5. Координация изоляции с рабочими напряжениями.

Внезапное изменение установившегося режима работы электрической сети приводит к переходным процессам. Как правило, это волны перенапряжения высокой частоты или затухающих колебаний (см. рис. 13, с. J11). Считается, что это волны с малой скоростью нарастания: их частота изменяется от нескольких десятков до нескольких сотен килогерц.

Причины рабочих перенапряжений:

¦  Отключения устройствами защиты (плавкий предохранитель, выключатель) и отключения или включения аппаратуры управления (реле, контактор и т. д.)

¦  Перенапряжения от индуктивных цепей из-за пуска или останова двигателей или отключения понижающих трансформаторов подстанций

¦  Перенапряжения от емкостных цепей при подсоединения блоков конденсаторов к сети

¦  Все устройства, имеющие в своем составе катушку, конденсатор или трансформатор на входе питания: реле, контакторы, телевизоры, принтеры, компьютеры, электропечи, фильтры и т. д.

6.Связь между напряжением и напряженностью выражается зависимостью Е = U p / S, напряжение зажигания газового разряда между электродами так же величина постоянная. Фридрихом Пашеном было обнаружено, что напряжение пробоя описывается уравнением

.

где: U — напряжение пробоя в вольтах,

p — давление,

d расстояние между плоскими электродами.

Постоянные a и b зависят от состава газа. Для воздуха при атмосферном давлении 760 Торр, a = 43,6·10⁶ и b = 12,8 , где p давление в атмосферах и d — расстояние между электродами в метрах.

Закон Пашена работает при небольших двлениях газа и при небольших расстояниях между электродами.

Закон Пашена является частным случаем закона газовых разрядов: если произведение давления газа на длину разрядного промежутка постоянно и геометрическая форма промежутка неизменна, то процессы в разряде имеют одинаковую природу.

7. Условием самостоятельности разряда является появление на катоде хотя бы одного электрона после прохождения лавины:

                            1-(e^d-1) = 0                                                                       

. Кривая Пашена для лавинного пробоя воздушного промежутка.

 Поскольку коэффициент ударной ионизации зависит от напряженности поля, длины свободного пробега, а следовательно и давления из условия самостоятельности можно получить зависимость разрядного напряжения от внешних факторов, т.н.законПашена 

U = f(pd), или в другом виде E/p = F(pd).В случае мощного источника напряжения в промежутке после пробоя возникает дуговой разряд.  Он характеризуется узким высокотемпературным каналом с высокой плотностью тока. В промышленности используется, в частности при электросварке.

8. Вольтсекундные характеристики изоляции

Рис.3 При подаче на промежуток стандартной волны вначале пробой происходит на хвосте волны (т.т. 13). В этом случае в расчет вводится реальное время разряда, но фиктивное напряжение – амплитудное напряжение волны. В дальнейшем пробои будут происходить на фронте волны (т.4), в расчет вводится реальное время и реальное напряжение пробоя. Совокупность точек образует вольтсекундную характеристику изоляции. Практическое значение вольтсекундных характеристик велико, так как при выборе защитной аппаратуры необходимо, чтобы верхняя граница вольтсекундной характеристики защиты была ниже всех точек нижней характеристики изоляции, что выполнить бывает весьма непросто. Рис.4

9.Сопротивление изоляции — это параллельно включенное с токоведущей частью (жилой кабеля) сопротивление. Абсолютной разницы между диэлектрическим и резистивным состояниями нет, потому что в зависимости от условий одно и то же вещество может быть и диэлектриком и резистором. Основное условие, разграничивающее поведение вещества на резистивное и диэлектрическое основано на понятии максвелловского времени диэлектрической релаксации и простейшая схема замещения диэлектрика представляет собой конденсатор с параллельным сопротивлением:

Простейшая схема замещения диэлектрика

Схема замещения диэлектрика с поверхностной проводимостью.

