Координация изоляции и методы ее испытаний

Координацией изоляции электрооборудова­ния называется взаимное согласование значений воздействующих напряжений (перенапряже­ний), электрических характеристик защитной аппаратуры и изоляции оборудования, обеспечивающее надежную работу и высокую эконо­мичность электроустановок. На основе такого согласования для каждого класса напряжения устанавливаются испытательные напряжения про­мышленной частоты и импульсные испытательные напряжения, которые являются нормой, обязательной к выполнению.

Первые нормативные требования на уровни золяции оборудования напряжением до 35 кВ были изложены в «Правилах и нормах IX Всесо­юзного электротехнического съезда» (1927 г.). В них были нормированы испытания изоляции трансформаторов, вводов и опорных изоляторов только напряжением промышленной частоты.

В 1936 г. в ВЭИ был разработан «Проект норм испытаний электрической прочности изоляции силовых трансформаторов». В нем наряду с ис­пытаниями одноминутными напряжениями про­мышленной частоты были предложены импульс­ные испытания трансформаторов напряжением до 220 кВ. 11ормы на испытательные напряжения промышленной частоты вошли в ОСТ Наркомтяжпрома № 2514, введенный с 1937 г.

Принципы стандартизации импульсной прочности и уровни изоляции, предложенные МЭЗ и ВЭИ (А.В. Панов, А.В. Сапожников, В.А, Карасёв и др.) были одобрены в 1940 г. на Всесоюзном совещании по трансформаторостроению. Предполагалось согласовать их в течение 1941 г. с заинтересованными организа­циями и представить на утверждение проект стандарта. Однако в связи с военными условия­ми пришлось ограничиться выпуском в 1941 г. ГОСТ 1516-42 «Напряжения испытательные и разрядные высоковольтных трансформаторов, аппаратов и изоляторов, предназначенных для установок, связанных с воздушными сетями» без требований к импульсной прочности изоляции.

Взамен ГОСТ 1516-42 в 1961 г. введен ГОСТ 1516-60, разработанный в ВЭИ. Стандарт охва­тывал нормы и методы испытаний, в том числе импульсным напряжением, электрооборудова­ния 3—220 кВ.

В последующие годы работа по подготовке нового издания стандарта завершилась утвер­ждением ГОСТ 1516-68 со сроком введения в 1969 г. При разработке этого стандарта учиты­валась необходимость его сближения с рекомен­дациями мэк.

Головной разработчик стандартов — ВЭИ. Нормативные требования, заложенные в стан­дарты, основываются на теоретических и экспе­риментальных исследованиях научных лабора­торий института. Большой вклад в разработку внесли специалисты МЭЗ, заводов «Электроап­парат» и «Изолятор», ВИТ и др. Автором проек­та ГОСТ 1516-68 и предшествовавших выпусков стандарта был А.В. Панов. В подготовке проекта ГОСТ 1516-68 участвовал А.В. Сапожников. Авторы проекта ГОСТ 1516-73 А.В. Сапожников и В.К. Кожухов [5.27].

В настоящее время уровни изоляции элек­трооборудования напряжением 3—500 кВ нор­мированы ГОСТ 1516.1,2-76*, который состоит из двух частей. Впервой части приведены нормы на испытательные напряжения промышленной частоты и на импульсные испытательные напря­жения, а во второй части — методики испыта­ний. Нормы на испытательные напряжения элек­трооборудования напряжением 750 кВ регла­ментированы ГОСТ 20690-75* (звездочки в обозначениях стандартов указывают па про­дление сроков их действия). Авторами проектов стандартов являются Л.К. Лоханин, В.М. Погостин. М.И. Сысоев.

В идеале координация изоляции должна ос­новываться на всесторонних данных о перена­пряжениях, электрической прочности изоляции и экономических факторах и должна учитывать статистический характер распределения ампли­туд перенапряжений и выдерживаемого изоля­цией напряжения. Существующий метод коор­динации изоляции является лишь приближением к указанному идеальному, так как многие из ис­пользуемых данных неполные или ориенти­ровочные.

Практически одна сторона проблемы коор­динации изоляции заключается в анализе факто­ров и условий, от которых зависят перенапряже­ния на зажимах электрооборудования, выборе определенных условий в качестве основы для стандартизации уровней изоляции, нормирова­нии этих уровней — испытательных напряжений электрооборудования. Вторая сторона проблемы — решение вопросов, возникающих в тех случаях, когда условия в отношении воздействия перенапряжений отличаются от принятых для стандартизации. При неблагоприятных условиях задача заключается в изыскании дополнитель­ных средств ограничения перенапряжений до уровня, допустимого при стандартизованных испытательных напряжениях электрооборудова­ния. Наоборот, при благоприятных условиях це­лесообразно выявлять возможности упрощения защиты от перенапряжений до степени, допус­каемой уровнем изоляции электрооборудования.

