Оценены воздействия на электрооборудование сверхвысокого напряжения при уровнях ограничения коммутационных перенапряжений до 1,6 Uф. Определены основные габаритные размеры внешней изоляции электрооборудования исходя из требований по электрической прочности в сухом состоянии, под дождем, в условиях загрязнения и увлажнения. Показано, что применение глубокого ограничения перенапряжений позволит снизить габариты внешней изоляции на 25—30%.
УДК 621.316.91.027.3.048:621.316.935
О. В. Волкова, А. Р. Корявая, Е. И. Остапенко, Л. С. Слуцкая
ВНЕШНЯЯ ИЗОЛЯЦИЯ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ СВЕРХ- И УЛЬТРАВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ ПРИ ГЛУБОКОМ ОГРАНИЧЕНИИ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ
Прогресс в области систем защиты от перенапряжений, связанный в первую очередь с созданием нелинейных ограничителей перенапряжений (ОПН), опыт эксплуатации оборудования 1150 кВ с уровнем ограничения коммутационных перенапряжений 1,8 Uф на электропередаче Экибастуз—Кокчетав и экспериментальных стендах, опыт сооружения подстанции 500 кВ Саяно-Шушенской ГЭС с существенно сокращенными фазными и междуфазными воздушными промежутками, изготовление образца трансформатора со сниженным уровнем изоляции (1—6] позволяют перейти к созданию комплекса высоковольтного оборудования 500—1150 кВ со сниженными испытательными напряжениями. Этому способствуют также успехи отечественной промышленности в производстве опорно-стержневых изоляторов и покрышек из фарфора с повышенными электрическими и механическими характеристиками, достижения в разработке, исследованиях, опытно-промышленной эксплуатации изоляторов и покрышек из полимерных материалов со стеклопластиковыми стержнями или цилиндрами и ребрами из силоксановой резины [7].
При разработке изоляторов можно ориентироваться на конструкции с отношением длины пути утечки к строительной высоте для изоляторов из фарфора —2,7, из полимерных материалов—3,1.
В ВЭИ имени В. И. Ленина впервые получены мокроразрядные характеристики изоляционных конструкций в широком диапазоне изменения строительной высоты, конструктивных элементов изоляторов и покрышек, особенностей экранировки, пространственного расположения изоляторов при воздействии коммутационных импульсов, необходимые для определения габаритов изоляции относительно земли и между контактами одного и того же полюса выключателей.
В ряде лабораторий СССР и за рубежом получены экспериментальные данные и разработаны методы расчета, позволяющие надежно определить габариты внешней изоляции аппаратов в сухом состоянии при воздействии коммутационных (КИ) и грозовых (ГИ) импульсов [8—16].
Изложенное позволяет рассчитывать на то, что габариты внешней изоляции аппаратов 500—1150 кВ можно заметно уменьшить без снижения их надежности. Внешняя изоляция аппаратов должна быть надежной при длительном (в течение всего срока службы) воздействии рабочего напряжения, а также при грозовых и коммутационных перенапряжениях. Работоспособность внешней изоляции при этих воздействиях проверяется испытаниями, предусмотренными [17—20]. Испытательные напряжения в соответствии с принципами, изложенными в [18—20], могут быть определены следующим образом.
Испытательное напряжение КИ изоляции:
аппаратов относительно земли
—
остающееся напряжение на защитном аппарате при расчетном токе КИ;
между контактами разъединителя
;
между контактами выключателя
Испытательное напряжение полного грозового импульса (ПГИ) изоляции:
аппаратов относительно земли
— остающееся напряжение на разряднике при расчетном токе ГИ; К1 = 1,25; К2 = 1,1 — коэффициенты, учитывающие соответственно удаление от защитного аппарата и снижение электрической прочности внешней изоляции при ГИ за счет высоты установки оборудования над уровнем моря и повышение температуры до 40° С;
между разомкнутыми контактами разъединителя Uмрт =
между разомкнутыми контактами одного и того же полюса выключателя
.
Таблица 1
* В сухом состоянии и под дождем. ** В сухом состоянии.
Таблица 2
* В сухом состоянии и под дождем. ** В сухом состоянии.
В табл. 1—3 приведены испытательные напряжения КИ и ПГИ внешней изоляции электрооборудования 500, 750 и 1150 кВ при различных уровнях ограничения перенапряжений. При расчете испытательных напряжений ближайшие значения из ряда МЭК для классов 500 и 750 кВ не принимались.
В соответствии с принятым полувероятностным методом координации изоляции испытательное напряжение установлено на уровне 90%-ного выдерживаемого напряжения
(1)
где σ— коэффициент вариации.
Для выбора габаритов изоляции следует определить необходимое 50%-ное разрядное напряжение. Критерием правильности выбора изоляции являются успешные испытания по установленной методике. Выражение (1) справедливо при неограниченном объеме испытаний. В [21] показано, что применительно к методике испытаний внешней изоляции КИ и ГИ, нормируемой ГОСТ 1516.2—76 (допускается 2 перекрытия при 15 приложениях напряжения), коэффициент запаса в выражении (1) должен быть увеличен с 1,3 до 2,2, чем компенсируется риск изготовителя: годная продукция может быть признана негодной и забракована из-за несовершенства методики испытаний.
С учетом изложенного
(2)
Коэффициент о принят равным 6% при КИ и 4% при ГИ. Рассчитанные по выражению (2) 50%-ные разрядные напряжения приведены в табл. 1—3.
