работы и ростом трудозатрат на проведение испытаний. В связи с этим большое внимание в последние годы уделяется разработке методов и аппаратуры для автоматического непрерывного контроля изоляции при рабочем напряжении. Основу этих методов составляют измерения диэлектрических характеристик (неравновесно-компенсационый, мостовой, ваттметровый методы) и регистрация ЧР.

ЛЕКЦИЯ 7. МОЛНИЯ КАК ИСТОЧНИК ГРОЗОВЫХ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ, ЗАЩИТА ОТ ПРЯМЫХ УДАРОВ МОЛНИИ, МОЛНИЕОТВОДЫ

7.1 Физика разряда молнии

Молния - разновидность газового разряда при очень большой длине искры. Общая длина канала молнии достигает нескольких километров, причем значительная часть этого канала находится внутри грозового облака.

Для возникновения грозы необходимы, во-первых сильные восходящие потоки воздуха и , во-вторых, требуемая влажность воздуха в пределах грозовой зоны (эти закономерности были установлены еще М.В.Ломоносовым).

Восходящие потоки воздуха возникают вследствие нагрева прилегающих к поверхности земли слоев воздуха и термически обусловленного теплообмена этих слоев с охлажденным воздухом на большой высоте.