автореферат диссертации по энергетике, 05.14.12, диссертация на тему:Статистические исследования разрядных характеристик высоковольтных опорных изоляторов в условиях загрязнения и увлажнения

г>

Российское акционерное общество энергетики и электрификации "ЕЭС России" АО "НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ПО ПЕРЕДАЧЕ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ПОСТОЯННЫМ ТОКОМ ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ"

(АО НИИПТ)

На правах рукописи

ИВАНОВ Владимир Викторович

СТАТИСТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАЗРЯДНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ОПОРНЫХ ИЗОЛЯТОРОВ В УСЛОВИЯХ ЗАГРЯЗНЕНИЯ И УВЛАЖНЕНИЯ

05.14.12 — Техника высоких напряжений

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 1997

Работа выполнена в Научно-исследовательском институте по пере даче электроэнергии постоянным током высокого напряжения (АС НИИПТ, г. Санкт - Петербург).

Научный руководитель —

кандидат технических наук старший научный сотрудник, Е.А. Соломоник.

Официальные оппоненты:

— доктор технических наук, старший научный сотрудник, Г.В. Подпоркин;

— кандидат технических наук, старший научный сотрудник, В.А. Кравченко.

Ведущее предприятие: АООТ НИИ Элекгрокерамика (г.Санкт -

Петербург).

Защита состоится " ноября 1997 г. в /О часов на заседанш

специализированного совета К144.09.01 в Научно-исследовательском институ те по передаче электроэнергии постоянным током высокого напряжения (АС НИИПТ) по адресу: г. Санкт-Петербург, ул. Константинова, д. 1, к. 32.

Отзывы (в двух экземплярах), заверенные гербовой печатью, просьб направлять по адресу: 194223, Россия, г.Санкт - Петербург, ул. Курчатова д. 1/39, АО НИИПТ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан " " ОХАЬР&Р? 1997 г.

Ученый секретарь специализированного совета К 144.09.01, кандидат технических наук

И.Н. Привало!

СТАТИСТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАЗРЯДНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ОПОРНЫХ ИЗОЛЯТОРОВ В УСЛОВИЯХ ЗАГРЯЗНЕНИЯ И УВЛАЖНЕНИЯ

Общая характеристика работы Актуальность проблемы. Для разработки и выбора рациональных изоляционных конструкций электрооборудования открытых распределительных устройств необходимы исследования электрической прочности внешней изоляции ири длительном воздействии рабочего напряжения в условиях загрязнения и увлажнения. Эти исследования в настоящее время выполняются экспериментальным путем, однако, высокая трудоемкость существующих методик испытания загрязненных подстанцион-иых изоляторов во многом ограничивает объем и достоверность экспери-чентальных данных по их разрядным характеристикам. Недостаточно полные представления о механизме развития физических процессов, происходящих при перекрытии загрязненных и увлажненных изоляторов, нередко приводят к ошибкам методического характера и к неправильным результатам лабораторных испытаний. Кроме того, отсутствуют збоснованные методики применения разрядных характеристик при выборе уровней внешней изоляции электрооборудования, в том числе ее гаиболсе распространенного и уязвимого в эксплуатации типа - опорной 130ЛЯЦИИ. В связи с этим актуальной является разработка новой методист экспериментальной оценки разрядных характеристик внешней опор-юй изоляции при загрязнении и увлажнении, изучение физических троцессов на поверхности загрязненных и увлажненных опорных изоля--оров, определение разрядных характеристик основных типов опорных ¡золяторов, в том числе с исследованием на физико-математической мо-1ели, и на этой основе разработка методики применения полученных 'Ксперименталытых данных при выборе внешней изоляции электрооборудования.

Цель работы. Основной целью работы являлось обоснование требо-¡аний к разрядным характеристикам опорных изоляторов при искусст-:енном загрязнении в зависимости от степени загрязнения в районе их [рименения и усовершенствование методики статистического выбора нешней изоляции для районов с загрязненной атмосферой. Для этого еобходимо решение следующих задач:

— разработка математической модели физических процессов на за-рязненной и увлажненной поверхности изолятора при длительном воз-ействии напряжения и проведение компьютерного эксперимента для пределения численных оценок квантилей разрядного напряжения в об-асти малых и весьма малых вероятностей перекрытия, что в лаборатор-ом эксперименте (при значениях кривой эффекта ЧЧи) < 0,0001)

практически неосуществимо, так как требует очень большого количества трудоемких длительных опытов.

— разработка новой методики искусственного загрязнения, приемлемой для испытаний крупногабаритных опорных изоляторов;

-— экспериментальное определение разрядных характеристик опорных изоляторов с различным диаметром тела и с различной конфигурацией поверхности;

— разработка методики ускоренных испытаний и определение кривой эффекта Ч*(и) для наиболее распространенных по конфигурации опорных изоляторов при наиболее характерных в эксплуатации слабых и умеренных загрязнениях.

Научная новизна и практическая ценность. В настоящей работе впервые разработана статистическая модель динамики физических процессов на загрязненной и увлажненной поверхности изолятора при длительном воздействии напряжения, которая учитывает вероятностный характер основных факторов, определяющих механизмы предразрядных и разрядных явлений при различных уровнях воздействующего напряжения. Результаты лабораторных и компьютерных экспериментов подтвердили гипотезу об усеченности кривой эффекта слева на примере аппроксимации зависимости \у(Ш трехпараметрическим (ограниченным слева) распределением Вейбулла. Показано, что одним из главных факторов, определяющих усечение кривой эффекта, является равномерный прогрев поверхности изолятора (подсушки слоя загрязнения) током утечки в результате диффузионного перераспределения тепла при напряжениях, соответствующих малой и весьма малой вероятности перекрытия ¥(и). Показано, что: оценка точки усечения кривой эффекта зависит от параметров лабораторного эксперимента (степени, равномерности слоя загрязнения изолятора и уровня снижения величины испытательного напряжения в результате протекания тока утечки); применение в лабораторных исследованиях высоковольтных испытательных установок недостаточной мощности может привести к существенным погрешностям в определении величины напряжения усечения О0.

Модернизирована методика экспериментальных исследований и исследованы частости перекрытия опорных изоляторов в широком диапазоне уровней воздействующего напряжения. Впервые показано, что наилучшая аппроксимация зависимости вероятности перекрытия изолятора от величины воздействующего напряжения (кривой эффекта) достигается трехпараметрическим (ограниченным слева) распределением Вейбулла. Подтверждено, что в области значений ч>(и) е [0,05 ; 0,95] аппроксимация кривой эффекта опорных изоляторов с высоким уровнем надежности может быть выполнена нормальным законом распределения.

Разработана методика искусственного загрязнения изоляторов, которая, не снижая точности результатов, позволяет автоматизировать процедуру лабораторных испытаний, сократить необходимые затраты на их проведение и уменьшить уровень субъективных влияний на эксперимент.

В широком диапазоне изменения удельной поверхностной проводимости впервые исследованы разрядные характеристики основных типов опорных изоляторов. Исследовано влияние степени загрязнения на эффективность использования длины пути утечки опорных изоляторов. Эффективность использования длины пути утечки изоляторов с чередующимися ребрами переменного вылета повышается при умеренно сильных и сильных загрязнениях, оставаясь сравнительно низкой при средних и малых загрязнениях. Результаты этих исследований позволили сформулировать проект нормативных требований к разрядным па-пряжениям при искусственном загрязнении и увлажнении опорных изоляторов для различных классов номинального напряжения и различных зон загрязнения. Предлагаемые нормативы предъявляют более жесткие требования к электрической прочности загрязненных опорных изоляторов, в отличие от действующих норм (ГОСТ 9984-85), которые не обеспечивают надежный выбор изоляции.

Усовершенствована методика статистического выбора изоляции по /словиго надежной работы в нормальном эксплуатационном режиме, которая учитывает усеченность кривой эффекта слева.

На защиту выносятся: статистическая модель и алгоритм расчета динамики физических процессов па загрязненной и увлажненной по-зсрхности изолятора при длительном воздействии напряжения; результаты компьютерных экспериментов; методика искусственного загрязнения поляторов; результаты лабораторных исследований зависимости вероят-юсти перекрытия изолятора от величины воздействующего напряжения; результаты исследований электрической прочности опорных изоляторов 1ри искусственном загрязнении; основные положения усовершенствован-Ю11 методики статистического выбора изоляции по условию надежной >аботы в нормальном эксплуатационном режиме.

Апробация работы и публикации. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались:

—- на научно-технической конференции "Повышение надежности >аботы изоляции линии электропередачи и электрооборудования высоко-о напряжения" (Ташкент, 1986);

— на международном коллоквиуме по высоковольтной испытатель-:ой технике в Ленинграде (СССР, 1988);

— на научно-технической конференции "Разработка и исследование золяционных конструкций из новых материалов и внедрение компью-

терной технологии в проектирование и организацию строительства" (Ташкент, 1989);

— на 7-ом Международном симпозиуме по высоковольтной технике, 15Н,7 в Дрездене (ГДР, 1991).

