УДК 621.315.66.015.5:551.59
М. В. Бурмистров, О. В. Волкова, В. Г. Головня, А. Р. Корявин, В. Д. Мелешенко, Е. Н. Рыжкова
ВЛИЯНИЕ ДОЖДЯ НА ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ ПРОЧНОСТЬ ОПОРНЫХ ИЗОЛЯЦИОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ КОММУТАЦИОННЫХ ИМПУЛЬСОВ
Важнейшей составной частью электрических аппаратов является опорная изоляция, характеристики которой под дождем при воздействии коммутационных импульсов изучены недостаточно. Исследования, выполненные в СССР и за рубежом, охватывают ограниченный круг конструкций, причем большинство экспериментальных данных относится к чисто воздушным промежуткам с различной формой высоковольтного электрода. Так, в работах [1, 2] показано, что при воздействии коммутационных импульсов отношение мокроразрядных напряжений к сухоразрядным при средней разрядной напряженности Еср в сухом состоянии 3,5— 4,5 кВ/см изменяется от 0,7 до 0,98, а при 2,5 кВ/см и менее — от 0,95 до 1,0. Для большинства выпускаемых аппаратов сверхвысокого напряжения характерно Еср=2,2—3,0 кВ/см. Перспективы создания аппаратов со сниженным уровнем испытательных напряжений, тенденция оптимизировать конструкции аппаратов приведут к увеличению
в сухом состоянии. Таким образом, наибольший интерес для исследований представляют опорные изоляционные конструкции с
2,5 кВ/см.
В данной статье исследуется влияние дождя на разрядные характеристики опорных изоляционных конструкций, отличающихся строительной Нстр и фактической Нф высотой, конфигурацией входящих в них изоляторов, высотой подножника h.
Объектами испытаний служили установленные на подножник высотой 0,25—6,2 м с площадью основания (F) 0,04—1,0 м2 опорные изоляционные конструкции с тороидальным экраном диаметром 1 м из трубы радиусом 0,04 м. Строительная высота этих конструкций изменялась от 2,2 до 5,6 м.
Изоляторы, покрышки и конденсаторы, входящие в конструкции, отличались строительной высотой, диаметром, профилем ребер (рис. 1). Испытывались серийно выпускаемые фарфоровые изоляторы КО-110 (см. рис. 1,а), покрышки, конденсаторы ДМР-160 (см. рис. 1,г) и специально изготовленные для экспериментов изоляторы из фарфора № 1—4 (см. рис. 1,б, в, е) и полимерных материалов (см. рис. 1,б). Емкость конденсаторов составляла 620— 720 пФ. В колонке верхние конденсаторы имели большую емкость.
Конструкции испытывались коммутационными импульсами положительной полярности с длительностью фронта, близкой к критической (150—220 мкс), и длительностью импульса до 7000 мкс.
Источником напряжения служил генератор импульсных напряжений ГИН 7,2 МВ. Испытания под дождем проводились в соответствии с требованиями ГОСТ 1516.2—76. При испытаниях определялись 50%-ные разрядные напряжения U0,5, коэффициенты вариации, фактические разрядные напряжения, предразрядные времена. Среднеквадратическая погрешность измерений при определении разрядных напряжений не превышала 2,5%.
Зависимости 50%-ных разрядных напряжений ряда конструкций от высоты подножника иллюстрирует рис. 2. Ниже приведены отношения 50%-ных и минимальных мокроразрядных напряжений 
к сухоразрядным
. Коэффициенты вариации для всех рассмотренных конструкций, как правило, не превышали 6% при испытаниях в сухом состоянии и при дожде.
В ВЭИ имени В. И. Ленина установлено, что максимальная прочность изоляционных конструкций в сухом состоянии достигается, если их перекрытие происходит по воздуху. Анализ фотографий показывает, что характер перекрытия конструкций существенно зависит от условий их испытаний и конструктивных особенностей изоляторов, высоты колонки H и подножника h, а также отношения H/h. При испытании изоляционных колонок в сухом состоянии разряды развивались преимущественно по воздуху (экран — подножник или экран — плоскость). С ростом h наблюдалось незначительное увеличение каскадных перекрытий. В испытаниях под дождем заметно увеличивалось число каскадных перекрытий с ростом h. При h=6,2 м перекрытия конструкций носили преимущественно каскадный характер, а предразрядные времена изменялись в широких пределах (100—3000 мкс).
