Резонансные явления в высоковольтных вводах с твердой полимерной изоляцией

Данная статья посвящена исследованию мало изученных резонансных явлений в высоковольтных вводах, проявляющихся в процессе эксплуатации при высокочастотных импульсных воздействиях, в первую очередь, во вводах с твёрдой полимерной изоляцией. Для определения резонансных частот проведены измерения ёмкости и индуктивности, а также амплитудно-частотных характеристик вводов с RIP-изоляцией на классы напряжений 35, 110, 220, 330, 500 кВ. Предложены мероприятия, направленные на повышение надёжности работы высоковольтных вводов с твёрдой полимерной изоляцией.

Ключевые слова: высоковольтный ввод, твёрдая полимерная изоляция, резонанс, высокочастотное импульсное напряжение, RIP-изоляция.

В настоящее время в эксплуатации получили широкое распространение высоковольтные вводы с твёрдой полимерной изоляцией типа RIP. Изоляционный материал таких вводов, созданный на основе электроизоляционной бумаги и эпоксидного компаунда, обладает высокими электроизоляционными и механическими характеристиками, высокой химической и термической стойкостью, высокой стойкостью к действию частичных разрядов (ЧР). Применение таких вводов даёт возможность существенно снизить риски в эксплуатации, связанные с возникновением взрывов и пожаров маслонаполненного трансформаторного оборудования и опасных воздействий на окружающую среду.

Вместе с тем, выход из строя именно таких вводов как отечественного, так и зарубежного производства наблюдается в ряде случаев в период первых лет эксплуатации. Такая повреждаемость связана с недостаточной изученностью процессов и свойств, присущих данному виду изоляции и проявляющихся в условиях эксплуатации.

В значительной степени проблема надёжности высоковольтных вводов с твёрдой полимерной изоляцией определяется отсутствием в нормативно-технических документах ряда критериев, разработка которых должна быть направлена на получение более полной и достоверной информации для оценки их работоспособности. Необходимо подчеркнуть, что в результате фундаментальных научных исследований процессов в бумажно-масляной изоляции и её свойств были определены допустимые испытания и рабочие характеристики изоляции. В дальнейшем эти данные с учётом опыта эксплуатации энергосистем, наладочных организаций и ремонтных заводов становились основой для нормативных и регламентирующих документов, определяющих требования к изоляции вводов. Подобных исследований по объёму и содержанию для вводов с твёрдой полимерной изоляцией отечественными производителями не проводилось, а результаты многолетних исследований зарубежных фирм по этой тематике не публикуются в открытых изданиях и являются их коммерческой тайной.

Данная статья посвящена исследованию мало изученных резонансных явлений, проявляющихся в процессе эксплуатации при высокочастотных импульсных воздействиях в первую очередь во вводах с твёрдой полимерной изоляцией и сопровождающихся, в ряде случаев, выходом из строя оборудования.

К числу наиболее опасных высокочастотных импульсных воздействий, определяющих электрическую прочность изоляции вводов, относятся атмосферные и внутренние перенапряжения в электрических системах. Эквивалентная частота, характеризующая процесс в пределах фронта волн при грозовых перенапряжениях, в 10⁴ раз больше промышленной частоты [1]. В последнее время расширилось применение комплектных распределительных устройств с элегазовой изоляцией (КРУЭ). На высоковольтных подстанциях, снабжённых КРУЭ и имеющих кабельные связи, наблюдаются высокочастотные воздействия (перенапряжения с частотами до 10 МГц и более) на электротехническое оборудование, возникающие при коммутациях элегазовых выключателей со срезами токов [2].

Нормированные испытательные напряжения грозовых и коммутационных импульсов установлены в [3]. При этом следует подчеркнуть, что приёмосдаточные испытания, которым подвергается каждый ввод на соответствие требованиям в части электрической прочности изоляции, по нормам МЭК более жёсткие [4], чем в российском стандарте [5]. В соответствии с [5], приёмосдаточные испытания включают испытания одноминутным напряжением промышленной частоты 50 Гц в сухом состоянии, в [4] помимо этого включены также испытания грозовыми импульсами.

Для анализа переходных электромагнитных процессов во вводах с неоднородной конденсаторной изоляцией наиболее общая модель изоляции представляет собой каскад из П-секций, параметры и число которых определяются длиной и диаметром обкладок [6].

