А.Н. Данилин

ВЫСОКОВОЛЬТНЫЕ ИСПЫТАТЕЛЬНЫЕ

И ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ

Учебное пособие

АПАТИТЫ

2012 г.

Часть I

ВЫСОКОВОЛЬТНЫЕ ИСПЫТАТЕЛЬНЫЕ И ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ

ВВЕДЕНИЕ

Высокие напряжения находят широкое применение во многих отраслях техники и науки. Генерирование, передача и распределение электрической энергии невозможны без применения высокого напряжения. Электрофизические установки, применяемые в различных областях науки и электротехнологий, основанные на использовании сильных электромагнитных полей, также имеют в основе технику высоких напряжений. Это исследования управляемого термоядерного синтеза, получение электроэнергии с использованием магнитогидродинамических генераторов, ускорители заряженных частиц, рентгеновские установки, электроимпульсная обработка материалов и другие отрасли.

Изоляция высоковольтных аппаратов подстанций и электроустановок в условиях эксплуатации подвергается длительному воздействию высокого напряжения, а также кратковременным внутренним и внешним перенапряжениям, которые могут многократно превышать рабочие напряжения. Поэтому изоляция должна иметь заданный запас электрической прочности, который проверяется при всесторонних испытаниях опытных образцов высоковольтных аппаратов и затем периодически в процессе их эксплуатации.

В лекциях рассмотрены нормы испытаний высоковольтных аппаратов, технические методы проведения испытаний, устройства и параметры испытательных устройств, применяемых в различных областях электроэнергетики и электрофизики, а также способы, устройства и методики для высоковольтных и сильноточных измерений.

Данный курс лекций «Испытательные и электрофизические установки высокого напряжения» более десяти лет преподается студентам ПетрГУ и АФМГТУ по специальностям «Высоковольтная электроэнергетика и электротехника» и «Электроснабжение предприятий».

Сведения и материалы, приведенные к курсе лекций, получены из учебников и методических пособий большого числа авторов, которые с 40-х годов прошлого века вели курсы по дисциплинам «Техника высоких напряжений», «Высоковольтные установки», «Высоковольтные измерения», «Электроэнергетика», «Электромагнитная совместимость», «Физика пробоя конденсированных сред», а также книги, брошюры и статьи по специальным высоковольтным генерирующим устройствам и оборудованию, например, «Высоковольтные конденсаторы», «Генерирование мощных наносекундных импульсов» и многие другие. В конце курса лекций приведен перечень основной литературы, из которой почерпнуты сведения.

В течение всего времени преподавания курс дополнялся и изменялся. Причиной этому явились революционные изменения последних десятилетий в области преобразования электроэнергии, высоковольтных измерений, широкого применения мощных управляемых полупроводниковых устройств. Происходит замена аналоговых управляющих и измерительных устройств цифровыми. Это привело к тому, что целые области ранее существовавших методов и систем ушли из электроэнергетики и электрофизики и стали историей.

Я посвящаю этот курс лекций памяти выдающихся электротехников современности, по книгам и учебникам которых я учился и использовал сведения из них в данном курсе лекций. Некоторых из этих великих людей и тружеников я имел счастье лично знать и участвовать под их руководством в решении задач по защите и диагностике высоковольтных аппаратов и сетей. Это Костенко М.В., Тиходеев Н.Н., Александров, Кужекин И. П., Бенедиктов Г.Л. и многие другие.

Приношу благодарность моим коллегам за неоценимую помощь в подготовке материалов, исправления, добавления и редактирование содержания курса:

- доктору технических наук, профессору Ефимову Борису Васильевичу,

- кандидатам технических наук, доцентам В.В. Колобову, М.В. Якубович, В.Н. Селиванову.

ЛЕКЦИЯ 1

I. ВЫСОКОВОЛЬТНЫЕ ИСПЫТАНИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОГО

ОБОРУДОВАНИЯ

1.1. Задачи и методы высоковольтных испытаний. Общие характеристики

испытаний

В ряде дисциплин, в частности, в цикле лекций “Общая энергетика”, приводились стоимостные параметры устройств и аппаратов энергетики, стоимости недоотпуска энергии потребителям, говорилось об экономических последствиях аварийных процессов на ряде производств в связи с внезапным прекращением поступления энергии. Цифры экономических потерь бывают огромны. В ряде случаев от надежного и бесперебойного энергоснабжения зависит жизнь людей и обороноспособность государства.

