ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ ПО ЭЛЕКТРОТЕХНИКЕ ПРИ ГОСПЛАНЕ СССР
ВНИИЭМ
Отделение научно-технической информации, стандартизации и нормализации в электротехнике
Павильон "Электротехника" ВДНХ СССР
ВЫСОКОВОЛЬТНЫЕ ВВОДЫ (Доклад на семинаре "Разработка и производство высоковольтной аппаратуры")
1965
Москва
В июле 1965 г. Государственный комитет по электротехнике при Госплане СССР проводит семинар "Разработка и производство высоковольтной аппаратуры".
Настоящий доклад рассылается Отделением ВНИИЭМ с целью широкого ознакомления с материалами семинара.
Предложения и рекомендации по данному докладу просим направлять в оргкомитет семинара (Москва, Е-37, п/я 3016).
УДК 621.315.624
В. Л. Федоров
Государственный научно-исследовательский электрокерамический институт (ГИЭКИ)
Высоковольтные проходные изоляторы - вводы - являются неотъемлемой частью высоковольтного оборудования (трансформаторов, шунтирующих реакторов, масляных выключателей) и применяются как самостоятельный элемент закрытых распределительных устройств.
Серьезные требования предъявляются в отношении электрической и механической прочности вводов, а такие их повышенной эксплуатационной надежности, так как от этого в большой степени зависит надежная и бесперебойная работа линий электропередачи. Этим требованиям лучше всего удовлетворяют вводы герметичных конструкций, выпуск которых освоен в настоящее время большинством лучших зарубежных электротехнических фирм. Герметичные вводы, кроме повышенной надежности, имеют меньшие габаритные размеры и вес, более просты в обслуживании. Поэтому вводы герметичных конструкций в эксплуатации значительно дешевле негерметичных.
Ввод в простейшем виде представляет собой цилиндр из изоляционного материала, вдоль оси которого проходит токоведущий стержень из проводящего материала, а снаружи имеется фланец для крепления изолятора.
Чем выше рабочее напряжение, тем сложнее конструкция изолятора. Для обеспечения его изолирующих свойств поле регулируют в радиальном и аксиальном направлениях с помощью выравнивающих обкладок из проводящего или полупроводящего материала. За счет регулирования поля получают минимальные радиальные размеры и благоприятное распределение напряжения вдоль оси изолятора.
В большинстве случаев, особенно при очень высоких напряжениях, изоляторы должны работать в открытых установках в условиях дождя, снега, пыли, тумана и т. д. При этом изоляцию обычно защищают от атмосферных воздействий фарфоровыми покрышками, что обеспечивает надежную работу изоляторов не только при рабочем напряжении, но и при кратковременных перенапряжениях.
В настоящее время в качестве внутренней изоляции высоковольтных вводов наиболее распространены следующие виды изоляции: I) маслобарьерная, состоящая из минерального масла, разделенного на слои цилиндрами из пропитанной синтетическими смолами изоляционной бумаги с применением уравнительных обкладок или без них; 2) бумажно-масляная (мягкий бумажный диэлектрик), состоящая из изоляционной бумаги, пропитанной минеральными маслами и разделенная на слои обкладками из проводящего или полупроводящего материала и 3) твердая, выполненная намоткой под давлением при повышенной температуре изоляционной бумаги, пропитанной синтетическими смолами и разделенной на слои уравнительными обкладками из проводящего или полупроводникового материала (рис. 1).
Вводы с маслобарьерной изоляцией имеют значительные размеры и вес, но сравнительно просты в изготовлении и эксплуатации. Даже при негерметичном исполнении конструкции вводы с маслобарьерной изоляцией, при правильной их эксплуатации, чем выше рабочее напряжение, тем сложнее конструкция изолятора. Для обеспечения его изолирующих свойств поле регулируют в радиальном и аксиальном направлениях с помощью выравнивающих обкладок из проводящего или полупроводящего материала. За счет регулирования поля получают минимальные радиальные размеры и благоприятное распределение напряжения вдоль оси изолятора.
В большинстве случаев, особенно при очень высоких напряжениях, изоляторы должны работать в открытых установках в условиях дождя, снега, пыли, тумана и т. д. При этом изоляцию обычно защищают от атмосферных воздействий фарфоровыми покрышками, что обеспечивает надежную работу изоляторов не только при рабочем напряжении, но и при кратковременных перенапряжениях.