При разработке норм для электрооборудова­ния напряжением 330 кП и выше начальная ста­дия координации изоляции состояла в исследо­вании технических возможностей ограничения перенапряжений на основе совершенствования схем и методов защиты, а также возможностей создания электрооборудования с требуемыми параметрами, в определении размеров воздушных промежутков, необходимых при том или другом выдерживаемом напряжении.

Перенапряжения, воздействующие на зажи­мы электрооборудования, определяются защит­ным уровнем вентильных разрядников. При раз­работке ГОСТ 1516-(60, 68) в качестве защитно­го уровня принимались защитные характеристи­ки стандартных грозовых вентильных разрядни­ков — их остающееся импульсное напряжение и пробивное напряжение частотой 50 Гц.

При введении в ГОСТ 1516.1-76 для электро­оборудования СВН испытания коммутационным импульсом значение испытательного напряже­ния этого импульса определялось защитным уровнем при воздействии внутренних перена­пряжений и пробивным или остающимся напря­жением на защитном устройстве (разряднике или ограничителе перенапряжений) при токе ко­ординации.

Используемое для координации изоляции остающееся напряжение представляет собой ам­плитуду напряжения, возникающую на зажимах разрядника при приложении к нему определен­ного импульсного тока. Амплитуда этого им­пульса выбрана с учетом возможных перенапря­жений на линии электропередачи данного на­пряжения, условий набегания импульсных волн на подстанцию. Например, для ряда классов вы­сокого напряжения в качестве защитного им­пульсного уровня при грозовых перенапряжени­ях принято остающееся напряжение при им­пульсе тока с амплитудой 5 кА (10/20 мкс), а для классов СВП — до 10 кА. Защитный уровень ог­раничителей перенапряжений был принят рав­ным 1.85Uнр/√3, где Uнр — наибольшее ра­бочее линейное напряжение.

Грозовые перенапряжения на зажимах элек­трооборудования превышают остающееся на­пряжение разрядника из-за удаления его от элек­трооборудования. На остающееся напряжение накладываются обусловленные этим удалением колебания, как правило, значительные. В соот­ветствии с этим основой для определения необ­ходимого уровня изоляции электрооборудова­ния, скоординированного е атмосферными пере­напряжениями, являются расчетные перенапря­жения, амплитуда которых выше остающегося напряжения разрядника. Грозовые расчетные пе­ренапряжения принимаются многократно воз­действующими на изоляцию электрооборудова­ния и условно представляются в виде стандарт­ных полной и срезанной импульсных волн. Ам­плитуда первой на 10 % или несколько больше превышает остающееся напряжение при им­пульсном токе, принятом при координации изоляции; амплитуда расчетной срезанной волны на 20—25 % больше, чем полной.

При срабатывании вентильного разрядника крутого среза импульса не происходит. Приня­тие в качестве расчетного воздействия не только полной, но также срезанной импульсной волны вызвано необходимостью учитывать возмож­ность крутого среза волн грозовых перенапряже­ний на случайно ослабленном элементе изоля­ции подстанции, а также в случае применения трубчатых разрядников или простых защитных искровых промежутков. При срабатывании этих защитных устройств происходит крутой срез на­пряжения. Учтено также, что изменение напря­жения, столь же быстрое, как при крутом срезе импульсов, происходит при повторном зажига­нии дуги в выключателях.

Включение срезанной волны с крутым спа­дом напряжения в число расчетных воздействий имеет большое значение для внутренней изоля­ции трансформаторов (силовых и напряжения) и реакторов. При крутом срезе импульса между элементами обмоток трансформаторов и катуш­ками реакторов могут возникнуть значительно более сильные воздействия, чем при полной вол­не той же амплитуды. Стойкость изоляции меж­ду указанными элементами обмотки по отноше­нию к крутым срезам в эксплуатации может быть проверена только проведением испытания сре­занной волной. В ГОСТ 1516.3-96 испытание срезанным грозовым импульсом нормировано только для электрооборудования с обмотками.

Уровень изоляции электрооборудования, стандартизованный в ГОСТ 1516, — это норми­рованные испытательные напряжения коммута­ционных импульсов (для электрооборудования напряжением 330 кВ и выше), грозовых импуль­сов и кратковременное напряжение промышлен­ной частоты, отнесенные к определенным усло­виям испытания.

