автореферат диссертации по энергетике, 05.14.12, диссертация на тему:Внутренняя изоляция газонаполненного оборудования сверхвысокого и ультравысокого напряжения

Актуальность работы

За последние двадцать лет газонаполненные высоковольтные аппараты стали основным видом выпускаемого ведущими фирмами подстанционного коммутационного оборудования при номинальном напряжении 110 кВ и выше.

Одной из важнейших тенденций развития такого оборудования явилось создание газонаполненных аппаратов сверхвысокого и ультравысокого напряжения (300 кВ и выше), причем сжатый элегаз (химическая формула—БР6) как изоляционная и дугогасительная среда практически вытеснил в таких аппаратах традиционно применяемый в качестве изоляции газ — воздух.

В начале 80-х годов в России впервые в мире был разработан комплекс высоковольтного оборудования на напряжение 1150 кВ, в том числе комплектно-распределительное устройство с элегазовой изоляцией (КРУЭ) — выключатели, разъединители-заземлители, вводы, быстродействующие заземлители, шино-проводы, ограничители перенапряжений и измерительные трансформаторы.

В процессе монтажа, наладки и испытаний указанного оборудования в ряде случаев (при проведении рабочих операций коммутационными аппаратами, испытании устройств, изготовленных в условиях серийного производства) обнаружилось аномальное снижение электрической прочности изоляции, обусловленное проявлением новых, ранее не изученных физических процессов.

Внутренняя изоляция газонаполненных высоковольтных аппаратов является по существу комбинированной: в ней наряду с газовым диэлектриком используется твердая полимерная изоляция, необходимая для крепления токоведущих частей этих аппаратов.

При испытаниях было выявлено влияние на напряжение перекрытия полимерных изоляционных конструкций не только характера обработки поверхности электродов и твердого диэлектрика, но и технологии изготовления самой полимерной изоляции. Это потребовало создания научно-обоснованных технологий производства, испытаний и диагностики всех компонентов внутренней изоляции газонаполненных высоковольтных устройств, учета взаимосвязи характеристик этих компонентов и координации их электрической прочности. Фактически внутренняя изоляции элегазовой высоковольтной аппаратуры должна рассматриваться как некоторая единая комбинированная изоляция. Расширение области вменения элегазовой изоляции и использование ее в высоковольтном обору-¡; и июстоянного тока показали также необходимость развития методов ана-жектрической прочности и выбора изоляционных конструкций, находя. ся в среде элегаза, с учетом влияния различных эксплутационных факторов. - о обнаружено, что условия оптимизации конструкции изоляторов, справед-.ю для элегазового оборудования переменного тока, недостаточны при про. гировании изоляционных конструкций аппаратов постоянного тока.

элегазовой изоляции измерительных трансформаторов и конденсаторов). Технологические основы обеспечения качества изоляции с учетом ее комбинированного характера.

2. Результаты исследований развития лидерного разряда в элегазе, физическая модель его возникновения. Метод расчета электрической прочности элега-зовых промежутков в трехэлектродной (два контакта и заземленная оболочка) системе применительно к условиям работы газонаполненных разъединителей сверхвысокого напряжения.

Показано, что напряженность электрического поля при возникновения лидера в таких системах при наличии микровыступов на поверхности электродов практически не зависит ни от произведения давления газа на высоту выступа, ни от степени искажения электрического поля вблизи него, если приведенная к единице давления напряженность поля на расстоянии 0,6 — 0,7 мм от вершины выступа не превышает 45 В/Па • м.

Установлено, что при анализе электрической прочности элегазовой изоляции в указанных аппаратах следует учитывать необходимость расчета электрического поля не только в условиях отсутствия разряда между контактами, но и при возникшем завершенном разряде, рассматривая его канал как локальную неоднородность.

Допустимые напряженности электрического поля в элегазовых промежутках газонаполненного оборудования сверхвысокого и ультравысокого напряжения при кратковременном воздействии напряжения промышленной частоты определяются предложенными в работе минимальными предельными значениями электрической прочности элегаза и расчетными зависимостями электрической прочности от площади электродов.