В настоящее время в качестве внутренней изоляции высоковольтных вводов наиболее распространены следующие виды изоляции: 1) маслобарьерная, состоящая из минерального масла, разделенного на слои цилиндрами из пропитанной синтетическими смолами изоляционной бумаги с применением уравнительных обкладок или без них; 2) бумажно-масляная (мягкий бумажный диэлектрик), состоящая из изоляционной бумаги, пропитанной минеральными маслами и разделенная на слои обкладками из проводящего или полупроводящего материала и 3) твердая, выполненная намоткой под давлением при повышенной температуре изоляционной бумаги, пропитанной синтетическими смолами и разделенной на слои уравнительными обкладками из проводящего или полупроводникового материала (рис. 1).
Вводы с маслобарьерной изоляцией имеют значительные размеры и вес, но сравнительно просты в изготовлении и эксплуатации. Даже при негерметичном исполнении конструкции вводы с маслобарьерной изоляцией, при правильной их эксплуатации, надежно работают в течение десятков лет. Эти вводы в настоящее время не применяются.
Вводы с бумажно-масляной изоляцией имеют значительно меньшие размеры и веса по сравнению с маслобарьерной изоляцией.
Рис.1. Схема изоляционных остовов вводов с изоляциями
а - маслобарьерной; б - бумажно-масляной; в - твердой
Бумажно-масляная изоляция подвержена тепловому пробов. В связи с этим, например, бумага должна иметь минимальное содержание золы, так как в противном случае диэлектрические потери бумаги с повышением температуры увеличиваются. Особенно влияет на увеличение диэлектрических потерь содержание в воде ионов одновалентных металлов. Больше требования предъявляются также и в отношении изоляционных масел. С целью улучшения диэлектрических характеристик и повышения стабильности этих масел из них в процессе старения полностью удаляются ароматические углеводороды и асфальто-смолистые вещества.
Высокие требования предъявляются также в отношении технологии изготовления бумажно-масляной изоляции. Для получения требуемых характеристик применяется сумка при глубоком вакууме и остаточных давлениях, составляющих доли миллиметра ртутного столба. Пропитку изоляции производят также при глубоком вакууме. Эти вводы широко применяются в настоящее время.
Вводы с твердой изоляцией также, как и вводы с бумажно-масляной изоляцией, имеют меньше размеры и вес по сравнению с вводами с маслобарьерной изоляцией. Для таких вводов характерна возможность изготовления части ввода, не работающей на открытом воздухе, без фарфоровой покрышки. Так, например, вводы для трансформаторов часто делают без нижней покрышки и с укороченной нижней частью. Этого достигают за счет выполнения нижней части ввода с краями обкладок, выходящими наружу, в масло трансформатора, т.е. разбивкой нижней части ввода на большее число маленьких промежутков в масле, обладающих большей прочностью. В рассматриваемых вводах сердечник, намотанный из пропитанной синтетическими смолами изоляционной бумаги, работает на воздухе при температуре не ниже + 10°С и относительной влажности воздуха не более 70%.
Вследствие гигроскопичности бумаги для работы на открытом воздухе сердечник защищают фарфоровой покрышкой, полость которой заполняется изоляционным маслом. Масло в этом случае выполняет роль защитной среды и улучшает отвод тепла, возникающего в сердечнике вследствие диэлектрических потерь. Для получения теплоустойчивых вводов с твердой изоляцией бумага и смолы, применяемые для изготовления сердечников, должны обладать возможно меньшими диэлектрическими потерями и малым приростом от температуры.
Кроме того, для изготовления сердечников рассматриваемых вводов требуется специальное технологическое оборудование: лакировальная машина, позволяющая получать равномерное нанесение лака на бумагу, и намоточные станки, обеспечивающие намотку при определенном заданном давлении.
Наибольшее распространение получил метод расчета, при котором изоляционный остов ввода рассчитывается как равноемкостный сердечник, состоящий из ряда последовательно включенных, равных между собой, емкостей. Этот метод расчета характеризуется тем, что расчет производится при постоянной аксиальной напряженности, радиальная же напряженность получается несколько неравномерной. Наибольшие значения радиальной напряженности будут у внутреннего и наружного электродов, а наименьшее значение - в средней части. Толщина слоев при этом также будет неодинаковой: меньшая у наружного и внутреннего электродов и большая - в средней части.