— на 9-ом Международном симпозиуме по высоковольтной технике КН.Э в Граце (Австрия, 1995).

Объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объем работы составляет 155 стр., из них 104 стр. машинописного текста, 11 таблиц, 30 рисунков, список литературы из 99 наименований, приложение на 8 стр.

Содержание работы.

СТАТИСТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ НА ЗАГРЯЗНЕННОЙ И УВЛАЖНЕННОЙ ПОВЕРХНОСТИ ИЗОЛЯТОРА ПРИ ДЛИТЕЛЬНОМ ВОЗДЕЙСТВИИ НАПРЯЖЕНИЯ

Разработана статистическая модель и алгоритм расчета динамики физических (тепловых, электрохимических и дуговых) процессов на загрязненной и увлажненной поверхности изолятора при длительном воздействии напряжения, которые учитывают вероятностный характер основных факторов, определяющих механизмы развития предразрядных и разрядных явлений при различных уровнях воздействующего напряжения. Основное отличие предлагаемой математической модели заключается в том, что в компьютерном эксперименте (по аналогии с лабораторными испытаниями) могут производиться серии повторяющихся опытов с одинаковыми вероятностными характеристиками наиболее значимых исходных факторов, определяющих условия работы изолятора. При этом для каждого из повторяющихся опытов в серии исходные факторы будут принимать частные, случайным образом заданные, численные значения. Общее количество опытов в компьютерных экспериментах определяется целью исследований и соответствует требуемому числу опытов в реальных лабораторных испытаниях.

Статистическая обработка многочисленных результатов компьютерного эксперимента и сравнительный анализ развития предразрядных процессов на поверхности изолятора при различных уровнях воздействующего напряжения и подтвердили гипотезу усечения кривой эффекта слева на примере аппроксимации зависимости ц/(и) трехнарамет-рическим (ограниченным слева) распределением Вейбулла. Показано, что одним из главных факторов, определяющих усечение кривой эффекта, является равномерный прогрев поверхности изолятора (подсушки слоя загрязнения) током утечки в результате диффузионного перерас-

6

пределения тепла при напряжениях, соответствующих малой и весьма малой вероятности перекрытия ЧЧШ.

Показано, что оценка уровня усечения кривой эффекта, характеризуемого отношением 50 %-ного разрядного напряжения и50% и напряжения усечения и0, во многом зависит от стабильности параметров реального лабораторного эксперимента (степени равномерности слоя загрязнения изолятора и степени снижения величины испытательного напряжения в результате протекания тока утечки). Применение в лабораторных исследованиях высоковольтных испытательных установок недостаточной мощности может привести к существенным погрешностям в определении зависимости Т(и) и, в частности, в оценке величины напряжения

усечения и0. Для стабильных условий проведения опытов (для принятой в испытаниях с искусственным загрязнением степени равномерности слоя загрязнения и при неизменности величины воздействующего напряжения при протекании тока утечки) уровень усечения кривой эффекта но данным компьютерного эксперимента составляет = 1,24.

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ИСКУССТВЕННОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ

Схема нового способа загрязнения достаточно проста и заключается в кратковременном погружении испытываемого изолятора в раствор с электролитом, на поверхности которого плавает мелкодисперсное инертное вещество (рис.1). Когда изолятор полностью погружен, вся масса инертного вещества удерживается на электролиге (рис.1,А), и по мере извлечения изолятора из раствора (рис.1,Б,В) на его поверхности оседает слой искусственного загрязнения (инертное вещество, насыщенное электролитом). При этом значение удельной поверхностной проводимости (%) слоя загрязнения задается концентрацией используемого раствора электролита.

После проведения высоковольтного испытания изолятор повторно погружают в раствор (рис.1,В,Б,А). Одновременно с погружением автоматически происходит естественная очистка изолятора от инертного вещества, которое всплывает и присоединяется к слою на поверхности электролита. На этой фазе цикл замыкается и может затем повторяться неограниченное число раз, причем, в каждом следующем цикле будет наноситься обновленный слой загрязнения, обеспечивая этим взаимную независимость опытов.

Реализация этого способа имеет разнообразные решения, например, малогабаритные изоляторы можно загрязнять погружением в емкость с электролитом при помощи подъемных механизмов. Однако более предпочтителен вариант, когда испытываемый изолятор устанавливают

Рис.1. Схема нанесения (А, Б, В) и удаления (В, Б, А) слоя искусственного загрязнения. (1 - исследуемый изолятор; 2 - инертное вещество; 3 - раствор электролита; 4 - слой искусственного загрязнения.)

неподвижно в бак, а изменение уровня электролита достигается перекачиванием его в дополнительный резервуар. Для крупногабаритных изоляторов в этом случае могут быть использованы различные конструкции складывающихся баков. В сочетании с известными элементами систем измерения и управления экспериментом способ позволяет полностью автоматизировать лабораторные испытания изоляторов при искусственном загрязнении и увлажнении.

В проводившихся экспериментах применялся традиционный для подобных исследований электролит - водный раствор поваренной соли. В качестве плавучего инертного вещества была выбрана алюминиевая пудра (ГОСТ 5494). Инертность пудры обеспечивается высокой химической активностью алюминия, вследствие которой к моменту высоковольтных испытаний в составе порошка преобладает оксид алюминия с низкой удельной электрической проводимостью.

Результаты высоковольтных испытаний изоляторов по новой методике искусственного загрязнения как по характеру физических процессов на поверхности изоляторов, так и по получаемым значениям и50% и хорошо согласуется с ранее полученными результатами испытаний при искусственном и естественном загрязнении. Обеспечивая требуемые параметры слоя загрязнения, разработанная методика позволяет проводит! испытания изоляторов без дополнительного их увлажнения.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ КРИВОЙ ЭФФЕКТА.

Изучение кривой эффекта производилось на опорных стержневы> изоляторах нормального исполнения типа ОНС-Ю. Аппроксимация зави симости у/(и) осуществлялась по набору частостей перекрытия Ь,(и)

!

каждая из которых вычислялась по итогам определенного количества опытов п4 с неизменной величиной воздействующего напряжения (метод ступеней). Воздействующее напряжение в опытах прикладывалось толчком к заранее загрязненному и увлажненному изолятору (ПЗ и ПТ по ГОСТ 10390-86). Определяемые таким способом частости перекрытия соответствуют критической, наиболее благоприятной для развития разряда интенсивности непрерывного увлажнения. Образование искусственного загрязнения производилось по рассмотренной выше новой автоматизированной методике. Испытания проводились при двух интенсивно-стях загрязнения. Удельная поверхностная проводимость слоя загрязнения х соответствовала наиболее характерным значениям для районов со слабой (ха = 3 мкСм) и умеренной (%б = Ю мкСм) степенью загрязненности атмосферы.

Высоковольтная испытательная установка. Результаты компьютерного эксперимента показали, что даже незначительная посадка испытательного напряжения током утечки (на 3 - 5 %) может на несколько порядков занизить экспериментальную оценку частости Ь;(и) при малых вероятностях перекрытия и соответственно исказить вид аппроксимирующей зависимости \[/(и) в целом. Современные испытательные уста-ковки, предназначенные для исследования загрязненной изоляции, обладают большей, чем на 3—5 % посадкой воздействующего напряжения при протекании токов, соответствующих средним и тем более сильным загрязнениям. Поэтому для повышения достоверности результатов чередований потребовалось создать сверхмощную испытательную установку на основе силового трансформатора ТМ 1600-35 УП. Ток к.з. установки при номинальном напряжении и = 26 кВ составлял 160 А. Снижение величины испытательного напряжения током утечки на протяже-ши всех опытов не превышала точности измерительных приборов, т.е. ")ыло менее 0,5 %.

Методика ускоренных испытаний. В ходе исследований было вы-юлнено 2,8 тыс. испытаний изоляторов. Для сокращения продолжительности экспериментов в каждом опыте испытаниям подвергалось од-ювременно 16 изоляторов. В ходе высоковольтного испытания изолято-)Ы располагались на достаточном расстоянии друг от друга, ис-слючавшем возможность развития между ними разрядов. Цепь заземле-шя каждого изолятора содержала плавкую вставку, рассчитанную на ток 1ерегорания 0,4 А. Длина нити составляла примерно 2,5 м. В случае пе->екрытия изолятора, вставка перегорала и возникавшая дуга гасла >аньше срабатывания максимальной токовой защиты на отключение вы-юковольтной испытательной установки. Поэтому факт перекрытия одно-о из изоляторов не означал завершение эксперимента для других, про-[олжавших оставаться подключенными к схеме. Случайный характер

иерекрытии дал основание считать результаты испытании в каждом таком опыте взаимонезависимыми и рассматривать испытание одновременно 16 изоляторов как 16 раздельно выполненных опытов на одном объекте. Отметим, что мощность высоковольтной испытательной установки была настолько большой, что в опытах с большой вероятностью перекрытия, где имели место одновременные перекрытия нескольких изоляторов, посадка воздействующего напряжения по данным измерительных приборов не выявлялась.