Надежное, безаварийное и бесперебойное электроэнергоснабжение зависит от большого числа факторов. Одним из главных является высокое качество изоляции электрических аппаратов. В связи с этим, на всех этапах производства и эксплуатации высоковольтных аппаратов важнейшим требованием является контроль состояния изоляции.

Рассмотрим методы испытаний и контроля изоляции высоковольтных аппаратов.

Производимые в научно-исследовательских лабораториях, на заводах изготовителях и в энергосистемах разнообразные высоковольтные испытания изоляционных конструкций и их элементов можно подразделить на следующие основные группы:

1. Поисковые исследования. Их цель: выработка технических условий на вновь создаваемое оборудование, при освоении нового класса напряжения. В них входят:

- исследования механизма развития разряда в воздушных промежутках, вдоль поверхности изоляторов, в толще внутренней изоляции трансформаторов, аппаратов и электрических машин с целью выявления способов повышения электрической прочности и надежности разрабатываемых изоляционных конструкций;

- исследования реагирования создаваемых изоляционных конструкций на основные воздействия напряжения в эксплуатации (рабочее напряжение, грозовые и внутренние перенапряжения);

- реакция изоляционных конструкций на метеорологические факторы: изменения давления, температуры, влажности воздуха, интенсивность и проводимость дождя, туман, роса, иней, мокрый и сухой снег, ветер.

- реакция изоляционных конструкций на загрязнение поверхности изоляции;

- выявление опасных сочетаний перечисленных условий (например, воздействие напряжения и увлажнения загрязненной поверхности).

Таким образом, на основе поисковых исследований определяются технические условия (ТУ), учитывающие опыт эксплуатации аналогичных конструкций, и нормы на типовые испытания, определяющие изоляционную конструкцию.

2.Типовые испытания производятся на головных образцах или на образцах из первой производственной партии с целью оценки соответствия характеристик нового изделия требованиям стандартов и технических условий. На основе этих испытаний производится доработка конструкции или ее полная переработка с целью ликвидации выявившихся отклонений характеристик испытанного образца от заданных ГОСТом или ТУ. Типовые испытания также проводятся полностью или частично в случае изменения конструкции изоляции или технологического процесса изготовления оборудования, а также замены применяемых материалов, если указанные изменения могут снизить электрическую прочность изоляции. Объем испытания устанавливается заводом- изготовителем в зависимости от характера изменений.

3. Контрольные испытания, производятся заводом-изготовителем с целью выявления дефектных изделий в серии разработанного типа. Из партии готовой продукции испытывают несколько образцов изделий. По выработанным критериям, если количество брака превышает допустимый уровень – бракуют всю партию изделий.

4. Приемо-сдаточным испытаниям подвергается каждый образец при выпуске с предприятия-изготовителя. Результаты испытаний заносят в паспорт изделия.

5. Профилактические испытания а также послеремонтные испытания изоляционных конструкций проводятся с целью выявления степени пригодности к дальнейшей эксплуатации. Они проводятся в процессе эксплуатации электрооборудования, целью которых является своевременное выявление развивающихся дефектов, которые могут привести к возникновению аварии. Эти испытания выполняются непосредственно в энергосистемах и имеют целью предотвращение аварийного разрушения (повреждения) изоляционной конструкции в процессе эксплуатации вследствие старения или повреждения ее части. Периодичность таких испытаний может быть уменьшена по сравнению с заданной в инструкции по эксплуатации и задается по результатам испытаний в тех случаях, когда параметры по результатам испытаний начали ухудшаться.

6. Анализ опыта эксплуатации разработанных и находящихся в эксплуатации изоляционных конструкций, который можно отнести к высоковольтным испытаниям и выделить в отдельную группу. Опыт эксплуатации является наиболее объективным критерием работоспособности изоляционных конструкций, поэтому его результаты весьма ценны. В последние годы ему придается все большее значение, поскольку более очевидными становятся ограниченные возможности лабораторных испытаний для воспроизводства всего комплекса воздействий на изоляцию в эксплуатации.