Расчет вводов с маслобарьерной изоляцией по принятой на заводе "Изолятор" и в ОКБ ГИЭКИ методике производится при расчетном напряжении, составляющем
где UСH - выдерживаемое напряжение промышленной частот при плавном подъеме в сухом состоянии.
Число масляных каналов выбирают из расчета, что напряженность на масляном слое не превышает величины, определяемой по эмпирической формуле
где R и r - соответственно наружный и внутренний радиусы масляного канала.
Аномальные размеры остова ввода определяют, исходя из заданной длины соединительной втулки (под установку трансформаторов тока), а также с учетом того, что аксиальные напряженности по воздушной части остова принимаются в пределах 4-5,5 кВ/см и по масляной части - 7-8,5 кВ/см.
При расчете остова ввода с бумажно-масляной изоляцией радиальную напряженность при рабочем напряжении принимают такой величины, чтобы в изоляции не возникала устойчивая ионизация.
Допустимая рабочая напряженность в этой случае определяется по эмпирической формуле
Для изоляционного материала с Е = 4,5 коэффициент К имеет следующие значения; К1 =4,3 - для изоляции с закрытыми металлическими обкладками; К2 = 6,2 - то же, но с полупроводящими обкладками; К3 = 15,2 при выходе из масловскрытых металлических или полупроводящих обкладок. Данные испытания образцов твердой изоляции с применением полупроводящих обкладок показывают, что при толщине слоя порядка 1 мм можно принимать рабочую напряженность, равную 20 кВ/см.
Число слоев в этом случае определяют по формуле, аналогичной для бумажно-масляной изоляции, т.е.
Длину нижней укороченной части остова со вскрытыми обкладками определяют по формуле
где Р - коэффициент запаса, принимаемый равным 1,6 < Р < 2.
В остальном расчет производится аналогично предыдущим расчетам. В ряде случаев необходимо использовать ввод в качестве делителя напряжения. При этом в остов ввода встраивают измерительный конденсатор, емкость которого зависит от величины емкости ввода. С измерительного конденсатора можно снимать напряжение, например, для грубой оценки величины напряжения в линии, а также для питания цепей защиты. В последнее время возникла острая потребность во вводах, предназначенных для работы в сильно загрязненных районах. Нужно отметить, что при отложении на поверхности покрышек различных промышленных загрязнений (например, топочных уносов цементной пыли и др.) и одновременном увлажнении поверхности покрышки, происходит резкое уменьшение разрядного напряжения, которое может достигать рабочего напряжении, т.е. ввод в этом случае будет находиться все время на грани перекрытия. Для увеличения разрядного напряжения по поверхности покрышек прибегали к механическому увеличения их высоты и, следовательно, числа крыльев, не изменяя при этом конфигурации самих крыльев. Такое увеличение покрышек приводило к увеличению поверхностного сопротивления покрышки и разрядного напряжения. Однако в последнее время был проделан ряд исследовательских работ по определению влияния формы крыльев загрязненных и увлажненных покрышек на разрядные напряжения.
Рис.2. Покрышки ввода напряжением 110 кВ
а - с "глубокими пазухами" десяти крыльев (для загрязненных районов); б - с развитой нижней поверхностью десяти крыльев (для загрязненных районов); в - с увеличенным числом (16) крыльев (для загрязненных районов); г - с двенадцатью крыльями (для нормальных районов)
В ОКБ ГИЭКИ были разработаны различные варианты покрышек (рис.2, а,б,в,г), имеющих одинаковые длины пути утечки по ГОСТ 9920-61, но различную конфигурацию крыла. Крылья одних покрышек имели так называемые "глубокие пазухи", а других - сильно развитую нижнюю поверхность.
В ВЭИ имени В.И.Ленина проводили лабораторные испытания этих покрышек при различной степени загрязнения их поверхности портландцементом и одновременном увлажнении поверхности. Испытания показали, что с применением крыльев сложной конфигурации, существенно увеличивается разрядное напряжение вследствие возникновения при этом частичных дуг под всеми крыльями.