Результаты исследований. При обработке полученных экспериментальных данных (табл.1) испытательные напряжения были выражены в долях величины и50%. Отношение gi = предлагается назвать

уровнем воздействия, а когда величина и; соответствует эксплуатационному напряжению - рабочим уровнем воздействия Проверка гипотезы о допустимости объединения экспериментальных частостей в одну совокупность по уровням воздействия подтвердила справедливость этого предположения. Определение параметров аппроксимирующей зависимости ц/( £ ¡) осуществлялось методом наименьших квадратов со взвешиванием. Весовые характеристики функционала метода наименьших квадратов учитывали как неравноточность определения частостей перекрытия Ь;, так и неравноточность оценок О^ при переходе в масштаб уровней воздействия gi. При этом также было учтено очевидное требование для кривой эффекта в масштабе уровней воздействия: при = 1 вероятность перекрытия ^(§1) = 0,5.

Графическая проверка (рис.2) и результаты оценки значимости уравнения регрессии с использованием Б-критерия Фишера показали, что наилучшая аппроксимация зависимости вероятности перекрытия изолятора от величины уровня воздействия (кривой эффекта) достигается трехпараметрическим и ограниченным слева распределением Вейбулла

Г \п

g-go

1-ехр

о

> ¿о);

(и^ёо)-

(1)

где - начальное значение (\|/(§о)= 0); ёвз% ' 63 %-ный квантиль; г| -дисперсия.

При этом начальное значение кривой эффекта у(£;) достаточно хорошо совпало с прогнозом компьютерного эксперимента и с доверительной вероятностью Р(ё0 < g0) = 0,90 экспериментальная оценка §о =

0,79 (величина уровня усечения й50%/й0= 1/ёо = 1,27). В облает* значений \|/(и) е [0,05 ; 0,95] аппроксимация кривой эффекта опорньи

золяторов с высоким уровнем надежности может быть выполнена нор-альным законом распределения.

Таблица 1

Результаты экспериментальных исследований кривой эффекта \[/(Ш

г, Испытательное Число Число пе- Частость и50%> и1/и50%

:кСм напряжение иь опытов рекрытии перекрытия кВ

кВ

14,00 80 54 0,6750 1,04

3 13,00 80 29 0,3625 13,43 0,97

12,00 160 17 0,1063 0,89

11,00 1600 7 0,0044 0,82

10,00 80 59 0,7375 1,05

10 9,00 160 42 0,2625 9,49 0,95

8,00 640 8 0,0125 0,84

0,8 0,7

0,5 0,4 0,3 0,2

0,1 0,05

0.01

0,005 0,004

! 0.003

Т '

-У

- - --- — ■ — — - - ------- Т —

ь л

1

х 1

/ 1

/ 1

/ / / / . 1 х£ 1 1 1 1 1

/ / 1 1—1—

/ /— 1

■ Чг

003 ф4 0.05

0.1

0,2 0.3

Рис.2. Аппроксимация кривой эффекта грехпараметрическим 'сеченным) распределением Вейбулла. (Вероятностная сетка распределяя Вейбулла, у= -¿о); 1 ~ ПРИ X = 3 мкСм; 2 - при % - 5 мкСм уверительные интервалы с надежностью 0,95).

ИССЛЕДОВАНИЯ 50 %-НЫХ РАЗРЯДНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ОПОРНЫХ ИЗОЛЯТОРОВ.

Методика испытаний полностью соответствовала требованиям ГОСТ 10390-86. Источником напряжения служил испытательный трансформатор 500 кВ, 3000 кВА, питаемый через регулятор напряжения (0—6 кВ, 3000 кВА) от городской сети Лснэнерго. Испытательное напряжение прикладывалось толчком (способ ПТ). Величина 50 %-ного разрядного напряжения определялась стандартным методом "вверх-вниз".

Исследования разрядных характеристик проводились: на опытных образцах и на серийных опорных изоляторах; па покрышках ОПН; на покрышках высоковольтных конденсаторов (всего 32 различных типа изоляционных конструкций). По конфигурации изоляционного тела испытаниям подвергались в основном изоляторы двух исполнений:

— с постоянным вылетом ребер (нормальное исполнение);

— с чередующимися ребрами большого и малого вылета (грязе-стойкое исполнение).

Подтверждено, что зависимость 50 %-ного разрядного напряжения от высоты (Ь) изоляционной части (и, соответственно, от длины пути утечки, О изоляторов и опорно-изоляционной конструкции при удельной поверхностной проводимости % = 2 мкСм и выше практически линейна вплоть до Ь = 4 м и более (и, соответственно, линейна вплоть до Ь = 9 м и более). Это обстоятельство позволило характеризовать электрическую прочность изоляторов значениями их удельных разрядных напряжений: Е^ = и50%/Ь и Е^ = и^о^/Ь, где и Е^ - соответственно величины удельного по длине пути утечки и по изоляционной высоте 50% - ных разрядных напряжений.

Экспериментальные значения разрядного напряжения Е^ при х = 2—35 мкСм для различных типов опорных изоляторов с постоянным вылетом ребер (Ь/Ь = 2,3 — 2,5, с! = 13 — 15 см) достаточно хорошо согласуются и могут быть аппроксимированы обобщающей зависимостью

Еь=0,75-г0'27 • (2)

Испытания изоляторов с переменным вылетом ребер, при % = 2—40 мкСм, выявили некоторое снижение значений Е^ с увеличением диаметра изоляционного тела с1. Экспериментальные данные могут быть объединены в две группы и аппроксимированы:

— для изоляторов с переменным вылетом ребер, с с1 = 8—И см и Ь/Ь = 3,1—3,3, формулой

Еь = 0,60 • х"0'24, (3)

— для изоляторов с переменным вылетом ребер, (1 = 13—16 см и Ь/Ь = 3,0—3,3, формулой

Еь = 0,54 • г0'23 , (4)

В формулах (2) - (4): Е^ - в кВ/см; % - в мкСм.

При одинаковом диаметре тела с1 = 13—16 см, изоляторы с постоянным вылетом ребер характеризуется более высоким использованием длины пути утечки, чем изоляторы с чередующимися ребрами переменного вылета. При этом использование длины пути утечки у изоляторов с чередующимися ребрами повышается при умеренно сильных и сильных загрязнениях, оставаясь сравнительно низким при средних и слабых загрязнениях.

Формулы (2) - (4), после преобразования (Е^ = Е|- Е/1т) позволяют оценить значения удельного по изоляционной высоте разрядного напряжения Е|,(у) для соответствующих типов изоляторов. Очевидно, что изоляторы с большим отношением Ь/Ь имеют большее значение Е^. Установлено, что во всем диапазоне исследованных проводимостей % = 2—35 мкСм изоляторы с постоянным вылетом ребер уступают по величине Еь изоляторам с переменным вылетом ребер. Поэтому применение изоляторов грязестойкого исполнения (с переменным вылетом ребер) не только в районах с сильным загрязнением, но и в практически чистых районах (I и II СЗА) позволит сократить высоту опорных изоляционных конструкций по сравнению с изоляторами нормального исполнения (с постоянным вылетом ребер) при сохранении той же электрической прочности в нормальном эксплуатационном режиме. С ростом класса номинального напряжения электрооборудования эффект снижения строительной высоты будет более заметным за счет меньшего числа изоляционных элементов и соответственно меньшего числа промежуточных фланцев в сборных изоляционных конструкциях.

Исследовано влияние диаметра тела опорного изолятора на его электрическую прочность. Подтвержден вывод о существовании минимума в снижении разрядного напряжения с увеличением диаметра (с1 = 13—55 см) изоляционного тела.

УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ ВЫБОРА ОПОРНЫХ

ИЗОЛЯТОРОВ.

Усовершенствованная методика статистического выбора внешней изоляции для районов с загрязненной атмосферой. Аппроксимация кривой эффекта у^) ограниченным слева законом позволяет упростить методику статистического выбора изоляции по условию надежной работы в нормальном эксплуатационном режиме. Рассмотрен пример высоковольтной сети, которая проектируется в однородном по загрязнению районе и состоит из ш однотипных изоляционных конструкций. При од-

13

повременном увлажнении всех изоляторов вероятность аварийного отключения сети рассчитывается по формуле

4>т^раб) = 1 " [1 * Ч^)]т • (5)

гДе Йраб = ира6/и50%(х) - значение рабочего уровня воздействия на изоляцию, т.е. воздействия при величине рабочего напряжения ираб и удельной поверхностной проводимости загрязнения х в момент выпадения атмосферных осадков; чгт^раб) - зависимость вероятности аварийного отключения сети из ш изоляторов от величины уровня рабочего воздействия gpa6.

