Испытательные установки высокого напряжения

• Испытательные установки переменного напряжения

предназначены для получения высокого регулируемого переменного напряжения, необходимого для испытания изоляции. Основным узлом установки является испытательный трансформатор, который отличается от силового трансформатора малой мощностью, кратковременностью работы, малым запасом электрической прочности изоляции.

Испытательные трансформаторы имеют большой коэффициент трансформации и значительную индуктивность рассеяния.

Испытательные трансформаторы большей частью являются однофазными и выполняются в изолирующем корпусе, в металлическом корпусе с одним вводом и в металлическом корпусе с двумя вводами.

а б

Рис. 10.1. Испытательные трансформаторы с одним (а) и двумя (б) выводами высокого напряжения и распределение напряжения вдоль обмотки ВН

Схема с одним выводом (а) позволяет производить испытания оборудования в условиях, близких к эксплуатационным, но зато необходима изоляция вывода на полное напряжение, что приводит к увеличению габаритов трансформатора.

По такой схеме изготавливаются трансформаторы до 500 кВ.

Достоинством схемы с двумя выводами (б) является облегчение изоляции обмотки и выводов ВН в два раза.

По такой схеме изготавливаются трансформаторы до 750 кВ.

Для получения напряжений выше 750 кВ применяют каскадные схемы включения трансформаторов, что дает возможность получать также высокое напряжение трехфазного тока с

Обмотки ВН каскада соединяются последовательно, а питание каждого последующего трансформатора осуществляется через предыдущий.

Упрощенная схема испытательной установки переменного напряжения показана на рис. 10.5:

Т2 – испытательный трансформатор (или каскад трансформаторов); Т1 – регулировочный трансформатор; R1 - защитный резистор

Рис. 10.5. Схема испытательной установки переменного напряжения

• Испытательные установки постоянного напряжения

а

б

Рис. 10.6. Однополупериодный выпрямитель

Схемы умножения напряжения позволяют получить высокое постоянное напряжение от источника с меньшим напряжением и мощностью по сравнению с однополупериодным выпрямителем.

Рис. 10.7. Схема выпрямителя с удвоением напряжения

На рис. 10.7 показана схема с удвоением напряжения, в которой С1 заряжается примерно до амплитудного значения в те полупериоды, в которые вентиль >V1 открыт.

В полупериоды противоположной полярности открывается вентиль V2 и конденсатор C2 оказывается включенным на суммарное напряжение обмотки трансформатора и заряженного конденсатора С1.

При отсутствии нагрузки конденсатор C2 заряжается до двойной амплитуды напряжения трансформатора. В этой схеме обратное напряжение на каждом из диодов равно удвоенной амплитуде напряжения трансформатора.

• Генераторы импульсных напряжений

Испытания изоляции стандартными грозовыми импульсами, имеющими длину фронта 1,2 мкс и длину волны 50 мкс проводят с помощью генераторов импульсных напряжений (ГИН).

Рис. 10.8. Схема четырехступенчатого генератора импульсных напряжений

C1 - основные конденсаторы, FV1-FV5 - шаровые разрядники, R_д демпфирующие резисторы, R2 и C2 - элементы формирования фронта. Расстояния между шарами промежутков FV1-FV4 подобраны так, что их пробивное напряжение немного больше зарядного напряжения. C_П - паразитные емкости оборудования, играющие существенную роль в работе генератора..

Через R зар заряжаются конденсаторы, которые в режиме заряда соединены параллельно. Когда напряжение на шаровом разряднике FV1 достигнет пробивного U_0, разрядники пробиваются и конденсаторы соединяются последовательно. При этом напряжение на выходе ГИН U≈nU0 где n – число ступеней.

На рис. 10.8 красным цветом показан образующийся при формировании импульса контур разряда конденсаторов.

Напряжение 4U₀(или nU₀ при n конденсаторах) называется суммарным зарядным напряжением ГИН.