С различным характером перекрытий конструкций в сухом состоянии и под дождем при увеличении h связано и разное влияние высоты подножника на электрическую прочность колонок в этих условиях. При дожде это влияние существенно меньше, о чем свидетельствуют нижеприведенные данные (h1=0,25 м, h2=6,2 м, F=0,04 м2).
Увеличение высоты подножника с 0,25 до 6,2 м при площади его основания 0,04 м2 позволяет поднять 50%-ные и минимальные разрядные напряжения для подавляющего большинства конструкций в сухом состоянии на 15—20%. Исключение составляет конструкция из двух конденсаторов ДМР. Установленные на подножнике при h2=6,2 м конденсаторы в отличие от покрышек перекрываются преимущественно каскадно, что сопровождается снижением разрядных напряжений колонки в сухом состоянии.
При дожде степень повышения электрической прочности колонок зависит от конструктивных особенностей изоляторов и отношения H/h: если оно равно 1, то в отдельных случаях для конструкций из конденсаторов и их покрышек удается достичь повышения электрической прочности до 15—20%, если же 0,35—0,5, то рост напряжения, как правило, составляет не более 5% или вообще отсутствует.
Влияние площади основания подножника F проверялось на конструкциях из изоляторов КО-110. При ее увеличении с 0,04 до 1 м2 (h=3—6,2 м) разрядные характеристики конструкций из двух изоляторов в сухом состоянии уменьшаются примерно на 10%, а при дожде изменяются в пределах погрешности измерений.
Влияние формы ребра изолятора на разрядные характеристики при нормированном дожде определялось на примере одиночных изоляторов со строительной высотой 2,45—2,65 м или колонок из двух изоляторов со строительной высотой 1,1—1,4 м каждый.
Сравнение характеристик одиночных изоляторов со сложным и переменным профилем ребра свидетельствует, что и в сухом состоянии, и при дожде почти все разряды, независимо от высоты подножника, развиваются по воздуху, поэтому соотношение их 50%-ных разрядных напряжений определяет разница в строительной высоте изоляторов. В процессе испытаний при дожде, когда h=6,2 м, траектория разрядов приближается к поверхности изоляторов, причем если в сухом состоянии конструкций предразрядные времена лежат в пределах 90—280 мкс, то при дожде они достигают 600 мкс, т. е. разряды происходят за амплитудой импульса. При испытаниях изолятора со сложным профилем ребра в нескольких случаях наблюдались перекрытия с экрана до склейки изолятора и далее по его поверхности. Для таких перекрытий характерно существенное увеличение предразрядных времен, достигавшее 2600 мкс.
Сравним разрядные характеристики конструкций из двух различных элементов.
Анализ вышеприведенных данных свидетельствует, что конструкции изоляторов с равной строительной высотой и изоляционной частью (КО-110 и из полимерных материалов) имеют при нормированном дожде практически одинаковые разрядные характеристики при высоте подножника 6,2 м. Конструкции из конденсаторов ДМР-160 и изоляторов с переменным профилем ребра имеют при равной строительной высоте также практически одинаковые разрядные напряжения в сухом состоянии. При дожде разрядное напряжение конденсаторов примерно на 5% выше. Некоторое увеличение разрядных напряжений конструкций из конденсаторов при дожде, по-видимому, связано с большей длиной изоляционной части.
При дожде конструкции из изоляторов с большим наклоном ребра имеют прочность примерно на 10% меньше, чем колонки из изоляторов с переменным профилем ребра при почти аналогичной изоляционной части изоляторов.
Выполненные исследования позволяют сделать следующие выводы:
при воздействии коммутационных импульсов положительной полярности с длительностью фронта, близкой к критической, электрическая прочность опорной изоляции для конструкций со строительной высотой 2,2—5,6 м и высотой подножника 0,25—6,2 м при дожде, как правило, ниже, чем в сухом состоянии;
соотношение между разрядными напряжениями опорной изоляции в сухом состоянии и при дожде определяется строительной высотой входящих в конструкцию изоляторов, параметрами профиля ребер и высотой подножника, на котором установлены колонки;
испытания опорных изоляционных конструкций на классы напряжения 330—750 кВ коммутационными импульсами при дожде не могут быть исключены из нормативных документов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
- Rizk F. А. М. Effect of large electrodes on sparkoves characteristics of air gaps and station insulators // IEEE Trans. Power Appar. and Syst. 1978. Vol. 97, N 4. P. 1224—1230.
- Rizk F. A. M. Influence of rain of switching impulse sparkover voltage of large-electrode air gaps // IEEE PES Winter Meet. N.-Y., 1976. P. 1—8.