У покрышек, имеющих простую конфигурацию крыла, рост разрядного напряжения с увеличением длины изолятора постепенно замедляется, разрядное напряжение с увеличением степени загрязнения снижается в большей степени (рис. 3).
Необходимо отметить, что при использовании покрышек со сложной конфигурацией крыла при более высоком разрядном напряжении получают меньшую высоту покрышки. Это в свою очередь влияет на механические характеристики ввода и облегчает условия создания герметичной его конструкции, так как в этом случае большое значение имеет объем масла внутри ввода.
В настоящее время московским заводом "Изолятор" выпускаются вводы с бумажно-масляной изоляцией на классы напряжений 110-500 кВ. Эти вводы имеют ограниченную защиту масла с помощью гидравлического затвора, представляющего устройство, состоящее из двух сообщающихся в нижней части сосудов. Полость гидравлического затвора наполовину заполнена запирающей жидкостью (трансформаторным маслом),
При защите масла с помощью гидравлического затвора над поверхностью масла в полости ввода имеется некоторое количество воздуха.
Однако по данным НИИПТ гидравлический затвор не предохраняет полностью масло от влияния окружающей атмосферы, а только несколько замедляет процесс увлажнения и окисления. Опыт эксплуатации вводов с гидравлическим затвором показывает, что во вводах происходит старение масла и его периодически приходится заменять.
Радикальным средством, исключающим старение масла во вводах, является полная герметизация ввода, при которой исключается сообщение масла с атмосферой.
Однако герметизировать вводы трудно, вследствие того, что они должны работать при изменении температуры в широких пределах. Так, в открытых установках в большинстве случаев окружающая температура меняется в пределах - 40° - + 40°С. Кроме того, трансформаторные вводы, например, погружаются нижней частью в бак трансформатора, температура масла в верхних слоях которого может достигать 90°С. Кроме того, имеется дополнительный подогрев ввода за счет диэлектрических потерь в изоляции активных потерь в токоведущих деталях ввода и магнитных потерь в деталях, выполненных из магнитных материалов. Таким образом, вследствие указанных выше факторов, температура масла внутри ввода может достигать 80°С.
Коэффициент необъемного расширения масел, применяемых для заполнения вводов, составляет 7,4 х 10. В выпускаемых заводом "Изолятор" вводах на напряжение 110 кВ объем масла составляет порядка 30 л; в вводах на напряжение 220 кВ - порядка 180 л и в вводах на напряжение 500 кВ - 800 л. Поэтому при создании герметичной конструкции ввода необходимо предусмотреть компенсацию температурных изменений объема масла.
Для компенсации температурных изменений объема масла во вводах с бумажно-масляной изоляцией применяют деформируемые элементы, которые обычно выполняются из упругого металла. Внутри деформируемых элементов находится газ ( большей частью азот). При увеличении объема масла во вводе происходит деформация упругих элементов и сжатие газа, находящегося внутри них. Герметичная конструкция рассчитывается таким образом, чтобы при минимальной температуре внутри ввода давление было несколько больше атмосферного, например 0,1 ат. Максимальное давление обычно принимается таким, которое может выдерживать конструкцию ввода и деформирующиеся элементы. Конструкция ввода с уплотнениями выдерживает давление порядка 2,5-5 ат. Максимальное давление, которое могут выдерживать деформирующиеся элементы, зависит от их конструкции. В настоящее время выпускаются деформирующиеся упругие (сильфонные) элементы, которые выдерживают давление до 1,5 и 3 ат.
Сильфонные элементы большей частью помещают в бак давления с полостью, заполненной маслом, который сообщается с вводом при помощи гибкого металлического трубопровода. Бак давления, как правило, не рекомендуется отсоединять от ввода во избежание разрушения его вследствие нагрева от каких- либо источников тепла. В условиях эксплуатации бак давления, например, для трансформаторных вводов, может находиться на расширителе трансформатора. Наиболее целесообразно устанавливать бак давления на уровне верхней части ввода или несколько выше ее с тем, чтобы в случае повреждения сильфонных элементов газ, находящийся внутри них, не попадал в изоляцию.
Для контроля за состоянием системы “ввод - бак давления” на баке давления устанавливают манометр, показывающий давление в системе. Для удобства наблюдения манометр может быть вынесен и установлен в любом месте.