Коэффициент абсорбции К_абс характеризует влажность изоляционного материала. Коэффициент абсорбции — это отношение сопротивлений, измеренных мегомметром через 60 секунд с момента приложения напряжения (R₆₀) и через 15 секунд после начала приложения испытательного напряжения от мегомметра (R₁₅):  К_абс = R₆₀/R₁₅

Если изоляция сухая, то коэффициент абсорбции значительно превышает единицу, в то время как у влажной изоляции коэффициент абсорбции близок к единице:

Если  К_абс < 1,25 Изоляция является несоответствующей; Если  К_абс= 1,25 ... 1,6 Изоляция является хорошей; Если  К_абс > 1,6 Изоляция является превосходной;

Для оценки состояния изоляции и остаточного ресурса используют коэффициент поляризации (К_пол), который характеризует ток сильно замедленных поляризаций (связанных с изменением структуры диэлектрика). Коэффициент поляризации — это отношение сопротивлений, измеренных мегомметром через Т₃ (61...600 сек) с момента приложения напряжения (R600) и R60 секунд после начала приложения испытательного напряжения от мегомметра (R₆₀):

К_пол = R₆₀₀ / R₆₀.

Для коэффициента поляризации обычно используют следующие показатели:

Если К_пол < 1 Изоляция является опасной; Если К_пол =1 ... 2 Изоляция является сомнительной; Если К_пол = 2 ... 4 Изоляция является хорошей; Если К_пол > 4 Изоляция является превосходной.

10. Потери мощности в изоляции (диэлектрические потери) существенно зависят от состояния изоляции и определяются: Р = U•IA = U•I•cosφ = U•IC•tgδ = C•U2•tgδ. Таким образом потери мощности Р пропорциональны tgδ (тангенсу угла диэлектрических потерь). Измерение tgδ используют для оценки состояния изоляции независимо от массогабаритных характеристик последней. Чем больше tgδ тем больше диэлектрические потери, тем хуже состояние изоляции.  На практике tgδ измеряют в процентах.  Значение tgδ нормируется для электрооборудования и зависит от температуры и величины прикладываемого напряжения. Измерение tgδ следует производить при температуре не ниже +10°С. Для приведения измеренных значений tgδ к необходимой температуре (например, температуре при измерениях на заводе) используют поправочные коэффициенты. 

Рис. 1.5. Эквивалентная схема замещения диэлектрика. а - схема замещения диэлектрика; б - векторная диаграмма.

Значение tgδ изоляции измеряют при напряжении, равном номинальному напряжению объекта измерения, но не выше 10 кВ. При номинальном напряжении объекта менее 6 кВ измерения производят на напряжении 220 - 380 В. Измерения производят при удовлетворительных результатах оценки состояния изоляции с помощью мегаомметра и другими способами и удовлетворительных результатах испытаний пробы масла маслонаполненных аппаратов. Измерения при сушке изоляции производят на напряжении 220 - 380 В. Результаты измерений tgδ сравнивают с допустимыми нормами и результатами предыдущих измерений, в том числе заводских.  В качестве испытательного трансформатора используют трансформаторы напряжения НОМ-6 или НОМ-10. Трансформатор подключается по схеме рис. 1.7. Для обеспечения точности измерения мост и вспомогательное оборудование, необходимое для измерения, располагаются в непосредственной близости от проверяемого объекта (рис. 1.8), т. к. мост учитывает потери в соединительном проводе.

Рис. 1.6. Нормальная (прямая) схема включения моста переменного тока. Tp - испытательный трансформатор; СN - образцовый конденсатор; СХ - испытываемый объект; G - гальванометр; R3 - переменный резистор; R4 - постоянный резистор; С4 - магазин емкостей.

