5.4.3. КООРДИНАЦИЯ ИЗОЛЯЦИИ И МЕТОДЫ ЕЕ ИСПЫТАНИЙ

5.4.3. КООРДИНАЦИЯ ИЗОЛЯЦИИ И МЕТОДЫ ЕЕ ИСПЫТАНИЙ

Координацией изоляции электрооборудования называется взаимное согласование значений воздействующих напряжений (перенапряжений), электрических характеристик защитной аппаратуры и изоляции оборудования, обеспечивающее надежную работу и высокую экономичность электроустановок. На основе такого согласования для каждого класса напряжения устанавливаются испытательные напряжения промышленной частоты и импульсные испытательные напряжения, которые являются нормой, обязательной к выполнению.

Первые нормативные требования на уровни изоляции оборудования напряжением до 35 кВ были изложены в «Правилах и нормах IX Всесоюзного электротехнического съезда» (1927 г.). В них были нормированы испытания изоляции трансформаторов, вводов и опорных изоляторов только напряжением промышленной частоты.

В 1936 г. в ВЭИ был разработан «Проект норм испытаний электрической прочности изоляции силовых трансформаторов». В нем наряду с испытаниями одноминутными напряжениями промышленной частоты были предложены импульсные испытания трансформаторов напряжением до 220 кВ. Нормы на испытательные напряжения промышленной частоты вошли в ОСТ Наркомтяжпрома № 2514, введенный с 1937 г.

Принципы стандартизации импульсной прочности и уровни изоляции, предложенные МЭЗ и ВЭИ (А.В. Панов, А.В. Сапожников, В.А. Карасёв и др.) были одобрены в 1940 г. на Всесоюзном совещании по трансформаторостроению. Предполагалось согласовать их в течение 1941 г. с заинтересованными организациями и представить на утверждение проект стандарта. Однако в связи с военными условиями пришлось ограничиться выпуском в 1941 г. ГОСТ 1516–42 «Напряжения испытательные и разрядные высоковольтных трансформаторов, аппаратов и изоляторов, предназначенных для установок, связанных с воздушными сетями» без требований к импульсной прочности изоляции.

Взамен ГОСТ 1516–42 в 1961 г. введен ГОСТ 1516–60, разработанный в ВЭИ. Стандарт охватывал нормы и методы испытаний, в том числе импульсным напряжением, электрооборудования 3–220 кВ.

В последующие годы работа по подготовке нового издания стандарта завершилась утверждением ГОСТ 1516–68 со сроком введения в 1969 г. При разработке этого стандарта учитывалась необходимость его сближения с рекомендациями МЭК.

Головной разработчик стандартов — ВЭИ. Нормативные требования, заложенные в стандарты, основываются на теоретических и экспериментальных исследованиях научных лабораторий института. Большой вклад в разработку внесли специалисты МЭЗ, заводов «Электроаппарат» и «Изолятор», ВИТ и др. Автором проекта ГОСТ 1516–68 и предшествовавших выпусков стандарта был А.В. Панов. В подготовке проекта ГОСТ 1516–68 участвовал А.В. Сапожников. Авторы проекта ГОСТ 1516–73 А.В. Сапожников и В.К. Кожухов [5.27].

В настоящее время уровни изоляции электрооборудования напряжением 3–500 кВ нормированы ГОСТ 1516.1,2–76*, который состоит из двух частей. В первой части приведены нормы на испытательные напряжения промышленной частоты и на импульсные испытательные напряжения, а во второй части — методики испытаний. Нормы на испытательные напряжения электрооборудования напряжением 750 кВ регламентированы ГОСТ 20690–75* (звездочки в обозначениях стандартов указывают на продление сроков их действия). Авторами проектов стандартов являются А.К. Лоханин, В.М. Погостин, М.И. Сысоев.

В идеале координация изоляции должна основываться на всесторонних данных о перенапряжениях, электрической прочности изоляции и экономических факторах и должна учитывать статистический характер распределения амплитуд перенапряжений и выдерживаемого изоляцией напряжения. Существующий метод координации изоляции является лишь приближением к указанному идеальному, так как многие из используемых данных неполные или ориентировочные.

Практически одна сторона проблемы координации изоляции заключается в анализе факторов и условий, от которых зависят перенапряжения на зажимах электрооборудования, выборе определенных условий в качестве основы для стандартизации уровней изоляции, нормировании этих уровней — испытательных напряжений электрооборудования. Вторая сторона проблемы — решение вопросов, возникающих в тех случаях, когда условия в отношении воздействия перенапряжений отличаются от принятых для стандартизации. При неблагоприятных условиях задача заключается в изыскании дополнительных средств ограничения перенапряжений до уровня, допустимого при стандартизованных испытательных напряжениях электрооборудования. Наоборот, при благоприятных условиях целесообразно выявлять возможности упрощения защиты от перенапряжений до степени, допускаемой уровнем изоляции электрооборудования.