3. Результаты статистических исследований влияния основных конструктивных и эксплутационных факторов — размеров диэлектрика, степени неоднородности электрического поля, времени воздействия и типа приложенного напряжения, структурных неоднородностей и технологии изготовления литой эпоксидной изоляции на ее электрическую прочность. Метод анализа электрической прочности этой изоляции применительно к условиям работы в высоковольтных газонаполненных аппаратах.

Показано, что электрическая прочность литой эпоксидной изоляции при изменении ее размеров определяется величиной «активного» объема диэлектрика — такой областью, в которой напряженность электрического поля составляет не менее 85% от максимальной в твердом диэлектрике — и может быть определена с помощью предложенного аналитического соотношения.

Обнаружено, что газовые включения, распределенные в объеме твердого диэлектрика, значительно снижают электрическую прочность литой эпоксидной изоляции, находящейся в слабонеоднородном электрическом поле, не только при длительном, но и кратковременном воздействии напряжения промышленной частоты. Наиболее резкое снижение наблюдается при превышении хотя бы одного из следующих параметров: размера газовых включений — 300 мкм, их концентрации — 102 см-3, интенсивности частичных разрядов 20 — 50 пКл.

Зависимость электрической прочности от времени воздействия напряжения при различной вероятности пробоя, а также максимальный размер газовых включений в объеме диэлектрика могут быть рассчитаны с помощью предложенных соотношений.

4. Экспериментальная и аналитическая зависимости напряженности возникновения частичных разрядов в пленочно-элегазовой изоляции от радиуса провода, давления элегаза, толщины изоляции и отдельных пленок.

5. Конструктивные и технологические способы обеспечения максимального напряжения перекрытия полимерных изоляционных конструкций в элегазе: уменьшение максимальной напряженности электрического поля на поверхности (не менее чем на 10 — 20% по сравнению с максимальной напряженностью в газовом промежутке); глубокое снижение напряженности поля в зоне соединения твердого диэлектрика и токоведущих элементов (примерно в 5 —10 раз); для изоляционных конструкций постоянного тока — минимизация нормальной составляющей напряженности электрического поля на поверхности диэлектрика, максимальное выравнивание тангенциальной составляющей поля и проводимости диэлектрика вдоль поверхности; исключение возможности появления на поверхности изоляторов свободных или фиксированных металлических частиц размером более 20 мкм.

6. Технологические основы обеспечения качества и надежности эпоксидных изоляторов: в процессе производства — исключение появления газовых и металлических включений путем выбора параметров режима изготовления, удовлетворяющих предложенным условиям и специально разработанной технологии обработки поверхности металлической арматуры, а также для изоляторов постоянного тока — механической обработки поверхностного слоя; в процессе монтажа — очистка внутренних объемов и поверхности изоляторов согласно разработанным требованиям; в процессе испытаний — измерение частичных разрядов и испытания повышенным напряжением в соответствии с предложенными методами.

Апробация работы

Апробация работы осуществлялась путем практической реализации предложенных технических и технологических решений в элегазовой аппаратуре на напряжение 110 — 1150 кВ (см. Часть 6 данной работы).

Результаты работы докладывались также на 23 конференциях, совещаниях и симпозиумах (из них 13 — международных):

Заседание V секции Научного Совета АН СССР, Ленинград, 1974 г.;

Заседание IV секции Научного Совета АН СССР «Электрофизические проблемы старения, долговечности и надежности электрической изоляции при воздействии высоких электрических полей», Томск, 1975 г.;

22-я Международная конференция по высоковольтной технике в г. Ильменау (ГДР), 1977 г.;

Всесоюзное научно-техническое совещание по проектированию и строительству ЛЭП в условиях высокогорья, Фрунзе, 1976 г.;

6-я Международная конференция по газовым разрядам и их применениям, Лондон, 1980 г.;

Конференция СИГРЭ — Международная конференция по крупным высоковольтным энергосистемам, Париж, 1982г.;