На результаты измерений существенное влияние оказывают паразитные токи, обусловленные внешними магнитными и электростатическими полями и утечками по поверхности проверяемых изоляторов. Для исключения влияния магнитных и электростатических полей в мостах осуществлено экранирование, а поверхностных токов утечки - наложением охранного кольца на измеряемый объект. Паразитные токи существенно влияют на результаты измерений тангенса угла диэлектрических потерь объектов с малой емкостью (вводы, измерительные трансформаторы, конденсаторы связи). На результаты измерения tgδ изоляции силовых трансформаторов они влияют незначительно, т. к. последние обладают достаточно большой емкостью, а токи измерения существенно превышают паразитные токи.  Для уменьшения влияния паразитных токов необходимо надежное заземление корпусов проверяемого объекта, испытательного трансформатора, моста, регулировочного автотрансформатора. На практике, для учета влияния паразитных токов, производят четыре измерения tgδ изоляции при разных полярностях подаваемого на схему напряжения и включения гальванометра.

10. Оценка технического состояния изоляции маслонаполненных трансформаторов, по уровню и распределению частичных разрядов, является одной из наиболее сложных технических задач для рассматриваемого нами метода диагностики. Однако, с другой стороны, этот вопрос является очень важным для службы эксплуатации высоковольтного оборудования. Это приводит к тому, что очень часто не совсем подготовленные специалисты в области анализа измерения и анализа частичных разрядов , по просьбе служб эксплуатации, берутся за решение этой задачи. Большая часть отрицательного отношения практиков к применению метода анализа состояния изоляции по частичным разрядам возникло и возникает по причине таких неподготовленных работ.

Основной проблемой, возникающей при проведении измерений частичных разрядов в изоляции высоковольтных трансформаторов, является очень сложная отстройка от помех.

Причин этому несколько:

Во-первых, мощные силовые трансформаторы, по своему назначению, всегда являются узлами энергосистем, непосредственно вокруг которых устанавливается достаточно много другого, вспомогательного и измерительного высоковольтного оборудования, в котором также могут возникать частичные разряды. Все эти высокочастотные импульсы, в той или иной мере, по соединительным линиям, или путем электромагнитного излучения, наводятся в контролируемом трансформаторе.

Во-вторых, практически к каждому трансформатору подключены одна или несколько воздушных линий электропередачи, «собирающие» с большой территории грозовые и иные высокочастотные импульсы. Эти импульсы часто имеют большую амплитуду, регистрируются измерительными приборами, и существенно затрудняют анализ «внутренних» частичных разрядов, возникающих в изоляции самого трансформатора.

В-третьих, чаще всего, высоковольтные трансформаторы располагаются на открытых подстанциях, поэтому их работу всегда сопровождает большое количество коронных разрядов, интенсивность которых зависит от многих параметров – температуры и влажности воздуха, состояния поверхностей изоляторов и т. д. Чем выше рабочее напряжение трансформатора, тем больше проблем от коронных разрядов возникает при проведении измерений.

В-четвертых, работа трансформаторов часто сопровождается существенными изменениями нагрузочных и тепловых режимов. Кроме того, в трансформаторах присутствуют устройства, изменяющие их параметры в процессе работы, например РПН. В результате частичные разряды в изоляции трансформаторов могут иметь нестационарный характер, увеличиваться и уменьшаться, и даже появляться и исчезать.

Все эти четыре причины приводит к тому, что большое количество практических измерений частичных разрядов в трансформаторах являются некорректными. Чаще всего это происходит из-за низкой избирательной способности применяемой аппаратуры, реже из-за недостаточной квалификации экспертного персонала, который не может использовать все возможности имеющейся аппаратуры.

В результате за «импульсы частичных разрядов в трансформаторе», выдаются любые высокочастотные импульсы помех, от которых диагносту просто не удалось отстроиться. Естественно, что выполненный на основе некорректных замеров анализ распределения частичных разрядов, не имеет практической пользы, если даже не сказать о получении вреда. Следствием этого является все еще широко распространенное мнение о низкой информативности проведения измерений частичных разрядов.

для установки датчиков частичных разрядов являютсявысоковольтные вводы. Это, практически единственное место в баке трансформатора, через которое возможно проведение регистрации электромагнитной информации о техническом состоянии внутренней изоляции, и на котором можно стационарно, или временно, смонтировать датчик частичных разрядов.