При gpaб > go зависимость вероятности аварийного отключения (рис.3) для сети из т изоляторов \Ут(8раб) смещена в сторону меньших значений g относительно кривой эффекта одиночного изолятора ц/^), однако, также как и кривая эффекта ху^) зависимость ут(йраб) ограничивается слева значением уровня воздействия go. При достаточно большом числе изоляторов зависимость \|/т^раб) можно приближенно рассматривать как одноступенчатую в точке ограничения go:

т

раб* ~

1 (8раб > V'"

'раб

0 <**> й V- (6)

Рис.3. Расчетная зависимость вероятности перекрытия совокупности из ш изоляторов от величины уровня воздействия g:

. 1-т = 1;2-ш = 5;3-ш=10;4-т = 50; 5 - т = 100; б - ш = 500; 7 - М^щСё) = 1 (одноступенчатая функция).

Таким образом, все увлажнения, при насту плетши которых величина gpaб находится выше уровня воздействия будут сопровождаться перекрытиями изоляции. Между тем, выполнение условия

§раб ^ g0 (7)

обеспечивает работу высоковольтной сети без перекрытий изоляции при любом числе увлажнений.

В реальных условиях факторы ираб и х> определяющие режим работы внешней изоляции подвержены некоторым разбросам и могут характеризоваться плотностью распределения соответствующей случайной величины, которая задана на интервале ее предельных (минимального и максимального) значений. В этом случае величина рабочего уровня воздействия 8раб.(ираб,х) также является случайной величиной с плотностью распределения Я^раб) " предельными значениями: =

К^раб.тщ! Хтт) ^ бтах ~ ^^раб.тах» Хтах^-

Число ожидаемых за год перекрытий изоляции в нормальном эксплуатационном режиме с учетом ступенчатой функции (6) можно оценить

Г

^ОТКЛ

= Пувл 1 ^раб)'*^, (8)

где пувл. — общее число увлажнений за год; ^раб} — плотность статистического распределения случайных значений величины уровня рабочего воздействия gpaб.

Правильный выбор внешней изоляции должен практически исключить случаи перекрытия в нормальном эксплуатационном режиме. Из формул (6)—(8) видно, что выбор изоляции но условию

ёшах ^ go, (9)

ГДе §тах = Кираб.

шах, ХшахХ соответствует этому требованию и_будет

обеспечивать работу высоковольтной сети без перекрытий для каждого года эксплуатации, а необходимая длина пути утечки изоляции может быть вычислена по формуле

ь = ираб

тах

тах )] (Ю)

где Е£(хтах)=и50% (Хтах)/Ь — величина удельного по длине пути утечки 50 %- ного разрядного напряжения при максимальном ожидаемом значении удельной поверхностной проводимости загрязнения Хтах-

Для общего случая, когда высоковольтная сеть состоит из разнотипных изоляционных конструкции, например, ОРУ (с различными разрядными характеристиками разных аппаратов и с различной подвер-

женностью загрязнению в эксплуатации) условие выбора изоляции (9) принимает следующий вид

2ктах — §к0> (И)

где: gkmax= КираГ) тах, Хктах) " значение максимальной величины уровня рабочего воздействия на изоляцию конструкций к-го типа; ёко= Ки, х) ~ значение начального уровня воздействия на изоляцию конструкций к-го типа; Хктах " значение максимальной величины удельной поверхностной проводимости загрязнения конструкций к-го тина.

Аналогичным образом может быть решена задача выбора изоляции для протяженной высоковольтной сети из однотипных изоляторов, например ВЛ, трасса которой проходит по районам с различными источниками загрязнения. После разделения трассы высоковольтной сети на однородные по загрязнению участки, следует для каждого из этих участков осуществлять выбор изоляции по условию (11), где в этом случае индекс к будет соответствовать к-ому участку трассы.

Формулы (6 - И) отражают следующие основные положения, принятые в предлагаемом подходе к статистическому выбору изоляции:

— при выполнении условия gIllax < go, т.е. в случае, когда максимальное возможное значение уровня рабочего воздействия «:.,1ах для конкретных условий эксплуатации не превышает значение начального уровня воздействия g0, для любого возможного числа изоляторов (изоляционных конструкций) и при любом возможном числе их увлажнений перекрытий изоляции не происходит;

— результат выбора уровня изоляции (формула (10)) не зависит от ожидаемого числа увлажнений изоляции в эксплуатации и от числа изоляторов (изоляционных конструкций) проектируемой высоковольтной сети.

Для практического выбора изоляции требуется набор исходных данных, характеризующих ожидаемые условия эксплуатации изоляторов выбираемого типа в районе расположения проектируемой высоковольтной сети. Значение начального уровня воздействия go (уровня ограничения кривой эффекта у^)) устанавливается из результатов специальных лабораторных испытаний; в качестве гарантированной оценки ираб.тах Целесообразно принять величину наибольшего длительно допустимого рабочего напряжения в электрической сети по ГОСТ 1516.176, деленную на -/з, а оценку величины Е^(-/тах) можно определить одним из следующих известных способов:

— по результатам длительных стендовых исследований значений удельной поверхностной проводимости загрязнения в районе предстоящей эксплуатации и данных по разрядным характеристикам изоляторов (Е]_(х)) при искусственном загрязнении и увлажнении;

— по результатам статистической обработки высоковольтных испытаний выборки изоляторов с естественным загрязнением, демонтированных со стендов или с действующих электроустановок в исследуемом районе.

Предлагаемый критерий выбора изоляции (формула (9)) записан относительно точных значений величины начального уровня воздействия go и величины максимального рабочего уровня воздействия на изоляцию 8шах- Между тем па практике, как правило, могут быть использованы только статистические оценки этих величин (соответственно, и ётах), которые устанавливаются из результатов экспериментальных исследований. Очевидно, что в этом случае ожидаемое число аварийных отключений Моткл высоковольтной сети в нормальном эксплуатационном режиме во многом будет определяться вероятностями статистических ошибок в прогнозах значений уровней воздействия go и (Ц,па>:. Поэтому для обеспечения требуемой надежности должны быть скоординированы допустимые статистические погрешности исходных параметров выбора изоляции на стадии определения их оценок. Например, если из результатов лабораторных испытаний известна доверительная вероятность (Р(ё0 ^ Йо)) оценки §о , то допустимую доверительную вероятность (Р( 8тах < Дт?х)) в исследованиях при оценке величины gmax можно установить из формул (9) и (10), задав допустимое число аварийных отключений Шоткл) высоковольтной сети и ожидаемое число увлажнений изоляции в год

Р( ётах — &пах) [ Моткл. / Пувл ]/ Р(§0< go)■ (12)

Из формул (10, 12) можно установить требуемые доверительные вероятности для результатов экспериментальных исследований изоляторов с естественным загрязнением:

— для оценки ожидаемого максимального значения удельной поверхностной проводимости ( /тах) загрязнения:

Их тах —У. тах) [М ОТКЛ. / ^увл. ]/Р(£0< (13, а)

— для оценки величины удельного по длине пути утечки 50 %- но-го разрядного напряжения (Е^х шах)) при максимальном ожидаемом значении удельной поверхностной проводимости загрязнения:

РСЗДс шах тах ОТКЛ. /пуш1.]/Р(ёо<Во>- (13,6)

На численных примерах показано, что результаты статистического выбора изоляции с учетом усеченности кривой эффекта слева лучше согласуются с реальным опытом эксплуатации, чем в случае применения статистической методики с аппроксимацией кривой эффекта нормальным законом.

Обоснование требований к разрядным характеристикам опорных изоляторов при искусственном загрязнении. Сформулированы и опроби-рованы высоковольтными испытаниями требования к разрядным напряжения при искусственном загрязнении и увлажнении опорных изоляторов для различных классов напряжения и различных зон загрязнения (табл.2, 3). Предлагаемые нормативы отличаются от необеспечивающих надежный выбор изоляции норм (ГОСТ 9984-85) более жесткими требованиями к электрической прочности загрязненных опорных изоляторов.

Таблица 2

Значения испытательного напряжения опорных изоляторов 110-750 кВ в загрязненном и увлажненном состоянии

Класс номинального напряжения изолятора, кВ Наибольшее рабочее фазное напряжение, кВ Нормированное выдерживаемое напряжение ин, кВ (ГОСТ 9984-85) Предлагаемое испытательное напряжение, кВ

Цдас

110 73 80 100 110

150 100 110 140 150

220 146 160 200 220

330 210 230 285 315

500 303 335 415 460

750 455 505 625 685

Таблица 3

Классификация уровней загрязнения, выраженная через удельную поверхностную проводимость при искусственном загрязнении и увлажнении

Степень загрязненности атмсферы (СЗА) Удельная поверхностная проводимость, мкСм

эксплуатационная Храб испытательная Хн (ГОСТ 9984-85) рекомендуемая испытательная Хи

II 2—4 5 3

IV 8—12 15 10

VI 16—24 30 20

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Результаты компьютерных экспериментов и сравнительный анализ предразрядных процессов на поверхности изолятора при различных уровнях воздействующего напряжения и позволили теоретически обосновать усечение кривой эффекта у(и) слепа, т.е. существование величины воздействующего напряжения, ниже которой вероятность перекрытия всегда равна пулю. Одним из главных факторов, определяющих это усечение является равномерный прогрев поверхности изолятора (подсушки слоя загрязнения) током утечки в результате диффузионного перераспределения тепла при напряжениях, соответствующих малой и весьма малой вероятности перекрытия Т(и).