Другой важной характеристикой ГИН является наибольшее значение запасаемой генератором энергии.

При изменении зарядного напряжения требуется перенастройка искровых промежутков.

• Генераторы коммутационных перенапряжений

Рис. 10.10. Схема генератора коммутационных импульсов

При коммутациях высоковольтных цепей возникают импульсы перенапряжений, имеющие время нарастания до 1000 микросекунд и длительность до полуспада порядка нескольких миллисекунд.

Для испытаний устойчивости изоляции к таким перенапряжениям используются генераторы коммутационных импульсов, построенные по разнообразным схемам. Одна из простейших схем генератора коммутационных импульсов показана на рис. 10.1

Конденсаторы С1 и С2 этой схемы заряжаются от высоковольтного выпрямителя V1. Запуск производится путем подачи поджигающего импульса напряжения на искровой промежуток ИП. После пробоя этого промежутка в двух отдельных контурах L1 C1 и L2 C2 начинаются затухающие колебания. Частоты контуров выбраны таким образом, чтобы f₂=(3..5)f₁

Импульсный трансформатор T2 дополнительно увеличивает напряжение, причем на его вторичной обмотке создается разность напряжений двух контуров (рис. 10.11). Длительность фронта такого импульса немного меньше половины периода второго контура.

Рис. 10.11. Форма выходного импульса генератора

Испытания коммутационными импульсами проводятся аналогично испытаниям грозовыми импульсами.

Стандартными коммутационными импульсами по ГОСТ 1516.2-97 являются апериодический импульс длительностью 2,5 ± 0,5 мс с фронтом 250 ± 50 мкс и колебательный импульс длительностью 7,5 ± 2,5 мс с фронтом 4,0 ± 1,0 мс.

Профилактические испытания изоляции

• Типовые дефекты в изоляции и задачи профилактических испытаний

В процессе эксплуатации на изоляцию воздействуют электрические, механические и тепловые нагрузки, которые вызывают постепенное ухудшение ее свойств (уменьшение сопротивления изоляции, рост диэлектрических потерь, снижение электрической прочности).

Процесс ухудшения свойств называют старением изоляции.

Эти изменения носят, как правило, необратимы и завершаются пробоем изоляции, что ограничивает сроки службы изоляционных конструкций.

Различают четыре процесса старения изоляции:

электрическое старение изоляции под действием электрических нагрузок, приводящих к ионизации и частичным разрядам при большой напряженности электрического поля;

тепловое старение изоляции под действием тепловых нагрузок, приводящих к постепенному разложению или появлению трещин в изоляции;

механическое старение изоляции под действием механических нагрузок, приводящих к возникновению и развитию трещин в твердой изоляции;

увлажнение изоляции - проникновение влаги из окружающей среды.

Основной причиной электрического старения внутренней изоляции являются частичные разряды, то есть разряды, которые распространяются лишь на часть изоляционного промежутка.

Они возникают в ослабленных местах изоляции: в газовых включениях, в местах резкого усиления напряженности поля.

Наибольшую опасность представляют частичные разряды в газовых включениях, так как они возникают при меньших напряжениях, чем разряды в жидких или твердых частях изоляции.

Это объясняется меньшей диэлектрической проницаемостью газового промежутка и соответственно большей напряженностью электрического поля в нем, а также малой электрической прочностью газа по сравнению с твердой или жидкой изоляцией.

Эффективным средством борьбы с частичными разрядами является пропитка изоляции.

Замена воздуха жидким диэлектриком с диэлектрической проницаемостью ε _r>1 увеличивает емкость C_в , снижая напряжение на воздушном включении; кроме того, электрическая прочность жидкого диэлектрика существенно больше электрической прочности газа. Тепловое старение внутренней изоляции возникает за счет ускорения химических реакций при рабочих температурах изоляции ( 60^оС - 130^оС), что приводит к изменению структуры и свойств материалов и к ухудшению изоляции в целом.