Всесоюзное научно-техническое совещание «Состояние и перспективы развития электрической изоляции», Сверд ловск, 1987 г.;

5-й Международный симпозиум по высоковольтной технике, Брауншвейг, 1987г.;

Всесоюзное научно-техническое совещание «Повышение надежности и технического уровня высоковольтных коммутационных аппаратов», Москва,

1988 г.;

9-я Международная конференция по газовым разрядам и их применениям, Венеция, 1988 г.;

Научно-техническая конференция по высоковольтной аппаратуре. Интер-электро, Тольятти, 1988 г.;

Всесоюзный семинар по высокочастотному пробою газов, Тарту, 1989 г.;

6-й Международный симпозиум по высоковольтной технике, Новый Орлеан,

1989 г.;

Симпозиум «Теоретические и электрофизические проблемы повышения надежности и долговечности изоляции сетей с изолированной и резонансно-заземленной нейтралью», IV секция Научного Совета АН СССР, Таллинн, 1989г.;

Научно-технический семинар «Новые комплектные электротехнические устройства», Москва, 1990 г.;

Международная конференция по разрядам и высоковольтной технике, Теджон (Республика Корея), 1993 г.;

III Симпозиум «Электротехника 2010», Звенигород, 1995 г.;

Международная конференция по разрядам и высоковольтной технике, Теджон (Республика Корея), 1996 г.;

VIII Собрание Ассоциации «ТРАЮК», Москва, 1998 г.;

Конференция СИГРЭ — Международная конференция по крупным высоковольтным энергосистемам, Париж, 1998 г.;

Открытая научно-техническая конференция «Оценка технического состояния электрооборудования энергосистем и определение перспективной работы ЕЭС России», РАО ЕЭС России, Москва, 1999 г.;

V Симпозиум «Электротехника 2010», Моск. обл, 1999 г.

IX Собрание Ассоциации «ТРАВЭК», Москва, 2000 г.

Публикации., По теме диссертации опубликовано 55 печатных работ, в том числе 8 авторских свидетельств.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Результаты исследования также позволяют сделать вывод, что для индикации поверхностных дефектов использование электрических схем измерения частичных разрядов не является достаточно эффективным даже при чувствительности измерений 1 пКл. Это связано с тем, что емкость поверхностных дефектов, шун-' тируемая при частичных разрядах, меньше, . Более эффективна оптическая техника типа фотоэлектронных умножителей [23]. Измерения показывают, что в данном случае чувствительность оптического метода позволяет регистрировать поверхностные частичные разряды, соответствующие измерениям электрическим методом на уровне 0,01 пКл.

Определение четкой аналитической зависимости электрической прочности ЛЭИ от времени воздейс твия напряжения, выполненное в данной работе, а также малая вероятнос ть развития дендритов в компаунде, находящемся в слабонеоднородном электрическом поле (вследствие высокой средней напряженности электрического поля, которая практически сразу при появлении канала разряда приводит к полному пробою), позволяют эффективно испытывать эпоксидные изоляторы элегазовых высоковольтных устройств повышенным напряжением:

Проведенные исследования дали возможность оценить необходимые значения испытательного напряжения и времени их воздействия дли литых изоляторов оборудования переменного напряжения с помощью следующего соотношения [6]:

1 1 N О ( \ тисп О тэкс

1 V л 1 то ) где т0 — время воздействия напряжения при испытаниях плавным подъемом напряжения; 11 н р — наибольшее рабочее напряжение; тисп —длительность испытаний;т .зкс расчетное время эксплуатации.

Полученные на основе соотношения (19) нормированные испытательные воздействия для эпоксидных изоляторов аппаратов переменного напряжения приведены в табл. 3.

Заключение

Проведенные исследования и разработанные в диссертации технические и технологические решения по внутренней изоляции газонаполненного оборудования сверхвысокого и ультравысокого напряжения представляют собой новое достижение в области создания компактного и высоконадежного подстанцион-ного оборудования.

При этом получены следующие результаты: .