2. Оценка уровня усечения кривой эффекта во многом зависит от стабильности параметров реального лабораторного эксперимента (степени равномерности слоя загрязнения изолятора и снижения величины испытательного напряжения в результате протекания тока утечки). Применение в лабораторных исследованиях высоковольтных испытательных установок недостаточной мощности может привести к существенным погрешностям в определении зависимости 1Р(Ш и, в частности, в оценке величины напряжения усечения.

3. Модернизированный комплекс методик лабораторных исследований электрической прочности изоляторов (методика искусственного загрязнения изоляторов, методика ускоренных исследований кривой эффекта), не снижая точности результатов, позволяет автоматизировать процедуру лабораторных испытаний, сократить необходимые затраты на их проведение и уменьшить уровень субъективных влияний на эксперимент. Результаты высоковольтных испытаний изоляторов по новым методикам по характеру физических процессов па поверхности изоляторов и по получаемым значениям и5о% и х хорошо согласуются с ранее полученными результатами испытаний при искусственном и естественном загрязнении.

4. Лабораторные исследования частостей перекрытия в широком диапазоне уровней воздействующего напряжения, выполненные на уникальной сверхмощной испытательной установке (1к 3 = 160 А), показали весьма хорошее соответствие экспериментальных результатов и теоретического представления об усеченности кривой эффекта слева при аппроксимации ее трехпараметрическим (ограниченным слева) распределением Вейбулла. В области значений уШ) е [0,05 ; 0,95] аппроксимация кривой эффекта опорных изоляторов с высоким уровнем надежности может быть выполнена нормальным законом распределения.

5. В широком диапазоне изменения значений удельной поверхностной проводимости (% = 2—40 мкСм) исследованы 50 %-ные разрядные

характеристики основных типов опорных изоляторов. Эффективность использования длины пути утечки изоляторов с чередующимися ребрами переменного вылета повышается при умеренно сильных и сильных загрязнениях, оставаясь сравнительно низкой при средних и малых загрязнениях. Электрическая прочность опорных изоляторов этой конфигурации характеризуется достаточно высокими удельными (по изоляционной высоте) 50 %-ными разрядными характеристиками, что обуславливает целесообразность применения таких изоляторов как в районах с сильным загрязнением, так и в практически чистых районах (I-II СЗА).

6. Методика статистического выбора изоляции по условию надежной работы в нормальном эксплуатационном режиме, которая основывается на усеченности кривой эффекта слева, с использованием данных о параметрах кривой эффекта и вероятностных характеристик загрязнения в районе эксплуатации позволяет с требуемой надежностью рассчитать необходимую длину пути утечки выбираемого изолятора. Выбор изоляции учитывает статистические погрешности исходных параметров, характеризующих ожидаемые условия эксплуатации.

7. Сформулированы требования к разрядным напряжениям при искусственном загрязнении и увлажнении опорных изоляторов для различных классов номинального напряжения и различных зон загрязнения. Предлагаемые нормативы предъявляют более жесткие требования к электрической прочности загрязненных опорных изоляторов, в отличие от действующих норм, которые не обеспечивают надежный выбор изоляции.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Иванов В.В. Статистические исследования разрядного напряжения высоковольтных изоляторов при загрязнении и увлажнении. - Изв. Академии наук. Энергетика, 1995, № 1, с. 116 -125.

2. Иванов В.В., Соломоник Е.А., О нормировании разрядных характеристик опорных изоляторов при искусственном загрязнении. Электрические станции, 1995, №12, с. 54 - 56

3. Иванов В.В. Исследования разрядных напряжений внешней изоляции электрооборудования в загрязненном и увлажненном состоянии.- " Повышение эффективности электрических сетей 110-1150 кВ."Сборник научных трудов НИИПТ, Энергоатомиздат, Л., 1990, с. 106 - 113.

4. Ivanov V.V., Laboratory studies of outdoor apparatus insulation under artificial pollution and wetting conditions. 7 th International Symposium on High Voltage Engineering, Dresden, August 26—30, 1991.

5. Ivanov V.V., Solomonik E.A., Statistical flashover voltage studies of wet polluted high voltage insulators., 9 th International Symposium on High Voltage Engineering, Graz, Austria, August 28 — September 1, 1995.

6. Гарасим С.И., Иванов B.B. и др. Сравнительные испытания ограничителей перенапряжения с разной длиной пути тока утечки внешней изоляции в условиях загрязнения и увлажнения. -"Эффективность и надежность нелинейных ограничителей перенапряжений". Сборник научных трудов НИИПТ, Энергоатомиздат, 1987, с. 88 - 95.

7. Алексеенко A.A., Иванов В.В., Разрядное напряжение опорных изоляционных конструкций из высокопрочного фарфора в загрязненном и увлажненном состоянии. .- В кн.: Тезисы докладов научно-технической конференции "Разработка и исследование изоляционных конструкций из новых материалов и внедрение компьютерной технологии в проектирование и организацию строительства"., Ташкент, 1989, с. 59.

8. Гутман И.Ю., Иванов В.В. Сравнительные исследования электрической прочности тарельчатых и опорных изоляторов в условиях естественного и искусственного загрязнения. - В кн.: Тезисы докладов научно-технической конференции "Разработка и исследование изоляционных конструкций из новых материалов и внедрение компьютерной технологии в проектирование и организацию строительства"., Ташкент, 1989, с. 54.

9. Гутман И.Ю., Иванов В.В. и др., Особенности выбора и эксплуатации внешней изоляции электрооборудования ГЭС в горных и предгорных районах. -В кн.: Тезисы докладов научно-технической конференции "Разработка и исследование изоляционных конструкций из новых материалов и внедрение компьютерной технологии в проектирование и организацию строительства"., Ташкент, 1989, с. 100.

10. Гарасим С.И., Иванов В.В. и др., Исследования работы ОПН в условиях загрязнения., -В кн: "Повышение надежности работы изоляции линии электропередачи и электрооборудования высокого напряжения"., Ташкент, 1986, с. 31.

ВВЕДЕНИЕ. и ВНЕШНЯЯ ИЗОЛЯЦИЯ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ В УСЛОВИЯХ ЗАГРЯЗНЕНИЯ И УВЛАЖНЕНИЯ. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА.

1.1. Методы выбора внешней изоляции.

1.2. Опыт эксплуатации внешней изоляций подстанционного электрооборудования районах с загрязненной атмосферой.

1.3. Лабораторные испытания внешней изоляции при искусственном загрязнении и увлажнении.

Выводы и постановка задачи исследований.

2. СТАТИСТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ НА ЗАГРЯЗНЕННОЙ И УВЛАЖНЕННОЙ ПОВЕРХНОСТИ ИЗОЛЯТОРА ПРИ ДЛИТЕЛЬНОМ ВОЗДЕЙСТВИИ НАПРЯЖЕНИЯ.

2.1. Задачи математического моделирования.

2.2. Общие принципы моделирования.

2.3. Модель элементарного участка слоя загрязнения.

2.4. Расчет нелинейной электрической цепи с параллельно — последовательным соединением сопротивлений.

2.5. Модель тепловых процессов в слое загрязнения.,.

2,6- Алгоритм выполнения компьютерного эксперимента,.,.

2.7, Компьютерные исследования статистических характеристик разрядного напряжения.

Выводы.,

3. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ИСКУССТВЕННОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ.

3.1. Постановка задачи.

3.2. Новый способ нанесения искусственного слоя загрязнения,.

3.3. Отработка технологии загрязнения.

3.4. Тестирование методики загрязнения при высоковольтных испытаниях.

Выводы.,,,,,,,,,,,.,,,,,,,

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ КРИВОЙ ЭФФЕКТА.V.

4.1. Задача исследований.

4.2. Испытательная установка и методика ускоренных испытаний.

4.3. Результаты исследований.

Выводы.

5. ИССЛЕДОВАНИЯ 50 %-НЫХ РАЗРЯДНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ОПОРНЫХ ИЗОЛЯТОРОВ.

5.1. Задачи исследований.

5.2. Испытательная установка и методика экспериментальных исследований.

5.3. Разрядные характеристики опорных изоляторов.

Выводы.

6. УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ ВЫБОРА ОПОР

НЫХ ИЗОЛЯТОРОВ.,.

6.1. Усовершенствованная методика статистического выбора внешней изоляции для районов с загрязненной атмосферой.

6.2. Обоснование требований к разрядным характеристикам опорных изоляторов при искусственном загрязнении.

Выводы.