Для твердой изоляции из-за теплового старения снижается механическая прочность, что в конце концов приводит к пробою.

В жидких диэлектриках продукты разложения загрязняют изоляцию и снижают ее электрическую прочность.

Для разных видов внутренней изоляции повышение температуры на 10^оС снижает срок службы изоляции вдвое.

Старение изоляции возникает при механических нагрузках на твердую изоляцию. В напряженном материале возникает упорядоченное движение локальных (на молекулярном уровне) дефектов, и за счет этого образуются и увеличиваются микротрещины, в которых возникают частичные разряды, ускоряющие разрушение изоляции.

Кроме перечисленных видов старения на изоляцию воздействуют загрязнения, внешний перегрев, перенапряжения, короткие замыкания.

Влияние этих факторов на характеристики изоляции представлено в табл. 11.1.

Таблица 11.1

Изменение характеристик изоляции в зависимости от воздействующих факторов

Фактор ----- Увлажнение Изменение -----Уменьшение сопротивления. Увеличение емкости. Увеличение tgδ. Повышение температуры. Повышение давления во вводах. Снижение пробивного напряжения трансформ. масла. Изменение химического состава. Частичные разряды.

Загрязнение ---- Уменьшение сопротивления. Увеличение tgδ. Повышение температуры. Снижение пробивного напряжения трансформ. масла. Изменение химического состава. Частичные разряды.

Перенапряжения ---- Пробой изоляции. Частичные разряды.

Перегрев ------ Уменьшение сопротивления. Увеличение tgδ. Повышение давления во вводах. Изменение химического состава. Частичные разряды.

Короткие замыкания ---- Внешние воздействия на изоляцию.

Возникающие в изоляции дефекты подразделяются на:

сосредоточенные (трещины, газовые включения, эрозия, увлажнение небольшого объема изоляции);

распределенные, охватывающие значительный объем или поверхность изоляции.

Для предотвращения аварий необходимо своевременно выявить наличие ослабленной или поврежденной изоляции и восстановить ее.

Это требует систематического контроля за состоянием изоляции.

Мероприятия профилактики изоляции:

-установление типичных для данной изоляции дефектов,

-определение связи между электрическими характеристиками изоляции и возникающими дефектами,

-разработка и применение различных способов определения дефектов и методов восстановления дефектной изоляции.

Профилактические испытания делятся на две группы: р а з р у ш а- ю щ и е и н е р а з р у ш а ю щ и е.

Разрушающие испытания – это испытания повышенными по сравнению с рабочими напряжениями.

Достоинства их – надежное выявление местных дефектов и повреждений в изоляции, которые невозможно обнаружить другими методами.

Недостатки – выход из строя изоляции при наличии дефекта и возможность появления дефектов в результате испытания.

Неразрушающие испытания – это определение наиболее важных характеристик изоляции:

-сопротивления;

-величины и характера изменения токов абсорбции;

-тангенса угла диэлектрических потерь;

-наличия и интенсивности частичных разрядов;

- распределения напряжения по элементам изоляционной конструкции;

-температуры нагрева изоляции и пр.

• Методы неразрушающих профилактических испытаний изоляции

1. Схема замещения диэлектрика

Поведение изоляции при воздействии различного рода напряжения удобно рассматривать с помощью схемы замещения (рис. 11.1).

С_∞- емкость образца, обусловленная его геометрическими размерами и всеми видами быстрой поляризации (электронной, ионной). Эта емкость не зависит от частоты приложенного напряжения.

Сд - дополнительная емкость, обусловленная процессами абсорбции (накопления) зарядов при неоднородностях структуры диэлектрика и дипольной поляризацией.

Сопротивление r означает, что процесс заряда и разряда емкости Сд протекает сравнительно медленно и связан с потерями энергии.

Сопротивление R определяется сквозной проводимостью образца.