1. На основе анализа испытаний и опытно-промышленной эксплуатации первых образцов элегазового оборудования на номинальное напряжение выше 220 кВ выявлены принципиальные особенности характеристик внутренней изоляции в аппаратах сверхвысокого и ультравысокого напряжения, определяющие работоспособность и надежность такой аппаратуры.

2. Разработаны научно-обоснованные методы анализа и координации электрической прочности внутренней изоляции элегазового оборудования как комплексной системы - - газа, полимеров, поверхности их раздела и комбинированной пленочно-элегазовой изоляции.

3. Выявлены причины аномального снижения пробивных напряжений в эле-газовой изоляции разъединителей сверхвысокого напряжения, разработаны физическая модель, критерии возникновения лидера в такой изоляции, а также метод расчета электрической прочности изоляции указанных аппаратов с учетом лидерного характера электрического разряда, определены основные особенности выбора допустимых напряженностей электрического поля в элегазовом оборудовании ультравысокого напряжения.

Показано, что если значение приведенной к единице давления напряженности начального периферийног о электрического поля на расстоянии 0,6 — 0,7 мм от поверхности расположенного на электроде микровыступа меньше 45 В/Па • м, то в области исследованных параметров напряженность возникновения лидера не зависит ни от произведения давления газа на высоту выступа, ни от степени неоднородности электрического поля.

Анализ электрической прочности элегазовой изоляции разъединителей сверхвысокого напряжения должен осуществляться в два этапа: прежде всего, следует оптимизировать электрическое поле в условиях отсутствия разряда между контактами, а затем провести расчет изоляции при возникшем разряде для исключения радиально направленного лидера в соответствии с предложенным методом.

4. В результате проведенных статистических исследований электроизоляционных характеристик литых эпоксидных компаундов, как основных конструкционных изоляционных материалов, применительно к условиям их работы в оборудовании сверхвысокого напряжения показано, что электрическая прочность литой эпоксидной изоляции определяется «активным» объемом диэлектрика—областью, в которой напряженность электрического поля составляет не менее 85% от максимальной напряженности в компаунде.

Электрическая прочность при длительном воздействии напряжения и разной вероятности пробоя может быть рассчитана с помощью предложенного соотношения, учитывающею нижний предел электрической прочности и соответствие функции распределения времени до пробоя экстремальному закону Вейбулла.

5. Выявлены закономерности влияния различных структурных неоднород-ностей и технологии изго товления литой эпоксидной изоляции на ее электрическую прочность, а также разработан метод выбора рабочих напряженностей электрического поля внутри эпоксидного компаунда с учетом особенностей серийного производства.

Максимальный размер газовых включений можно оценить по предложенному соотношению, учитывающему давление окружающего газа в процессе изготовления, вязкость компаунда, высоту запивки и время нахождения компаунда при различном давлении газа.

В области малых концентраций газовых включений (менее 102— 103 см-3) резкое ухудшение электроизоляционных характеристик литой эпоксидной изоляции наблюдается, если газовые включения имеют размер более 300 мкм, причем интенсивность частичных разрядов в этом случае, как правило, превышает 20 — 50пКл.

С увеличением концентрации газовых включений более чем 102 см~3, даже при интенсивности частичных разрядов менее 20 пКл, электрическая прочность литой эпоксидной изоляции как при кратковременном воздействии напряжения, так и длительном, значительно снижается.

6. На основе проведенных исследований электроизоляционных характеристик и механизма пробоя элегаза вблизи поверхности полимерных изоляторов определены конструктивные и технологические условия обеспечения максимального напряжения перекрытия этих изоляторов.

Изоляторы для элегазового оборудования сверхвысокого напряжения промышленной частоты должны иметь напряженность электрического поля на по-, верхности не более 80%, а в месте соединения твердого диэлектрика и высоковольтных электродов - не выше 10 — 20" » от максимальной напряженности в промежутке. Для изоляторов постоянного тока дополнительно требуется обеспечить минимизацию нормальной составляющей и максимальную равномерность распределения танг енциальной составляющей напряженности электрического поля вдоль поверхности изоляторов.