Актуальность проблемы. Для разработки и оптимального выбора изоляционных конструкций электрооборудования открытых распределительных устройств необходимы исследования электрической прочности внешней изоляции при длительном воздействии рабочего напряжения в условиях загрязнения и увлажнения. Эти исследования в настоящее время выполняются экспериментальным путем, однако, высокая трудоемкость существующих методик испытания загрязненных подстанционных изоляторов во многом ограничивает объем и достоверность экспериментальных данных по их разрядным характеристикам, в частности, по разрядным характеристикам опорных изоляторов. Недостаточно полные представления о механизме развития физических процессов, происходящих при перекрытии загрязненных и увлажненных изоляторов, нередко приводят к ошибкам методического характера и неправильным результатам лабораторных испытаний. Кроме того отсутствуют обоснованные методики применения разрядных характеристик при выборе уровней внешней изоляции электрооборудования, в том числе ее наиболее распространенного и уязвимого в эксплуатации типа - опорной изоляции. В связи с эти актуальным является разработка новой высокотехнологичной методики экспериментальной оценки разрядных характеристик внешней опорной изоляции при загрязнении и увлажнении, изучение физических процессов на поверхности загрязненных и увлажненных опорных изоляторов, определение разрядных характеристик основных типов опорных изоляторов, в том числе с исследованием на физико-математической модели, и на этой основе разработка методики применения полученных экспериментальных данных при выборе внешней изоляции электрооборудования.

Цель работы. Основной целью работы являлось обоснование требований к разрядным характеристикам опорных изоляторов при искусственном загрязнении в зависимости от степени загрязнения в районе их применения и 6 — усовершенствование методики статистического выбора внешней изоляции для районов с загрязненной атмосферой. Для этого необходимо решение следующих задач: разработка математической модели физических процессов на загрязненной и увлажненной поверхности изолятора при длительном воздействии напряжения и проведшие компьютерного эксперимента для определения численных оценок квантилей разрядного напряжения в области малых и весьма малых вероятностей перекрытия» что в лбораторнам эксперименте (при значениях кривой эффекта ЧРШ) < 0,0001) практически неосуществимо, так как требует большого количества трудоемких длительных опытов. разработка новой высокотехнологичной методики искусственного загрязнения, приемлемой для испытаний крупногабаритных опорных изоляторов; экспериментальное определение разрядных характеристик опорных изоляторов с различным диаметром тела и с различной конфигурацией поверхности (зависимости и$о% от х); разработка методики ускоренных испытаний и определение кривой эффекта ЧЧШ для наиболее распространенных по конфигурации опорных изоляторов при наиболее характерных в эксплуатации слабых и умеренных загрязнениях.

Научная новизна и практическая ценность. В настоящей работе впервые разработана статистическая модель динамики физических процессов на загрязненной и увлажненной поверхности изолятора при длительном воздействии напряжения, которая учитывает вероятностный характер основных факторов, определяющих механизмы предразрядных и разрядных явлении при различных уровнях воздействующего напряжения. Результаты лабораторных и компьютерных экспериментов подтвердили гипотезу усечения кривой эффекта слева на примере аппроксимации зависимости y(U) грехпара-метрическим (ограниченным слева) распределением Вейбулла. Показано, что одним из главных факторов, определяющих усечение кривой эффекта, является равномерный прогрев поверхности изолятора (сушки слоя загрязне 7 кия) током утечки в результате диффузионного перераспределения тепла при напряжениях, соответствующих малой и весьма малой вероятности перекрытия 4P(U). Показано, что оценка уровня усечения (U^/U0) кривой эффекта зависит от параметров лабораторного эксперимента (степени равномерности слоя загрязнения изолятора и снижения величины испытательного напряжения в результате протекания тока утечки) и применение в лабораторных исследованиях высоковольтных испытательных установок ограниченной мощности может привести к существенным погрешностям в определении величины напряжения усечения U0.

Модернизирована методика экспериментальных исследований и исследованы частости перекрытия опорных изоляторов в широком диапазоне уровней воздействующего напряжения. Впервые показано, что наилучшая аппроксимация зависимости вероятности перекрытия изолятора от величины воздействующего напряжения (кривой эффекта) достигается трехпараметри-ческим (ограниченным слева) распределением Вейбулла. Подтверждено, что в области значений е [0,05 ; 0,95] аппроксимация кривой эффекта опорных изоляторов с высоким уровнем надежности может быть выполнена нормальным законом распределения.

Разработана методика искусственного загрязнения изоляторов, которая, не снижая точности результатов, позволяет автоматизировать процедуру лабораторных испытаний, что сокращает затраты и уровень субъективных влияний на эксперимент.

В широком диапазоне изменения удельной поверхностной проводимости впервые исследованы разрядные характеристики основных типов опорных изоляторов. Исследовано влияние степени загрязнения на эффективность использования длины пути утечки опорных изоляторов. Эффективность использования длины пути утечки изоляторов с чередующимися ребрами переменного вылета повышается при умеренно сильных и сильных загрязнениях, оставаясь сравнительно низкой при средних и малых загрязнениях. Результаты этих исследований позволили сформулировать проект нормативных требований к разрядным напряжениям при искусственном загрязнении и 8 увлажнении опорных изоляторов для различных классов напряжения и различных зон загрязнения. Предлагаемые нормативы отличаются от необеспе-чивающих надежный выбор изоляции норм (ГОСТ 9984-85) более жесткими требованиями к электрической прочности загрязненных опорных изоляторов.

Усовершенствована методика статистического выбора изоляции по условию надежной работы в нормальном эксплуатационном режиме, которая основывается на усеченности кривой эффекта слева.

На защиту выносятся: статистическая модель и алгоритм расчета динамики физических процессов на загрязненной и увлажненной поверхности изолятора при длительном воздействии напряжения; результаты компьютерных экспериментов; методика искусственного загрязнения изоляторов; результаты лабораторных исследований зависимости вероятности перекрытия изолятора от величины воздействующего напряжения; результаты исследований электрической прочности опорных изоляторов при искусственном загрязнении; осноные положения усовершенствованной методики статистического выбора изоляции по условию надежной работы в нормальном эксплуатационном режиме.

Апробация работы и публикации. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались; на научно-технической конференции "Повышение надежности работы изоляции линии электропередачи и электрооборудования высокого напряжения" (Ташкент» 1986); на международном коллоквиуме по высоковольтной испытательной технике в Ленинграде(СССР, 1988). на научно-технической конференции "Разработка и исследование изоляционных конструкций из новых материалов и внедрение компьютерной технологии в проектирование и организацию строительства" (Ташкент» 1989) на 7-ом Международном симпозиуме (ISH) в Дрездене (ГДР, 1991). на 9-ом Международном симпозиуме (ISH) в Граце (Австрия, 1995)

По материалам работы опубликовано 10 статей в электротехнических журналах и в материалах конференций [5, 14, 15, 26, 27, 35, 36, 37, 81, 82].

1. ВНЕШНЯЯ ИЗОЛЯЦИЯ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ В УСЛОВИЯХ ЗАГРЯЗНЕНИЯ И УВЛАЖНЕНИЯ. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

Выводы.

1. Разработана методика статистического выбора изоляции по условию надежной работы в нормальном эксплуатационном режиме, которая основывается на усеченности кривой эффекта слева и с использованием исходных данных о параметрах кривой эффекта и вероятностных характеристик загрязнения в районе эксплуатации позволяет рассчитать необходимую длину пути утечки выбираемого изолятора. Предлагаемая методика имеет два принципиальных отличия от существующего подхода (см. главу 1) при аппроксимации кривой эффекта неограниченным (нормальным) законом: результат выбора уровня изоляции не зависит от ожидаемого числа увлажнений изоляции в эксплуатации и от числа изоляторов (изоляционных конструкций) проектируемой высоковольтной сети; выбор изоляции учитывает статистические погрешности экспериментальных исходных параметров, характеризующих ожидаемые условия эксплуатации.

С учетом этих новых принципов, результаты статистического выбора изоляции лучше согласуется с реальным опытом эксплуатации, чем в случае применения статистической методики, использовавшейся ранет.

135 —

2. Сформулированы и апробированы высоковольтными испытаниями требования к разрядным напряжения при искусственном загрязнении и увлажнении опорных изоляторов для различных классов напряжения и различных зон загрязнения. Предлагаемые нормативы отличаются от необеспе-чивающих надежный выбор изоляции норм [19, 38] более жесткими требованиями к электрической прочности загрязненных опорных изоляторов.

136— ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Разработана статистическая модель динамики физических процессов на загрязненной и увлажненной поверхности изолятора при длительном воздействии напряжения, которая учитывает вероятностный характер основных факторов, определяющих механизмы предразрядных и разрядных явлений при различных уровнях воздействующего напряжения. Результаты компьютерных экспериментов и сравнительный анализ предразрядных процессов на поверхности изолятора при различных уровнях воздействующего напряжения U позволили теоретически обосновать усечение кривой эффекта qj(U) слева, т.е. существование величины воздействующего напряжения (Uq > 0), ниже которой вероятность перекрытия всегда строго равна нулю. Одним из главных факторов, определяющих это усечение, является равномерный прогрев поверхности изолятора током утечки в результате диффузионного перераспределения тепла при напряжениях, соответствующих малой и весьма малой вероятности перекрытия VF(U).