Для оценки нормальной работы системы “ввод - бак давления” к каждому вводу прикладывают график изменения давления в системе в зависимости от температуры окружающей среды (рис.5).
Расчет бака давления сводится к определению количества сильфонных элементов, необходимого для компенсации изменений объема масла внутри ввода в заданном интервале температур, и определению давлений в системе при данных значениях температуры окружающей среды. Этот расчет основан на использовании законов для идеальных газов, и не представляет затруднений.
Примером выполнения вводов с применением баков давления являются вводы на напряжение 500 кВ, двухпроводные вводы на напряжение 220 кВ и вводы на напряжение 110 кВ французской фирмы "Кабль де Лион", установленные на автотрансформаторах мощностью 90000 кВа фирмы "Савуазьенн".
ОКБ ГИЭИ разработаны вводы с баками давления на напряжение 750 и 500 кВ для автотрансформаторов мощностью 417 000 кВА ЛЭП Конаково-Москва, а заводом "Изолятор" изготовлены опытные и опытно-промышленные образцы этих вводов. Разрабатывают также вводы на напряжения 132, 220 и 500 кВ для поставки в ОАР.
Помимо баков давления, возможны и другие конструктивные исполнении герметичных вводов, например, встраивание сильфонных элементов в верхнюю часть ввода. Такое конструктивное исполнение имеет значительные преимущества перед конструкцией ввода с баком давления: отсутствует трубопровод, соединяющий ввод с баком давления, исключается возможность повреждения ввода в случае отсоединения бака давления, значительно упрощаются монтаж ввода в условиях эксплуатации и его транспортировка. Примером такого исполнения является ввод на напряжение 220 кВ и ток 1000 а фирмы "Диэлектра".
Возможны также и другие способы создания герметичной конструкции вводов, например, с использованием эластичной пленки, разделяющей полость ввода, заполненную маслом, от "газовой подушки" над ней.
Компенсация температур от изменений объема масла во вводах с твердой изоляцией, где масло не работает как изоляционный материал, осуществляется следующим образом. Над поверхностью масла оставляют часть воздуха, а верхнюю часть ввода запаивают (мягким припоем). Объем газовой подушки выбирают, исходя из минимального и максимального давлений, приемлемых для данной конструкции ввода и законов для идеального газа. В качестве примера можно отметить вводы с твердой изоляцией швейцарской фирмы "Микафид" на напряжения до 710 кВ (с пониженным уровнем изоляции), вводы французской фирмы "Фибре эт мика" и чехословацкой фирмы "Гумон".
ОКБ ГИЭКИ разработана конструкция вводов с твердой изоляцией на напряжения 110 и 220 кВ герметичного исполнения. Заводами "Изолятор" и "Электроизолит" с участием ВЭИ изготовлены опытные образцы этих вводов, выдержавшие все испытания. В настоящее время направлена в опытную эксплуатацию в одну из энергосистем небольшая партия вводов на напряжение 110 кВ.
Однако промышленный выпуск в СССР таких вводов в настоящее время налажен быть не может вследствие отсутствия специальных намоточных станков и лакировальных машин.
Следует отметить, что в связи с созданием герметичных конструкций вводов особую роль должны выполнять различные уплотнения, в частности, уплотнения с использованием резиновых прокладок. Для обеспечения нормальной работы резиновых прокладок в последнее время широко применяют тарированную затяжку прокладок, получаемую за счет применения стяжных пружин на вводе. Пружины одновременно компенсируют температурные изменения длин деталей ввода, стянутых на трубе, обеспечивая колебание сжимающей нагрузки в определенных допустимых пределах.
В тех случаях, когда тарированную затяжку прокладок выполнить не удается, применяют ограниченное сжатие резиновых прокладок по высоте. При этом резина сжимается до определенного значения давления, при котором не происходит разрушения материала прокладки.
Должны быть предъявлены особые требования к конструкционным материалам вводов герметичного исполнения и, в частности, к сварным и литым деталям. Эти детали не должны иметь пор, через которые происходит утечка масла. Заводы, выпускающие вводы, должны быть обеспечены деталями из высококачественных материалов.