При разработке норм для электрооборудования напряжением 330 кВ и выше начальная стадия координации изоляции состояла в исследовании технических возможностей ограничения перенапряжений на основе совершенствования схем и методов защиты, а также возможностей создания электрооборудования с требуемыми параметрами, в определении размеров воздушных промежутков, необходимых при том или другом выдерживаемом напряжении.

Перенапряжения, воздействующие на зажимы электрооборудования, определяются защитным уровнем вентильных разрядников. При разработке ГОСТ 1516-(60, 68) в качестве защитного уровня принимались защитные характеристики стандартных грозовых вентильных разрядников — их остающееся импульсное напряжение и пробивное напряжение частотой 50 Гц.

При введении в ГОСТ 1516.1–76 для электрооборудования СВН испытания коммутационным импульсом значение испытательного напряжения этого импульса определялось защитным уровнем при воздействии внутренних перенапряжений и пробивным или остающимся напряжением на защитном устройстве (разряднике или ограничителе перенапряжений) при токе координации.

Используемое для координации изоляции остающееся напряжение представляет собой амплитуду напряжения, возникающую на зажимах разрядника при приложении к нему определенного импульсного тока. Амплитуда этого импульса выбрана с учетом возможных перенапряжений на линии электропередачи данного напряжения, условий набегания импульсных волн на подстанцию. Например, для ряда классов высокого напряжения в качестве защитного импульсного уровня при грозовых перенапряжениях принято остающееся напряжение при импульсе тока с амплитудой 5 кА (10/20 мкс), а для классов СВН — до 10 кА. Защитный уровень ограничителей перенапряжений был принят равным 1,85U_Н.Р/?3, где U_Н.Р — наибольшее рабочее линейное напряжение.

Грозовые перенапряжения на зажимах электрооборудования превышают остающееся напряжение разрядника из-за удаления его от электрооборудования. На остающееся напряжение накладываются обусловленные этим удалением колебания, как правило, значительные. В соответствии с этим основой для определения необходимого уровня изоляции электрооборудования, скоординированного с атмосферными перенапряжениями, являются расчетные перенапряжения, амплитуда которых выше остающегося напряжения разрядника. Расчетные грозовые перенапряжения принимаются многократно воздействующими на изоляцию электрооборудования и условно представляются в виде стандартных полной и срезанной импульсных волн. Амплитуда первой на 10% или несколько больше превышает остающееся напряжение при импульсном токе, принятом при координации изоляции; амплитуда расчетной срезанной волны на 20–25% больше, чем полной.

При срабатывании вентильного разрядника крутого среза импульса не происходит. Принятие в качестве расчетного воздействия не только полной, но также срезанной импульсной волны вызвано необходимостью учитывать возможность крутого среза волн грозовых перенапряжений на случайно ослабленном элементе изоляции подстанции, а также в случае применения трубчатых разрядников или простых защитных искровых промежутков. При срабатывании этих защитных устройств происходит крутой срез напряжения. Учтено также, что изменение напряжения, столь же быстрое, как при крутом срезе импульсов, происходит при повторном зажигании дуги в выключателях.

Включение срезанной волны с крутым спадом напряжения в число расчетных воздействий имеет большое значение для внутренней изоляции трансформаторов (силовых и напряжения) и реакторов. При крутом срезе импульса между элементами обмоток трансформаторов и катушками реакторов могут возникнуть значительно более сильные воздействия, чем при полной волне той же амплитуды. Стойкость изоляции между указанными элементами обмотки по отношению к крутым срезам в эксплуатации может быть проверена только проведением испытания срезанной волной. В ГОСТ 1516.3–96 испытание срезанным грозовым импульсом нормировано только для электрооборудования с обмотками.

Уровень изоляции электрооборудования, стандартизованный в ГОСТ 1516, — это нормированные испытательные напряжения коммутационных импульсов (для электрооборудования напряжением 330 кВ и выше), грозовых импульсов и кратковременное напряжение промышленной частоты, отнесенные к определенным условиям испытания.

Основой для нормирования испытательных напряжений является требование о том, чтобы данное электрооборудование в целом (все элементы его внутренней и внешней изоляции) в эксплуатационных условиях выдерживало грозовые и внутренние перенапряжения, принятые для электрооборудования в качестве расчетных воздействий на его зажимах. Испытательные напряжения выбираются как эквивалент этим перенапряжениям с учетом свойств внутренней и внешней изоляции, обусловливающих различие ее прочности в нормальных условиях испытания и в эксплуатации. При установлении испытательных напряжений внутренней изоляции учитывается снижение ее электрической прочности при перенапряжениях в условиях эксплуатации по сравнению с прочностью при типовом испытании неработавшей изоляции. Для трансформаторов (силовых и напряжения) и реакторов (шунтирующих и заземляющих) принимается во внимание повышение перенапряжений на элементах изоляции обмоток при воздействии импульсов в эксплуатации на возбужденный трансформатор или реактор по сравнению с перенапряжениями при отсутствии возбуждения трансформатора во время проведения импульсного испытания. Для внешней (воздушной) изоляции учитывается снижение разрядных (выдерживаемых) напряжений при атмосферных условиях, возможных в эксплуатации.