Рассмотрим типовые и приемо-сдаточные испытания оборудования.

К типовым испытаниям относятся испытания:

- напряжением грозового импульса;

- напряжением коммутационных импульсов;

- выдерживаемым напряжением при плавном подъеме в сухом состоянии;

- выдерживаемым напряжением при плавном подъеме под дождем;

- испытание внешней загрязненной и увлажненной изоляции;

- испытание изоляции на стойкость к тепловому пробою;

- испытание оборудования переменным напряжением с измерением радиопомех;

- испытание внешней изоляции на отсутствие видимой короны;

- на стойкость в отношении теплового пробоя;

Кроме того, при испытаниях грозовым или коммутационным импульсами, при плавном подъеме переменного напряжения и при испытаниях загрязненной и увлажненной изоляции могут применяться:

- метод «верх – низ» для определения 50%- ного разрядного напряжения;

- метод разрядного напряжения (для определения выдерживаемого напряжения для испытания самовосстанавливающейся внешней изоляции и испытания между контактами газонаполненных выключателей).

Значения классов, наибольших рабочих и испытательных напряжений для оборудования 3 – 750 кВ в соответствии с ГОСТ 1516.3-96 приведены в Справочниках.

Значения классов U_ном и наибольших рабочих напряжений U_н.р., кВ Таблица 1.1.

Uном	1	3	6	10	15	20	24	27	35	110	150	220	330	500	750
Uн.р.	1,1	3,6	7,2	12	17,5	24	26,5	30	40,5	126	172	252	363	535	787

К приемо-сдаточным испытаниям относятся:

- одноминутные переменным напряжением;

- напряжением полного грозового импульса для внутренней изоляции линейных концов обмоток ВН и СН (высокого и среднего напряжения) силовых трансформаторов и автотрансформаторов класса 750 кВ;

- длительным переменным напряжением с измерением характеристик частичных разрядов для внутренней изоляции трансформаторов и шунтирующих реакторов классов 220 кВ и выше, изоляции вводов на напряжение 110 кВ и выше;

- переменным напряжением с измерением характеристик частичных разрядов для внутренней изоляции конденсаторов связи, вводов классов напряжения 110 кВ и выше, трансформаторов тока, трансформаторов напряжения с твердой изоляцией классов 3 кВ и выше, а также заполненных жидким или газообразным диэлектриком с элементами литой изоляции классов 110 кВ и выше и главных цепей КРУЭ.

Результаты испытаний по всем названным группам должны быть достаточно полными, чтобы можно было давать на их основании объективные заключения и рекомендации. Это обеспечивается количеством повторных испытаний одного образца или соответствующего количества образцов, что необходимо для выявления зоны статистического разброса характеристик однотипных изделий от образца к образцу, а также случайного характера развития пробоя в каждом из них. Поэтому разработка методики и обработка результатов испытаний должны проводиться на основе методов математической статистики с определением средних значений и характеристик их разброса.

Большое значение имеет также правильная организация испытаний. Испытываемая изоляционная конструкция должна устанавливаться таким образом, чтобы воспроизводилась реальная конфигурация электрического поля как в эксплуатации, и исключалось влияние посторонних предметов, искажающих это поле. Опыт показал, что одним из главных условий достоверности испытаний является правильный выбор соотношений испытательного напряжения, габарита испытываемой изоляционной конструкции и размера испытательного поля. Размеры помещения должны такими, чтобы исключить разряды на посторонние предметы в процессе испытаний. Опыты показали, что при наличии влияния посторонних предметов получаются искаженные результаты, как правило, в сторону существенного занижения электрической прочности испытываемых конструкций.

Для конструкций высших классов напряжения проблема oбеспечения неискажающих условий испытаний в лабораторных условиях сложна, т. к. расстояние от испытываемых конструкций до посторонних предметов должна быть по крайней мере в 2 - 3 раза превышать габариты конструкции. Такие устройства испытываются на открытых испытательных стендах с размещением генераторных установок также на открытом воздухе.