Необходимо отметить следующую особенность вводов для масляных выключателей на большие мощности отключения. Эти вводы работают в условиях динамических нагрузок особенно в моменты отключения выключателем больших токов. При этом не достаточно только эластичной затяжки ввода с помощью пружин. В связи с этим для обеспечения нормальной работы вводов во время отключения больших токов применяется механическое крепление верхней покрышки к фланцу.
Сравнительные характеристики и основные размеры вводов, разработанных СКВ ГИЭКИ, выпускаемых московским заводом "Изолятор", а также вводов, выпускаемых некоторыми иностранными фирмами, представлены в таблице. При сравнении весов отечественных и зарубежных вводов необходимо брать сопоставимые данные. Так, например, зарубежные вводы под установку трансформаторов тока имеют значительно меньший размер, чем это предусмотрено на отечественных вводах. Кроме того, опорные фланцы зарубежных вводов имеют значительно меньшие размеры, чем отечественные. При этом вес вводов увеличивается иногда до 20% от его веса. Следует учесть, что отечественные вводы на напряжение 110 кВ с твердой изоляцией являются опытными образцами, и примерно половину его веса составляет вес фарфоровой покрышки.
Из данных таблицы видно, что отечественные вводы по ряду показателей уступают зарубежным. Особенно это относится к герметизации вводов и объясняется следующим. Вводы в СССР изготовляет в основном завод "Изолятор", выпускающий фарфор и не имеющий механической и технологической базы, необходимой для изготовления герметичных вводов. В связи с этим при разработке вводов учитывают технологические возможности завода.
Для того чтобы отечественная изоляторная промышленность преодолела отставание в производстве высоковольтных вводов, необходимо организовать выпуск герметичных вводов как с бумажно-масляной, так и с твердой изоляциями. Для выпуска таких вводов заводы должны быть оснащены соответствующим технологическим оборудованием, позволяющим производить сушку бумажно-масляной изоляции для вводов при глубоком вакууме, дающим возможность подготовить изоляционное масло и подавать его непосредственно на рабочие места, где осуществляется заливка вводов и пропитка изоляции.
Для выпуска вводов с твердой изоляцией заводы должны быть оснащены лакировальными машинами, позволяющими получать равномерное нанесение смолы на бумагу, и намоточными станками, обеспечивающими при намотки необходимую плотность (до 20 кг/см) на получаемом изделии.
Кроме того, промышленностью должен быть освоен выпуск изоляционных бумаг высокого качества и необходимых размеров по ширине.
Для получения герметичных вводов высокой надежности заводы должны быть обеспечены комплектующими деталями.
Вопрос о количественном соотношении выпуска вводов с бумажно-масляной и твердой изоляциями должен быть рассмотрев компетентной комиссией, составленной из работников Всесоюзного электротехнического института (ВЭИ), Всесоюзного института трансформаторостроения (ВИТ), Свердловского научно-исследовательского электротехнического института (СНЙЭТИ), трансформаторных заводов и других организаций.
Необходимо, чтобы заводы в отдельных случаях изготовляли вводы с маслобарьерной изоляцией.
В связи с проектированием в ближайшие годы линии передачи на напряжение ±750 кВ постоянного тока необходимо остановиться на вопросе разработки и выпуска вводов на напряжение ±400 и ±750 кВ. Согласно предварительным техническим требованиям для оборудования линий передач постоянного тока, разработанных Научно-исследовательским институтом постоянного тока (НИИПТ), высота покрышек для вводов на напряжение 750 кВ составляет 10,4 м. Изготовление вводов с такими размерами покрышек (особенно линейных) в настоящее время невозможно ни на одном из имеющееся заводов. Изготовление этих вводов должен осуществлять завод, оснащенный соответствующим технологическим оборудованием (намоточными станками, вакуумсушильными печами, сборочными стендами и др.) на котором будут производить сборку вводов длиной до 25-30 м.
Кроме того, в связи с предъявлением специфических требований в части испытательных напряжений (испытания длинными волнами трапецеидальной формы, колебательные волны, пульсирующие напряжения и др.) необходимо провести исследовательскую работу по определению допустимых радиальных и аксиальных напряженностей, а также поведения больших воздушных и масляных промежутков по поверхности фарфора при воздействиях указанных в "Предварительных технических требованиях на линейные, трансформаторные и кабельные вводы", выданных НИИПТ.