Максимальное напряжение перекрытия наблюдается в случае отсутствия на поверхности изоляторов металлических частиц размером более 20 мкм.

Наиболее опасным режимом для элегазовой изоляции вблизи поверхности полимерных изоляторов, применяемых в оборудовании постоянного тока, является реверс полярности после длительного стационарного воздействия напряжения.

7. Созданы технологические основы обеспечения качества внутренней изоляции газонаполненной высоковольтной аппаратуры и ее соответствия расчетным электроизоляционным характеристикам на этапах не только монтажа и испытаний, но и в процессе изготовления.

Степень обработки поверхности электродов и очистки внутренних объемов элегазовых аппаратов должна исключать появление фиксированных или свободных металлических частиц размером более 20 мкм.

Параметры режима изготовления литых эпоксидных компаундов должны быть выбраны таким образом, чтобы расчетный максимальный размер газовых включений, определенный по предложенному соотношению, не превосходил 10 мкм.

Значительное увеличение электрической прочности литой эпоксидной изоляции достигается специальной обработкой поверхности внутренней металлической арматуры перед основной заливкой компаундом.

Испытания повышенным напряжением наряду с измерением интенсивности но-элегазовой изоляции и квазиоднородных электрических полей // Сборник докладов «Теоретические и электроизоляционные проблемы повышения надежности и долговечности изоляции сетей с изолированной и резонансно-заземленной нейтралью», IV секция НТС АН СССР, Таллинн, 1989, с. 110—111.

20. Бортник И.М., Вариводов В.Н., Вольпов Е.К.,Кондратов О.И. О влиянии заряда изолятора на электрическую прочность изоляционных конструкций газонаполненных высоковольтных устройств постоянного напряжения // Электротехника, 1989, № 2, с. 21 — 25.

21. V. Varivodov, Е. Volpov. Study of the SF6 /ероху insulation properties at high direct stress // Sixth International Symposium on high voltage engineering. New Orleans, LA, USA, August 28 — September 1,1989.

22. V. Varivodov, A. Demkin. An Approach to the Design of SF6 film Insulation System // Sixth International Symposium on high voltage engineering. New Orleans, LA, USA, August 28 — September 1,1989, rep. 13 — 31.

23. Вариводов B.H., Трипотень И.Г. О дефектоскопии изоляторов ддя газонаполненных аппаратов высокого напряжения // Электричество,1989, № 10, 0.43 — 48.

24. Вариводов В.Н., Вольпов Е.К., Ильенко О.С. Особенности моделирования электрических полей опорных изоляторов элегазовых КРУ постоянного напряжения // Труды ВЭИ «Электрическая прочность изоляции электрооборудования высокого напряжения», 1989, с. 76— 84.

25. Вариводов В.Н., Демкин А.А. Применение пленочной изоляции, пропитанной SF6 для высоковольтных аппаратов // Труды ЮН «Электрическая прочность изоляции электрооборудования высокого напряжения», 1989, с. 91—98.

26. V. Varivodov, Song Ki-Dong, Cho-Yun-Ok. An approach to the development of Puffer Interruptors for SF Circuit Breakers // Discharge and High Voltage Group Conference. The Korean Institute of Electrical Engineering, 1993.

27. Вариводов B.H., Волкова O.B., Ковалев В.Д., Козлов В.Б., Корявин А.Р., Остапенко Е.И. Перспективы создания нового поколения электрооборудования 1150 кВ, обеспечивающего высокий уровень надежности//Электротехника, 1996, №8,10—16.

28. V. Borin, V. Varivodov, Hyeong-Ho-Lee. Dielectric Strength of SF6 Insulation in EHV Disconnectors II IEEE Trans, on Dielectrics and Electrical Insulation V. 4, № 1, February, 1997,p. 102— 107.

29. Белкин Г.С., Вариводов B.H. Состояние и перспективы развития коммутационной аппаратуры высокого напряжения // Открытая научно-практическая конференция, «Оценка технического состояния электрооборудования энергосистем и определение перспективной работы ЕЭС России», РАО ЕЭС России. Москва, 1999, с. 49—51.