2. Оценка уровня усечения (йда1/й0) кривой эффекта во многом зависит от стабильности параметров реального лабораторного эксперимента (степени равномерности слоя загрязнения изолятора и снижения величины испытательного напряжения в результате протекания тока утечки). Применение в лабораторных исследованиях высоковольтных испытательных установок недостаточной мощности может привести к существенным погрешностям в определении зависимости *Р(и) и , в частности, в оценке величины напряжения усечения U0. Для стабильных условий проведения опытов (принятой степени равномерности слоя загрязнени, неизменной величине 137— воздействующего напряжения при протекании тока утечки) величина уровня усечения кривой эффекта оценивается, как U^/U0- 1 ,24.

3. Модернизированный комплекс методик лабораторных исследований электрической прочности изоляторов (методика искусственного загрязнения изоляторов, методика ускоренных исследований кривой эффекта), не снижая точности результатов, позволяет автоматизировать процедуру лабораторных испытаний, сократить необходимые затраты на их проведение и уменьшить уровень субъективных влияний на эксперимент. Результаты высоковольтных испытаний изоляторов по новым методикам по характеру физических процессов на поверхности изоляторов, и по получаемым значениям U$o% и X хо~ рошо согласуются с ранее полученными результатами испытаний при искусственном и естественном загрязнении.

4. Лабораторные исследования чаетостей перекрытия в широком диапазоне уровней воздействующего напряжения, выполненные на уникальной сверхмощной испытательной установке (lKi3, = 160 А), показали весьма хорошее соответствие экспериментальных результатов и теоретического представления об усеченности кривой эффекта слева при аппроксимации ее трехпараметрическим (ограниченным слева) распределением Вейбулла. В области значений y(U) е [0,05 ; 0,95] аппроксимация кривой эффекта опорных изоляторов с высоким уровнем надежности может быть выполнена нормальным законом распределения.

5. В широком диапазоне изменения значений удельной поверхностной проводимости (х - 2—40 мкСм) исследованы 50 %-ные разрядные характеристики основных типов опорных изоляторов. Эффективность использования длины пути утечки изоляторов с ребрами переменного вылета повышается при умеренно сильных и сильных загрязнениях, оставаясь сравнительно низкой при средних и малых загрязнениях. Электрическая прочность опорных изоляторов этой конфигурации характеризуется достаточно высокими удельными (по изоляционной высоте) 50 %-ными разрядными характеристиками, 138— что обуславливает целесообразность применения таких изоляторов как в районах с сильным загрязнением, гак и в практически чистых районах (I—II G3A). Исследования влияния диаметра тела опорного изолятора на его электрическую прочность подтвердили существование минимума в величине разрядного напряжения с увеличением диаметра изоляционного тела.

6. Методика статистического выбора изоляции по условию надежной работы в нормальном эксплуатационном режиме, которая основывается на усеченности кривой эффекта слева, с использованием данных о параметрах кривой эффекта и вероятностных характеристик загрязнения в районе эксплуатации позволяет с требуемой надежностью рассчитать необходимую длину пути утечки выбираемого изолятора. Выбор изоляции учитывает статистические погрешности исходных параметров, характеризующих ожидаемые условия эксплуатации.

7. Сформулированы требования к разрядным напряжениям при искусственном загрязнении и увлажнении опорных изоляторов для различных классов напряжения и различных зон загрязнения. Эти требования апробированы высоковольтными испытаниями и отличаются от необеспечивающих надежный выбор изоляции действующих норм более жестким нормированием электрической прочности загрязненных опорных изоляторов.

1. Александров Г.Н., Иванов В.Л., КиЗёветтёр В.Е. Электрическая прочность наружной высоковольтной изоляции. Л., Энергия, 4969.

2. Александров Г.Н., Гу Ло-туан,, Электрическая прочность линейных изоляторов при различной степени загрязнения. Электротехника , 1965, №4.

3. Александров Г.Н., КиЗёвётгер В.Е., Статистические исследования электрической прочности загрязненной изоляции. Электрические станции, 1964, №4

4. Аксёнов В.А., Шумилов Ю.Н., Электрофизические процессы в поверхностном слое при перекрытии загрязненных изоляторов. Электричество, 1983, №4.

5. Алексеенко А.А., Кизеветтер В.Е. Влияние геометрических параметров опорных изоляционных конструкций на их влагоразрядные характеристики. Электрические станции, 1982, Ml.

6. Большаков Г.И. и др., Анализ факторов аварийности на энергообъектах Минэнерго Казахстана. Электрические станции, 1992, Ml.

7. Владимирский Л.Л. Исследование и выбор изоляции линий электропередачи постоянного тока сверхвысокого напряжения в условиях загрязнения: Дис. канд.техн.наук, JL, 1982.140 —

8. Владимирский Л.Л., Иванов В.В. и др., Установка для проведения испытаний внешней изоляции в загрязнением и увлажнением состоянии. Международный коллоквиум по высоковольтной испытательной технике. Доклад III 10 D, апрель 1988 т., Ленинград, СССР.

9. И. Владимирский Л.Л., Мерхйлев С.Д., Исследование загрязняемое™ изоляции по трассе проектируемой линии сверхвысокого напряжения Экибастуз-Центр., Известия НИИПТ, 1977, выпуск 27.

10. Вольлов К. Д., Глебов Э.С., Маййопар А.С., Методика оценки работоспособности линейной изоляции по влагоразрядным характеристикам. Электричество, 1970, 12.

11. Вольпов К.Д., Майкопар А.С., О методике оценки работоспособности линейной изоляции в районах с промышленными загрязнениями., Электричество, 1974, М8.

12. Гйрасим С.И., Иванов В.В. и др., Исследования работы ОПН в условиях загрязнения., -В кн: "Повышение надежности работы изоляции линии электропередачи и электрооборудования высокого напряжения"., Ташкент, 1986.

13. Горев Н.Ф. Уроки некоторых аварий,- Электрические станции, 1992, №7.

14. Горев Н.Ф. Анализ аварийности оборудования электростанций и сетей в 1991 г., Электрические станции, 1992, № 9.

15. ГОСТ 9920-75 Электроустановки переменного тока на напряжение от 3 до 750 кВ, Длина пути утечки внешней изоляции.

16. ГОСТ 9984-85 (СТ СЭВ 2314-80). Изоляторы керамические опорные на напряжение свыше 1000 В. Общие технические условия.

17. ГОСТ 25073-81 (СТ СЭВ 2315-80). Изоляторы опорные стержневые армированные фарфоровые на напряжение от 10 до 220 кВ для работы на открытом воздухе. Типы, основные параметры и размеры.141 —

18. ГОСТ 28290-89 (СТ СЭВ 6465-88). Электроустановки переменного тока на напряжение от 3 до 750 кВ. Длина пути утечки внешней изоляции.

19. ГОСТ 10390-86. Электрооборудование на напряжение свыше 3 кВ. Методы испытаний внешней изоляции в загрязненном состоянии.

20. ГОСТ 5494-82. Пудра алюминиевая,

21. Гутман И.Ю., Разрядные характеристики линейных полимерных изоляторов в загрязнение»! и увлажнением состоянии.: Дис. канд. техн. наук., НИИПТ, 1989.

22. Гутман И.Ю. и др. Результаты испытаний тарельчатых изоляторов при их искусственном загрязнении., Энергетическое строительство, 1992, №7.

23. Гутман И.Ю., Орлова Е.Н., Соломоншс Е.А., Предложения по усовершенствованию методики испытаний тарельчатых изоляторов при искусственном загрязнении., Электрические станции, 1993, № И.

24. Гутман И.Ю., Тнходеёв Н.Н., Развитие методов испытаний загрязненной и увлажненной внешней изоляции., Энергохозяйство за рубежом, №4, 1986.

25. Гургенидае A.M., Рейн Б.М., Влияние- метода искусственного загрязнения изоляторов на их разрядные характеристики В кн: Изоляция воздушных линий и распределительных устройств в районах с загрязненной атмосферой. Л.: Энергоато-миздат, 1983.142 —

26. Гургенидйе A.M., Соломоник Е.А. Исследование параметров слоя загрязнения изоляторов и их. характеристик в промышленных районах. В кн.: "Изоляция воздушных линий электропередачи 110-1150 кВ." , Энергоатомиздат, 1989.

27. Долин А.П., Шонпга Г.Ф., Открытые распределительные устройства с жесткой ошиновкой.,— М., Энергоатомиздат, 1988.

28. Дьен Л.М. Исследование характеристик частичных дуговых разрядов на увлажненной поверхности загрязненной изоляции при напряжении промышленной частоты; Дис. канд. техн. наук.- ЛПИ, 1987.

29. Знмон А.Д. Адгезия пыли и порошков. М., "Химия", 1976

30. Иванов В.В. Исследования разрядных напряжений внешней изоляции электрооборудования в загрязнение»! и увлажнением состоянии.- В кн.; Повышение эффективности электрических сетей 110-1150 кВ. Л.; Энергоатомиздат, 1990.