Учет перечисленных факторов приводит к выбору неодинаковых испытательных напряжений для внутренней и внешней изоляции данного вида электрооборудования. При этом обеспечивается выдерживание всеми элементами его изоляции перенапряжений принятого расчетного уровня в эксплуатационных условиях, наиболее тяжелых для каждого вида изоляции. В одних и тех же возможных условиях данный элемент изоляции может иметь более высокое напряжение пробоя или перекрытия, чем другой; в других условиях соотношение электрической прочности может быть обратным.

Создание сетей СВН связано с необходимостью ограничения уровней перенапряжений по мере роста номинального напряжения сети, что в первую очередь было связано с более медленным ростом электрической прочности внешней изоляции по сравнению с повышением напряжения сети. Если для сети напряжением 110–220 кВ расчетный уровень внутренних перенапряжений был не ниже 3U_Н.Р/?3, то для сетей напряжением 330, 500, 750 и 1150 кВ было необходимо ограничить его значением 2, U_Н.Р/?3; 2,5U_Н.Р/?3; 2,1U_Н.Р/?3 и 1,8U_Н.Р/?3 соответственно, что обеспечило примерно пропорциональный рабочему напряжению рост длины гирлянды изоляторов.

Снижение уровня изоляции имеет также большое значение для других видов электрооборудования, особенно для силовых трансформаторов сверхвысокого напряжения.

Для отечественной практики создания и развития электропередач УВН (1150 кВ) вопрос о снижении уровня изоляции связан также с самой возможностью разработки электрооборудования этого класса напряжения.

Эффективность снижения уровня изоляции силовых трансформаторов зависит от многих факторов: класса напряжения, количества обмоток, параметров и расположения обмоток на магнитопроводе, стоимости материалов, потерь и пр.

Для трансформаторов напряжением 330–750 кВ каждый процент снижения испытательных напряжений благодаря сокращению изоляционных расстояний позволяет уменьшить полную массу трансформатора на 0,4–0,7% и увеличить мощность при тех же габаритах на 0,6–0,8%.

Предел эффективного снижения уровня изоляции определяется прочностью при кратковременных воздействиях, которой будет обладать изоляция, выбранная только с учетом длительного воздействия рабочего напряжения.

На основании накопленных к настоящему времени знаний о длительной электрической прочности внутренней изоляции можно сделать вывод, что снижение уровня перенапряжений ниже 1,65U_Н.Р/?3 неэффективно.

Уменьшение изоляционных расстояний приводит к увеличению рабочих напряжений в изоляции, что требует рассмотрения координации изоляции относительно длительного воздействия рабочего напряжения. Поэтому снижение испытательных напряжений основывается на совершенствовании не только способов ограничения перенапряжений, но также конструкций изоляции, технологии производства, заводских испытаний, мер по поддержанию необходимого качества изоляции в условиях эксплуатации.

Возможность надежной работы силовых трансформаторов со сниженными уровнями изоляции была подтверждена многочисленным опытом эксплуатации ряда конструкций трансформаторов на напряжение 500 кВ, изготовленных ПО «Запорожтрансформатор» с участием ВИТ и ВЭИ, а также трансформаторов на напряжение 1150 кВ.

Совершенствование методов координации изоляции предполагает и совершенствование методов ее испытаний. Введение для электрооборудования СВН испытаний коммутационными импульсами (ГОСТ 1516.1–76, ГОСТ 20690–75 и ГОСТ 1516.3–96) обеспечило более полную проверку изоляции при воздействии внутренних перенапряжений. Стандартный коммутационный импульс имеет время подъема напряжения до максимума 250 мкс и длительность (время до полуспада) 2500 мкс и обозначается 250/2500. Особо важное значение имело введение испытания напряжением промышленной частоты с измерением частичных разрядов, что позволило выявлять дефекты конструкции и технологии производства изоляции, которые могли быть не обнаружены традиционными кратковременными испытательными воздействиями и выявиться при длительном приложении рабочего напряжения в эксплуатации. Отсюда введение испытаний внутренней изоляции силовых трансформаторов и шунтирующих реакторов длительным (30–60 мин) переменным напряжением при допустимом уровне частичных разрядов 100 пКл. Введены также (ГОСТ 1516.3–96) испытания напряжением промышленной частоты с измерением частичных разрядов для внутренней изоляции трансформаторов напряжения и тока, вводов и изоляции КРУЭ.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.