Основой для нормирования испытательных напряжений является требование о том, чтобы данное электрооборудование в целом (все эле­менты его внутренней и внешней изоляции) в эксплуатационных условиях выдерживало гро­зовые и внутренние перенапряжения, принятые для электрооборудования в качестве расчетных воздействий на его зажимах. Испытательные на­пряжения выбираются как эквивалент этим пере­напряжениям с учетом свойств внутренней и внешней изоляции, обусловливающих раз­личие ее прочности в нормальных условиях ис­пытания и в эксплуатации. При установлении испытательных напряжений внутренней изоля­ции учитывается снижение ее электрической прочности при перенапряжениях в условиях экс­плуатации по сравнению с прочностью при типо­вом испытании наработавшей изоляции. Для трансформаторов (силовых и напряжения) и ре­акторов (шунтирующих и заземляющих) прини­мается во внимание повышение перенапряже­ний на элементах изоляции обмоток при воздей­ствии импульсов в эксплуатации на возбужден­ный трансформатор или реактор по сравнению с перенапряжениями при отсутствии возбужде­ния трансформатора во время проведения им­пульсного испытания. Для внешней (воздушной) изоляции учитывается снижение разрядных (вы­держиваемых) напряжений при атмосферных ус­ловиях, возможных в эксплуатации.

Учет перечисленных факторов приводит к выбору неодинаковых испытательных напря­жений для внутренней и внешней изоляции дан­ного вида электрооборудования. При этом обес­печивается выдерживание всеми элементами его изоляции перенапряжений принятого расчетно­го уровня в эксплуатационных условиях, наибо­лее тяжелых для каждого вида изоляции. В од­них и тех же возможных условиях данный эле­мент изоляции может иметь более высокое на­пряжение пробоя или перекрытия, чем другой; в других условиях соотношение электрической прочности может быть обратным.

Создание сетей СВН связано с необходимо­стью ограничения уровней перенапряжений по мере роста номинального напряжения сети, что в первую очередь было связано с более мед­ленным ростом электрической прочности внеш­ней изоляции по сравнению с повышением на­пряжения сети.

Снижение уровня изоляции имеет также большое значение для других видов электрообо­рудования, особенно для силовых трансформа­торов сверхвысокого напряжения.

Для отечественной практики создания и раз­вития электропередач УВН (1150 кВ) вопрос о снижении уровня изоляции связан также с самой возможностью разработки электрообо­рудования этого класса напряжения.

Эффективность снижения уровня изоляции силовых трансформаторов зависит от многих факторов: класса напряжения, количества обмоток, параметров и расположения обмоток на магнитопроводе, стоимости материалов, потерь и пр.

Для трансформаторов напряжением 330— 750 кВ каждый процент снижения испытательных напряжений благодаря сокращению изоляцион­ных расстояний позволяет уменьшить полную массу трансформатора на 0,4—0,7 % и увеличить мощность при тех же габаритах на 0,6—0,8 %.

Предел эффективного снижения уровня изо­ляции определяется прочностью при кратковре­менных воздействиях, которой будет обладать изоляция, выбранная только с учетом длительно­го воздействия рабочего напряжения.

На основании накопленных к настоящему времени знаний о длительной электрической прочности внутренней изоляции можно сделать вывод, что снижение уровня перенапряжений ниже 1,65^/др/'-уз неэффективно.

Уменьшение изоляционных расстояний при­водит к увеличению рабочих напряжений в изо­ляции, что требует рассмотрения координации изоляции относительно длительного воздейст­вия рабочего напряжения. Поэтому снижение ис­пытательных напряжений основывается на со­вершенствовании не только способов огра­ничения перенапряжений, но также конструкций изоляции, технологии производства, заводских испытаний, мер по поддержанию необходимого качества изоляции в условиях эксплуатации.

Возможность надежной работы силовых трансформаторов со сниженными уровнями изо­ляции была подтверждена многочисленным опытом эксплуатации ряда конструкций транс­форматоров на напряжение 500 кВ, изготовлен­ных ПО «Запорожтрансформатор» с участием ВИТ и ВЭИ, а также трансформаторов на напря­жение 1150 кВ.

Совершенствование методов координации изоляции предполагает и совершенствование ме­тодов ее испытаний. Введение для электрообору­дования СВН испытаний коммутационными им­пульсами (ГОСТ 1516.1-76, ГОСТ 20690-75 и ГОСТ 1516.3-96) обеспечило более полную проверку изоляции при воздействии внутренних перенапряжений. Стандартный коммутацион­ный импульс имеет время подъема напряжения до максимума 250 мкс и длительность (время до полуспада) 2500 мкс и обозначается 250/2500. Особо важное значение имело введение испыта­ния напряжением промышленной частоты с из­мерением частичных разрядов, что позволило выявлять дефекты конструкции и технологии производства изоляции, которые могли быть не обнаружены традиционными кратковременными испытательными воздействиями и вы­явиться при длительном приложении рабочего напряжения в эксплуатации. Отсюда введение испытаний внутренней изоляции силовых транс­форматоров и шунтирующих реакторов длительным (30—60 мин) переменным напряжением при допустимом уровне частичных разрядов 100 пКл. Введены также (ГОСТ 1516-3-96) испытания на­пряжением промышленной частоты с измерени­ем частичных разрядов для внутренней изоляции трансформаторов напряжения и тока, вводов и изоляции КРУЭ.

Дата добавления: 2014-12-25