Таблица 3
* В сухом состоянии и под дождем. ** В сухом состоянии.
Габариты изоляции определялись на основе разрядных характеристик, полученных при испытаниях изоляционных конструкций импульсами положительной полярности, поскольку именно в этом случае наблюдаются наименьшие разрядные напряжения внешней изоляции.
Габариты изоляции относительно земли определены по кривым рис. 1, на которых представлены зависимости 50%-ных разрядных напряжений в сухом состоянии и при дожде опорных изоляционных конструкций с подножником высотой 2,5—3,5 м при КИ с критической длительностью фронта (1,2) и ГИ (3).
Размеры продольной (внешней) изоляции выключателя определялись по кривым рис. 2, на котором приведены обобщенные зависимости U50%=f(S) продольной изоляции в сухом состоянии (1, 3) и под дождем (2) при КИ с критической длительностью фронта (1, 2), а также 50%-ные разрядные напряжения изоляторов при ПГИ.
Рис. 1
На рис. 3 представлены расчетные и экспериментальные зависимости 50%-ных разрядных напряжений горизонтально расположенных промежутков стержень—стержень (1—4, 6) и экран— экран (5) от высоты Н над заземленной плоскостью при КИ с критической длительностью фронта (1—5) и ГИ (6). Расчетные кривые и большая часть экспериментальных данных, приведенных на рис. 1—3, получены на основании работ, выполненных в ВЭИ имени В. И. Ленина.
Рис. 2
Высота расположения межконтактных промежутков разъединителя и выключателя над землей определялась исходя из габаритов опорной изоляции с учетом подножника высотой 2,5 м. Для определения межконтактного промежутка разъединителей использовались зависимости электрической прочности промежутка стержень—стержень от его длины. Наличие экранов у аппаратов может привести к повышению электрической прочности реальных конструкций.
Габариты внешней изоляции по условиям ее надежной работы в загрязненном и увлажненном состоянии определялись на основании ГОСТ 9920—75 для оборудования нормального исполнения (категория А): для изоляции электрооборудования 500 кВ длина пути утечки составляла 800 см, 750 кВ — 1180 см и 1150 кВ — 1800 см.
При оценке габаритов изоляции оборудования 500—1150 кВ по условиям надежности его работы при длительном воздействии рабочего напряжения отношение длины пути утечки к строительной высоте изоляции для изоляторов и покрышек из фарфора принималось равным 2,7, а из полимерных материалов — 3,1.
Таким образом, на основе имеющихся экспериментальных данных и методов расчета разрядных напряжений изоляционных конструкций можно достаточно обоснованно оценить габариты внешней изоляции оборудования сверх- и ультравысокого напряжения при различных воздействиях и уровнях ограничения грозовых и коммутационных перенапряжений.
Рис. 3
Габариты внешней изоляции аппаратов 500 кВ с изоляцией нормального исполнения приведены на рис. 4, а. Следует отметить, что у выпускаемых аппаратов опорная изоляция составляет 4,4— 5,6 м (меньшая цифра относится к разъединителям РНДЗ-500, большая — к выключателям ВНВ-500), продольная изоляция выключателя— 4,4 м. На рис. 4 кривые 1, 2 — опорная изоляция; 3, 4 — изоляция между контактами разъединителя; 5, 6 (см. рис. 4, а) и 5—10 (см. рис. 4,б) — продольная изоляция полюса выключателя. Кривые 1, 3, 5, 7 относятся к КИ; 2, 4, 6, 8 — к ГИ. Выключатель 500 кВ (см. рис. 4, а) выполнен из двух модулей, 750 кВ (см. рис. 4,б) —из двух (5, б), трех (7, 8) и четырех (9, 10) модулей. Ориентируясь на разработанные в СССР ОПН, можно уменьшить габариты внешней изоляции аппаратов 500 кВ не менее чем на 25% (табл. 4).
Габариты внешней изоляции аппаратов 750 кВ при различных уровнях ограничения перенапряжений и длительном приложении рабочего напряжения для районов с нормальным исполнением изоляции приведены на рис. 4, б, а в табл. 5 эти габариты даны в сравнении с ныне принятыми.
Рис. 4
Таблица 4
Таблица 5
При уровне ограничения коммутационных перенапряжений до 1,7 Uф, а грозовых до 2,1 Uф удается сократить габариты:
опорной изоляции разъединителей 750 кВ (по сравнению с РНДЗ-750) на 25%, выключателей (по сравнению с ВНВ-750) на 60%;
изоляции межконтактного промежутка разъединителя на 20%, выключателя на 30%, межконтактного промежутка одного и того же полюса выключателя на 40%.
Ниже приведены габариты внешней изоляции аппаратов 1150 кВ при уровне ограничения коммутационных перенапряжений 1,6 Uф и ныне принятом 1,8 Uф. Снижение уровня ограничения коммутационных перенапряжений с 1,8 до 1,6 Uф позволит сократить опорную изоляцию аппаратов 1150 кВ примерно на 20%, межконтактный промежуток разъединителя не менее чем на 20%, изоляцию модулей выключателя на 30%, расстояние между контактами полюса выключателя на 40%.
Таким образом, глубокое ограничение перенапряжений в сетях 500—1150 кВ позволит существенно сократить габариты внешней изоляции аппаратов и, следовательно, уменьшить их материалоемкость и улучшить технико-экономические показатели.
* Большая цифра относится к конструкции из 6 модулей, меньшая — из 4.