12. Метод измерения сопротивления изоляции R60 является наиболее простым и доступным; он находит широкое применение для контроля состояния изоляции трансформаторов и применяется: 1) для определения грубых дефектов в трансформаторах перед включением их под напряжение, например местных загрязнений, увлажнений или повреждений; 2) для оценки степени увлажнения изоляции в сочетании с другими показателями с целью определения возможности включения трансформатора в работу без дополнительной сушки. Метод основан на особенностях изменения электрического тока, проходящего через изоляцию, после приложения к ней постоянного напряжения. Изоляция обмоток трансформатора является неоднородным диэлектриком. При приложении постоянного напряжения к выводам схемы протекающий ток будет состоять из арифметической суммы трех составляющих: 1) емкостного тока Iг, обусловленного так называемой геометрической емкостью Сг. Ток Iг практически мгновенно спадает до 0, так как емкость Сг подключена к источнику без сопротивления и не оказывает влияния на результаты измерения R15и R60; 2) тока абсорбции Iабс, протекающего по ветви Raбс—Сабс. Этот ток отражает процесс заряда слоев диэлектрика через сопротивление предшествующего слоя. С увлажнением изоляции сопротивление Raбс снижается, а емкость Сабс увеличивается, поэтому для более увлажненной изоляции ток Iабс имеет большее значение и быстрее спадает до 0. У сухой изоляции сопротивление Raбс велико, заряд конденсатора Сабс протекает медленно, поэтому начальное значение тока Iабс мало, а ток спадает длительное время; 3) тока сквозной проводимости Iскв, протекающего через сопротивление Rскв, обусловленное как наружным загрязнением изоляции, так и наличием в ней путей сквозной утечки. Этот ток устанавливается практически мгновенно и во времени не изменяется. Сопротивление изоляции обратно пропорционально сумме указанных составляющих тока, в начале измерения имеет наименьшее значение, а затем по мере спадания тока Iабс возрастает, достигая установившегося значения, определяемого током Iскв. Для того чтобы иметь сопоставляемые результаты, сопротивление изоляции измеряют через 60 с после приложения напряжения, хотя в ряде случаев ток Iабс к этому времени еще неполностью спадает. Значение сопротивления изоляции дает представление о среднем состоянии изоляции и уменьшается при ухудшении этого состояния главным образом из-за увлажнения и загрязнения. на рисунке 1 показаны участки изоляции трехобмоточного трансформатора, контролируемые при измерении сопротивления изоляции обмоток по схемам, приведенным в таблице 1. При помощи расчетов можно определить поврежденный участок изоляции, что иногда делают для уточнения места ухудшения состояния изоляции. НН, СН, ВН — обмотки трансформатора; С1, С2, С3, С4, — емкости, эквивалентные сопротивлению контролируемых участков изоляции Рисунок 1 - Схема участков изоляции трансформатора, контролируемых при измерении сопротивления изоляции обмоток Для трансформаторов мощностью до 80 MBА и напряжением до 150 кВ измерение выполняют при температурах не ниже + 10°С; для трансформаторов больших мощностей и более высоких напряжений измерения обычно производят при температурах заводских измерений, указанных в паспорте трансформатора, поэтому трансформаторы мощностью 80 MBА и более напряжением 110—750 кВ перед измерением, как правило, нагревают таким образом, чтобы отклонение фактической температуры измерения не отличалось более чем на 5°С от требуемого значения. Измерения при заводской температуре позволяют получить более достоверные результаты. При отсутствии возможностей прогрева допускается измерения сопротивления изоляции производить при температурах, отличных от заводских, однако температура изоляции при измерении должна быть не ниже 20°С. Достоверность и точность измерений во многом зависят от условий измерения и правильного определения температуры изоляции. Измерения сопротивления изоляции выполняют не ранее чем через 12 ч после полной заливки трансформаторов маслом и установки постоянного или временного расширителя. Допускается также производить измерения сопротивления изоляции трансформаторов, не долитых