Показана возможность использования метода критического коэффициента неоднородности электрического поля для оценки минимальной электрической прочности более широкого круга изоляционных конструкций линий электропередачи и подстанций сверх- и ультравысокого напряжения. Проведен сравнительный анализ результатов расчета с опытными данными.
УДК 621.315.61.002.5.015.5
A. P. Корявин
К ОЦЕНКЕ МИНИМАЛЬНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ ИЗОЛЯЦИОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ
В последнее время в практике проектирования изоляционных конструкций сверхвысокого напряжения, особенно на начальных его стадиях, все чаще используются инженерные методы расчета (ИМР). Это сокращает объем экспериментальных исследований и сроки разработки изоляции, а также позволяет прогнозировать габариты внешней изоляции линий электропередачи и подстанций новых классов напряжения.
Одним из наиболее наглядных и простых ИМР является метод критического коэффициента неоднородности электрического поля [1, 2], позволяющий оценивать минимальные разрядные напряжения воздушных промежутков стержень—плоскость, провод—плоскость, кольцо—плоскость, а также вертикального промежутка стержень—стержень. Этот метод может быть использован для расчета электрической прочности таких конструкций, как горизонтальные промежутки стержень — стержень, провод — провод, кольцо — кольцо, а также промежуток кольцо — фундамент. Для этого аналогично [1] воспользуемся уравнением баланса напряжений на промежутке в момент образования сквозной фазы
(1) где
— средние значения напряженности электрического поля в лидерном канале, положительных и отрицательных стримерах соответственно; S — межэлектродное расстояние; lс+, lс_ — длина положительной и отрицательной стримерных зон в начале сквозной фазы.
Согласно имеющимся данным значения
составляют 4,5 и 10 кВ/см, напряженность
определяется в соответствии с [2].
Для определения разрядных напряжений с помощью уравнения (1) достаточно найти значения
. В остальном расчет будет
аналогичен описанному в [1, 2]. Для оценки lс+ воспользуемся приведенными в [1] результатами, из которых следует, что для промежутков со сферическим анодом при данном межэлектродном расстоянии значение lс+ не зависит от размеров, формы и потенциала катода. Проведенный в [1] анализ вполне правомерен и для конструкций с анодом иной формы. Поэтому в расчетах значение lс+ для промежутков с анодами в виде сферы, провода или тороида можно принять равным длине lс+, найденной согласно [2] для промежутков стержень — плоскость, провод — плоскость и кольцо — плоскость по известным для них значениям критических коэффициентов неоднородности электрического поля.
Из [1] следует также, что для оценки значения lс_ можно воспользоваться выражением
(2)
где α — отношение отрицательной составляющей напряжения на одном из электродов
к сумме абсолютных значений напряжений на аноде и катоде
; Р — коэффициент, зависящий от типа изоляционной системы; h— высота расположения электродов над землей (для горизонтальных изоляционных систем) или высота подножника (для промежутка кольцо — подножник.
Для горизонтальных промежутков стержень — стержень и кольцо—кольцо коэффициент β составляет соответственно 0,33 и 0,25, для системы кольцо — подножник при площади основания последнего 1 м2 — 0,2.
Результаты расчета 50%-ных разрядных напряжений U0,5 указанных изоляционных конструкций вместе с экспериментальными данными [3—7], полученными при импульсах с критической длительностью фронта τф.кр, представлены на рисунках а, б, из которых видно, что в широком диапазоне изменения S, h и а расхождение опытных и расчетных данных не превосходит 3—4%.
В ряде случаев длина отрицательной стримерной зоны lc_ может быть оценена без применения формулы (2). Например, для горизонтального промежутка провод — провод с межэлектродным расстоянием S, расположенного на высоте h над поверхностью земли, сумму падений напряжений в общей стримерной зоне, равную согласно [2] напряжению появления главной стадии непрерывного лидера Uг.пр-пр, можно определить с помощью следующих упрощенных выражений, полученных в результате расчета электрического поля в системе провод — провод методом зеркальных изображений при представляющих наибольший практический интерес значениях а:
где Е0 — начальная напряженность электрического поля на проводе;
D = S + 2 rкр — расстояние между осями проводов; rкр — критический радиус провода, соответствующий fкр в промежутке провод — плоскость с тем же межэлектродным расстоянием S.
Длина положительной стримерной зоны в начале сквозной фазы определяется отношением
, а длина отрицательных
стримеров
Отмеченное в [2] хорошее соответствие расчетных значений разрядных напряжений промежутка провод — плоскость с опытными данными [8, 10], полученными при длине провода 10—15 м, дает основание принять в ориентировочных оценках длину L0 ≈ 10 м.
Найденные в соответствии с изложенным расчетные значения 50%-ных разрядных напряжений промежутков провод — провод и провод — плоскость при разных значениях L приведены на рисунках в, г, там же представлены экспериментальные данные [8—13]. Сравнительный анализ показывает, что для рассмотренных изоляционных систем расхождение между расчетными и опытными значениями U0,5 не превышает 4%. Это позволяет считать, что для ориентировочных оценок можно ограничиться учетом лишь статистических закономерностей природы электрического разряда.
Рассмотрим еще один аспект применения ИМР, связанный с расчетом разрядных напряжений промежутков такой длины, для которых экспериментальных данных пока нет. Неверное прогнозирование электрической прочности изоляционных конструкций в этой области S может привести к ошибочным выводам о перспективах использования внешней изоляции. Можно выделить две группы ИМР, призванные оценивать минимальную электрическую прочность изоляционных конструкций, имеющую место при импульсах с τф.кр. Обе группы дают хорошее совпадение расчетных данных с экспериментальными в области относительно небольших межэлектродных расстояний. При больших расстояниях выявляются различные тенденции в характере кривых. Так, например, для промежутка стержень — плоскость длиной более 13 м результаты расчета по одной из групп методов хорошо аппроксимируются линейной зависимостью [13].
В частности, промежуток длиной 21 м испытывался импульсом с длительностью фронта 1100 мкс. При этом, как следует из анализа данных [13], около трети всего времени формирования лидера приходилось на спадающую часть напряжения, т. е. длительность фронта испытательного напряжения примерно в 1,3 раза меньше критической.
Из изложенного можно сделать вывод, что использование выражения (4) приводит к заниженным оценкам значений τф.к.р, а линейное увеличение электрической прочности любой конструкции по мере роста S свидетельствует о применении при испытаниях импульсов с длительностью фронта, отличной от критической.
Приведенный в статье материал дает возможность заключить, что метод критического коэффициента неоднородности электрического поля позволяет с достаточной для практических целей точностью оценивать минимальную электрическую прочность широкого круга изоляционных конструкций, характерных для линий электропередачи и подстанций высокого и сверхвысокого напряжения.