31. Иванов В.В. Статистические исследования разрядного напряжения высоковольтных изоляторов при загрязнении и увлажнении. Изв. Академии наук. Энергетика, 1995, № 1.

32. Иванов В.В., Соломоник Е.А., О нормировании разрядных характеристик опорных изоляторов при искусственном загрязнении. Электрические станции, 1995, Мэ12

33. Инструкция по выбору внешней изоляции электроустановок РД 34.51.101-90.М: СПО Союзтехэнерго, 1990.

34. Инструкция по эксплуатации изоляции электроустановок в районах с загрязненной атмосферой. РД 34.51.503-93, РАО " ЕЭС России",1993.

35. Калитюш Н.Н., Численные методы. —М.: "Наука", 1978.

36. Лоханнн А.К., Шерешщс А.Н. О номинальных и наибольших рабочих напряжениях электрических сетей. Электричество, 1988, № 10.

37. Лыков А.В., Теория сушки. —М.: "Энергия", 1968.

38. Лыков А.В., Тепломассообмен. Справочник.—М.: "Энергия", 1978.

39. Львовский Е.Н., Статистические методы построения эмпирических формул. —М, "Высшая школа", 1982 г.

40. Ментюкова A.M., Тиходеев Н.Н., Статистический метод выбора уровня изоляции воздушной линии, базирующийся на измерениях поверхностной проводимости слоя загрязнения. В кн.: "Передача энергии постоянным и переменным током". . Энергоатомиздат, 1980.

41. Мерхалев С.Д., Зависимость разрядных характеристик загрязненных изоляторов в нормальном эксплуатационном режиме от их конфигурации., Известия НИИПТ. — Сб. 14, 1968.

42. Мерхалев С.Д., Соломоннк Е.А., Изоляция линий и подстанций в районах с загрязненной атмосферой. Л., "Энергия", 1973.

43. Мерхалев С.Д., Соломоний Е.А. Выбор и эксплуатация изоляции в районах с загрязненной атмосферой Л., Энергоатомиздат, 1983.

44. Мерхалев С.Д., Солоионик Е.А., Влияние параметров испытательной установки на разрядные характеристики загрязненных изоляторов при переменном напряжении. Известия НИИПТ. — Сб. 11, 196*5.

45. Обзор и анализ аварий и других нарушений в работе на электростанциях и в электрических сетях энергосистем за 1981 год. Выпуск 2. М: Ссяозтехэнерго, 1982. Для служебного пользования. (Обзор и анализ аварий за 1982 г.).

46. Обзор и анализ аварий за 1982 г.

47. Обзор и анализ аварий за 1983 г.

48. Обзор и анализ аварий за 1984 г.1. J44 —

49. Обзор и анализ аварий за 1985 г.

50. Обзор и анализ аварий за 1986 г.

51. Попков В.И. Разработка методов исследований н выбора уровней изоляции лини электропередачи в загрязненных районах и их использование для выбора изоляции линий 500, 220, и 132 кВ в АРЕ. Дис. кацц.техн.наук, Л., 1973*

52. Провести исследования, разработать и внедрить в опытном порядке рекомендации по сооружению высокогорных ПС 220 кВ. Отчет КирНИОЭ, 1987.

53. Протокол испытаний тарельчатых и опорных изоляторов ПС 400 Б, ПСК 300A, ПС 300В, ПСГ6А, ПСГ 120А, ИОС-110-600, СТ-110, ОНШ-35-2000, ОНШ-35-1000. Отчет САО ЭСП, М>16005, т.2, 1991.

54. Райзер Ю.П. Физика газового разряда. М., Наука, 1987.

55. Рейн Б.М., Мерхалев С.Д., Соломоник Е.А., Метод расчета разрядных напряжений изоляторов с двухступенчатым неравномерным слот загрязнения. Известия НИИПТ, 1976, выпуск 23.

56. Руководство для выбора изоляторе® с учетом условий загрязнения., Публикация МЭК 815., издание первое., 1986.

57. Сенченков А.11, Техника физического эксперимента. М,, Энергоатомиздат,1983.

58. Скорчеллетга В.В., Теоретическая электрохимия.—Л.: "Химия", 1969.

59. Соломоник Е.А. Исследование и расчет разрядных характеристик загрязненных изоляторов. Известия НИИПТ. —Сб. 11, 1965.

60. Справочник химика., т.З, —М.: "Химия", 1965.

61. Н.Н. Тиходеев, С.С. Шур. Изоляция электрических сетей. Л., Энергия,1979.

62. Фянкельбург В., Меккер Г., Электрические дуги и термическая плазма.—М.; ИЛ, 1961.145 —

63. Хан Г., Шапиро С., Статистические модели в инженерных задачах,—М.: "Мир", 1969 т.

64. Хауншльд В., Мош В., Статистика для электротехников в приложении к технике высоких напряжений. —Л.: "Энергоатомиздат", 1989 г.

65. Храмов Л.Ф. Разработка методов испытания и исследование устойчивости загрязненных линейных изоляторов к длительному воздействию поверхностных частичных разрядов: Дис. канд. техн. наук.- СибНИИЭ, 1985.

66. Электрооборудование переменного тока на напряжение от 110 до 750 кВ. Нормы и методы испытаний электрической прочности внешней изоляции в загрязнением состоянии. РД 16.4555-88.

67. Baker А.С. et. al. Contamination performance of station post insulators. IEEE Trans, on Power Delivery, vol. 3 , №4, 1988.

68. Boene E.W. The digital computer In contamination research., Journal of Franklin Institute. Vol. 294, № 6, 1972.

69. ВбЬте H., Pilling J., Streubel H., Zur Interpretation der Kriechaber-schlaghennlinie von Freiluftisolatoren., Elektrie.— Bd. 33., 1979, Nsl2.

70. Compftraison critique des metodes dessais tfisolateurs haute tension sous pollution artificielle., Electra, M64, 1979.

71. Galli F., Malaguti C., The 1000 kV Project-Progress of Research at the end of 1979., CIGRE, 1980, R.31—15.

72. Ivanov V.V., Laboratory studies of outdoor apparatus Insulation under artificial pollution and wetting conditions. 7 th International Symposium on High Voltage Engineering, Dresden, August 26—30, 1991.

73. Ivanov V.V., Solomonik E.A., Statistical flashover voltage studies of wet polluted high voltage insulators., 9 th International Symposium on High Voltage Engineering, Graz, Austria, August 28 — September 1, 1995.

74. IEC 507 (1991). Artificial pollution tests on hlg voltage insulators to be used on a. c. systems.

75. Kawamura T. Performance of large bushing shells for UHV transmission system under polluted conditions, CYGRE, 1988, Rep. 33-03

76. Kfrwai M., Sforzini M., Problems related to the perfomance of UHV insulators in contaminated conditions., CIGRE, 1974, R.33—19.

77. Naganawa A., Nalto K., A study on problematic assessment of contamination flashover voltage of HV insulator., 8 th International Symposium on High Voltage Engineering, Yokohama, Japan, August 23-27, 1993.

78. Obenaus F., "Contamination flashover and creepage path length", Dtsch, Elektrotehnik, vol. 12, pp. 135—136, 1958.

79. Ozaki Y. Flashover voltage characteristics of contaminated bushing shells for UHV Transmission systems. IEE Trans, on Power App. and Systems, vol. 100, Mi 8, 1981.

80. Rizk F.A.M., Mat-hematic models for pollution flashover., Electra, №78,1981.

81. Rizk F.A.M., Nguyen D.N., AC source insulator interaction in HV pollution tests., IEEE Trans on Power Apparatus and Systems, Vol. PAS—84 (103), №4, 1984.

82. Sforzini M., Cortina R., A statistical approach for insulator design in polluted areas., IEEE Trans on Power Apparatus and Systems, Vol. PAS—102, №9, September 1983.

83. Sforzini M. .Testing of polluted insulators — the present situation and problems of the future., Journal of Franklin Institute. Vol. 294, № 6, 1972.

84. Streubel H. Beracrsichtigmg der Verschmutzung von Isolatoren bei der PrOfung und ihre Beurteilung. Hermsdorfer Technische Mittellungen, 1988, №46.

85. Streubel H. Die Fremdschicht- Ubershlagspannung von Isolatoren mit unter-schiedllichem Durchmesser. Hermsdorfer Technische Mittellungen, 1983, №63.

86. Jolly D.C., Contamination flashover theory and insulator design., Journal of Franklin Institute. Vol. 294, >k 6, 1972.

87. CSN 348031, Metodika zkousek pri umelen zhecisteni., 1989.

88. TGL 20618/08, HoshpannungsprOftechik. PrOfung fremdschichtbehafteter Isoliexungen. Standart., 1975.147 —98, IEC, Hig-voltage techniques. Part 1; General definitions and test requirements, Publication 60-1, 1984.

89. Raghuveer M.R., Kuffel E., Experemental and analytical studies of Factors wich affect flashover on polluted insulation surfaces., IEEE Trans on Power Apparatus and Systems, Vol. PAS—93, Ш, february, 1974.148 —