полностью маслом до уровня 150—200 мм от верхней крышки. При этом все детали главной изоляции трансформатора должны находиться в масле. Перед измерениями необходимо очистить наружные поверхности фарфоровых вводов от пыли и грязи. Измерение рекомендуется производить в сухую погоду, при отсутствии атмосферных осадков и пыли. Перед началом измерения испытываемую обмотку заземляют на 2—5 мин для снятия остаточных зарядов в изоляции. Такую же операцию проводят и при повторном измерении. Так как сопротивление изоляции существенно зависит от температуры изоляции, весьма важным является, точное определение температуры изоляции. Температуру изоляции определяют до начала измерения. За температуру изоляции трансформатора, не подвергавшегося нагреву, принимают: в трансформатоpax на напряжение до 35 кВ с маслом — температуру верхних слоев масла, в трансформаторах на напряжение выше 35 кВ с маслом — среднюю температуру обмотки, определенную по сопротивлению постоянному току. Если трансформатор подвергался нагреву, температура изоляции принимается равной средней температуре обмотки ВН, определяемой по сопротивлению обмотки постоянному току. Измерение указанного сопротивления выполняют не ранее чем через 60 мин после отключения нагрева токов обмотки или через 30 мин после отключения внешнего нагрева. Температуру определяют по формуле: где R0 — сопротивление обмотки, измеренное на заводе при температуре t0 (это значение приведено в паспорте трансформатора); Rx — измеренное значение сопротивления обмоток при температуре tx. Сопротивление изоляции измеряют мегомметром на напряжение 2500 В с верхним пределом измерения не ниже 10000 МОм. В настоящее время применяют мегомметры, подающие напряжение на изоляцию от генераторов с ручным и электрическим приводом, а также от трансформатора с двумя вторичными обмотками через выпрямительную схему. На рисунке 2 показана электрическая схема мегомметра типа МС-0,6, наиболее часто применяемого в полевых условиях. Вывод Л соединяется с испытываемой обмоткой, вывод 3 обычно подсоединяют к заземленному баку трансформатора. Вывод Э используют для исключения из схемы измерения утечек сквозного тока, не проходящего через изоляцию трансформаторов. Например, для исключения из схемы измерения утечек тока по внешним фарфоровым поверхностям вводов на нижней юбке устанавливают кольцо из фольги и соединяют его с выводом Э мегомметра. При этом токи внешней утечки не будут проходить через измерительные рамки мегомметра и вносить погрешности в результаты измерений. Э — экран; Л — линия; 3 — земля; n — кратности диапазонов измерений Рисунок 2 - Схема мегомметра типа МС-06 Сопротивление изоляции обмоток трансформатора зависит не только от состояния изоляции, но и от ее геометрических размеров. Таким образом, при одинаковом состоянии изоляции сопротивления изоляции обмоток разных типов трансформаторов будут иметь разные значения, поэтому оценку полученных значений сопротивления изоляции производят путем сравнения их с такими же значениями, полученными при изготовлении трансформатора Для трансформаторов на напряжение до 35 кВ оценку полученных значений сопротивлений изоляции можно осуществлять по допустимым предельным значениям. Сопротивление изоляции обмоток трансформатора на напряжение 110—750 кВ, измеренное при температуре, при которой производились измерения на заводе, или приведенное к этой температуре, должно быть не менее 70% значений, указанных в паспорте трансформатора. При оценке состояния изоляции одновременно с измерением сопротивления R60производят измерение коэффициента абсорбции. Коэффициентом абсорбции называют отношение сопротивления изоляции, измеренного спустя 60 с после приложения напряжения, к сопротивлению, измеренному через 15 с; значения его не зависят от геометрических размеров изоляции и характеризуют только интенсивность спадания тока абсорбции. С удалением влаги из изоляции коэффициент абсорбции возрастает, с увлажнением — падает. Значение коэффициента абсорбции Kабс=R60/R15 должно быть не менее 1,3 при температуре от 10 до 30°С. Для хорошо высушенной изоляции значения коэффициента абсорбции обычно колеблется в пределах 1,3—2,0.