П-образная модель секции конденсаторной изоляции не отражает процессов проводимости в слоях диэлектрика, обусловленных сопротивлениями утечки диэлектрика и активными составляющими сопротивлений обкладок. Поэтому схема на рис. 1 должна быть дополнена активными сопротивлениями в виде сопротивлений, параллельно соединённых с ёмкостями С₁₂ и последовательно - с индуктивностью L.

Как указано в [7], нередко удаётся проанализировать перенапряжения в схемах с помощью простейшего колебательного контура с параметрами r, L, С.

Для повышения надёжности работы высоковольтных вводов с твёрдой полимерной изоляцией типа RIP необходим комплексный подход, включающий:

· создание физико-химически совместимого композиционного материала, устойчивого к действию ЧР и обладающего необходимой пластичностью, который должен быть испытан на долговременную стойкость к частичным разрядам (на радиационную стойкость по ГОСТ 27603 и ГОСТ 11262 [13-15]);

· применение для изготовления уравнительных обкладок материала, имеющего минимально возможное электрическое сопротивление;

· разработку рекомендаций по подавлению резонансных явлений.

Выводы

1.В высоковольтных вводах с твёрдой полимерной изоляцией типа RIP в эксплуатации могут иметь место резонансные явления, приводящие к микропробою изоляции, что может вызвать повреждение остова ввода и возникновение силовой электрической дуги на частоте 50 Гц под рабочим напряжением.

2.Конструкция ввода с твёрдой полимерной изоляцией типа RIP должна быть разработана с учётом снижения вероятности возникновения резонансных явлений.

Список литературы

1. Базуткин В. В., Дмоховская Л. Ф. Расчёты переходных процессов и перенапряжений. М.: Энергоатомиздат, 1983.

2. Ковалев В. Д., Макаревич Л. В. Перспективные разработки высоковольтного электротехнического оборудования. - ЭЛЕКТРО. Электротехника, электроэнергетика, электротехническая промышленность, 2010, № 1.

3. ГОСТ 1516.3-96. Электрооборудование переменного тока на напряжения от 1 до 750 кВ. Требования к электрической прочности изоляции. М.: Изд-во стандартов, 1998.

4. 60137: 1995. Insulated Bushing for Alternating Voltages Above 1000 V.

5. ГОСТ 10693-81. Вводы конденсаторные герметичные на номинальные напряжения 110 кВ и выше. Общие технические условия. М.: Изд-во стандартов, 1981.

6. Raghu Ram A., Amarnath J., Kavakshiah S. Estimation of Fast Transients over Voltages on Bushing connected in GIS.- International Journal of Engineering Science and Technology (IJEST), 2012, February, v. 4.

7. Долгинов А. И. Техника высоких напряжений в электроэнергетике. М.: Энергия, 1968.

8. Калашников Э. Г. Курс общей физики: электричество. М.: Наука, 1977.

9. Основы теории цепей / Зевеке Г. В., Ионкин П. А., Нетушил А. В., Страхов С. В. М.: Энергоатомиздат, 1989.

10. РД 153-34.3-35.125-99. Руководство по защите электрических сетей 6 - 1150 кВ от грозовых и внутренних перенапряжений. СПб.: Изд-во ПЭИПК, 1999.

11. Simulation of Capacitively Graded Bushing for Very Fast Transients Generated in a GIS during Switching Operations / Rao M. M., Rao T. P., Ram S. S., Singh B. P. - Journal of Electrical Engineering, 2008, No. 1, v. 3.

12. Modeling and measurements of VFT properties of a Transformer to GIS Bushing / Johansson K., Gflfvert U., Eriksson G., Johansson L. - CIGRE-2010, p. A2-302.

13. Принципы оптимизации состава компаундов для изготовления остовов высоковольтных вводов с RIP-твёрдой изоляцией / Селиверстов А. Ф., Комаров В. Б., Ершов Б. Г., Лютько Е. О., Короткова М. П., Львов М. Ю., Кассихин С. Д., Климашевский И. П., Сипилкин К. Г., Славинский А. 3., Львов Ю. Н. - Материалы IX Международного симпозиума "Электротехника 2030", 2007, 29 - 31 май, доклад 4-50.

14. ГОСТ 27605-88. Материалы электроизоляционные. Классификация по радиационной стойкости. М.: Изд-во стандартов, 1988.

15. ГОСТ 11262-80. Пластмассы. Метод испытания на растяжение. М.: Изд-во стандартов, 1986.