Физические и инженерные основы создания внешней изоляции электрооборудования сверхвысокого и ультравысокого напряжения Корявин, Алексей Родионович

Введение к работе

Актуальность проблемы

Обеспечение высокого уровня надежности электрооборудования сверхвысокого (СВН) и ультравысокого (УВН) напряжения является основным критерием при разработке и создании изоляционных систем. Учитывая широкое распространение традиционных комплексов электрооборудования, особое внимание уделяется обоснованному выбору внешней изоляции аппаратов и изоляционных конструкций. В силу отсутствия детально разработанной теории лидерного разряда в длинных воздушных промежутках процесс создания внешней изоляции длительное время осуществлялся, в основном, опытным путем, что неизбежно было связано с большими материальными затратами и продолжительными сроками выполнения работ. Обнаруженная в начале 60-х годов U-образная зависимость электрической прочности воздушной изоляции от длительности фронта импульсного напряжения еще больше осложнила ситуацию, вынудив увеличить объем экспериментальных исследований. Потребность создания линии электропередачи УВН 1150 кВ внесла дополнительные трудности, связанные с ограниченными возможностями экспериментальных баз, многие из которых были уже не в состоянии в полной мере обеспечить условия, необходимые для всесторонних исследований крупногабаритных конструкций. Острота возникших проблем и насущная необходимость их скорейшего решения обусловили проведение работ по изучению природы лидерного разряда. Основной задачей этих исследований являлось построение обобщенной картины разрядного процесса в длинных воздушных промежутках и создание на этой базе метода расчета электрической прочности изоляционных конструкций. Решение этой задачи открывает возможности для существенного сокращения и удешевления процесса проектирования изоляции, а также позволяет оценить перспективы совершенствования существующих комплексов электрооборудования и создания аппаратов новых классов УВН. Помимо своего прямого назначения, расчетный метод, в сочетании с данными по условиям ориентировки лидера и вероятностным характеристикам поражаемости макетов, может быть использован при решении ряда задач молниезащиты.

Цель работы

Целью диссертационной работы явилось развитие представлений об обобщенной картине разрядного процесса в длинных воздушных промежутках, разработка на этой основе расчетного метода, позволяющего с достаточной для практических целей точностью определять минимальную электрическую прочность широкого круга изоляционных конструк-

ций высокого, сверхвысокого и ультравысокого напряжения, практическая реализация метода при создании нового поколения изоляционных конструкций СВН и УВН, а также при решении ряда задач молниезащи-ты.

Для достижения указанных целей основное внимание в работе уделялось следующим вопросам.

1. Изучению основных закономерностей и отличительных особенностей картины разрядного процесса в длинных воздушных симметричных промежутках с различной конфигурацией электрического поля в широком диапазоне изменения параметров импульсного напряжения обеих полярностей.

2. Установлению взаимосвязей между характерными параметрами лидерного процесса, электрической прочностью изоляционных систем и конфигурацией их электрического поля.

3. Исследованию влияния дождя и конструктивных элементов опорных изоляционных систем на феноменологию разряда и электрическую прочность конструкций.

4. Изучению условий ориентировки лидера и вероятностных характеристик поражаемости макетов при модельных исследованиях молние-защиты.

Методы исследований

Исследования проводились с использованием современных методов и экспериментальной техники, включающей высоковольтные испытательные установки, систему измерений высокого напряжения, аппаратуры для регистрации разрядного процесса, в том числе—электронно-оптического преобразователя ФЭР-14.

Достоверность. Достоверность результатов исследований подтверждается хорошим соответствием расчетных и опытных данных, а также положительным опытом эксплуатации внедренных разработок.

Научная новизна работы состоит в следующем

5. Экспериментально исследована картина формирования разряда в длинных воздушных симметричных промежутках с различной степенью неоднородности и несимметрии электрического поля в широком диапазоне изменения длительности фронта импульсного напряжения положительной и отрицательной полярности. Подтверждена неизменность лидерного механизма пробоя воздушной изоляции.

6. На основе развитой обобщенной картины разрядного процесса в длинных воздушных симметричных промежутках предложена расчетная схема и разработан метод определения минимальной электрической прочности изоляционных конструкций СВН и УВН.

3. Показана универсальность лидерного механизма при формировании разряда вдоль изоляционных конструкций при дожде. Исследовано влияние проводимости дождевой воды и конструктивных элементов опорной изоляции на ее разрядные характеристики.

4. Получены новые экспериментальные данные о разрядных характеристиках широкого круга изоляционных конструкций СВН и УВН.

5. Выполнены исследования процессов ориентировки лидера и характеристик поражаемости длинной электрической искрой макетов наземных сооружений и изолированных проводящих тел.

Практическая значимость и реализация результатов

1. Разработан расчетный метод определения минимальной электрической прочности внешней изоляции, используемый при проектировании широкого круга изоляционных конструкций электрооборудования СВН и УВН. Наряду с другими расчетными методами он вошел составной частью в курс лекции кафедры ТЭВН Московского энергетического института.

2. Определены габаритные размеры внешней изоляции основных видов нового поколения оборудования классов напряжения 500—1150 кВ при глубоком уровне ограничения коммутационных и грозовых перенапряжений. Результаты реализованы при создании нового элегазового выключателя 500 кВ, внедренного на подстанциях Мосэнерго и электрических сетей Урала, а также при разработке технических требований к новому поколению аппаратов 1150 кВ.

3. Выполнена расчетная и экспериментальная оценка перспектив создания оборудования переменною тока нового класса УВН, превышающего 1150 кВ.

4. Даны рекомендации по оптимизации конструктивных элементов опорной изоляции по условиям ее надежной работы при дожде.

5. Рассчитаны и экспериментально подтверждены основные изоляционные расстояния мостов преобразовательных подстанций постоянного тока напряжением ±750 кВ.

6. Даны рекомендации по выбору параметров коммутационных импульсов при проведении испытаний изоляции электрооборудования СВН и УВН.

7. Разработаны руководящие технические материалы на устройства ограничения перенапряжений в сетях СВН и УВН. Созданы и внедрены в эксплуатацию специальные коммутационные аппараты — включатели-отключатели напряжением 750 и 1150 кВ.

8. Экспериментально подтверждена правомерность основных концепций электрогеометрического метода. Предложены критерии выбора геометрических параметров систем, используемых при модельных испытаниях макетов летательных аппаратов.

Личный вклад автора выразился в:

постановке вопроса, планировании и проведении экспериментальных исследований процессов формирования разряда в длинных воздушных промежутках;

анализе и обобщении результатов исследований лидерного разряда, выработке основных концепций расчетной схемы и создании метода расчета электрической прочности изоляционных конструкций, постановке вопроса и проведении исследований молниезащиты;

планировании и проведении исследований, включая эксплуатационные испытания электрооборудования 500—1150 кВ, в рамках отраслевых программ Минэлектротехпрома и тематических планов ВЭИ им. В.И. Ленина, в которых автор принимал участие как ответственный исполнитель НИОКР.

Апробация работы

Основные результаты работы были представлены на:

международных симпозиумах по высоковольтной технике: Милан, 1979 г.; Дрезден, 1991 г.; Грац, 1995 г.;

Всемирном электротехническом конгрессе, Москва, 1977 г.;

коллоквиуме исследовательского комитета СИГРЭ № 33, Лондон, 1977 г.;

международной конференции по газовому разряду, Эдинбург,1980 г.;

международном коллоквиуме по высоковольтной испытательной технике, Ленинград, 1988 г.;

международной конференции по свойствам и применению диэлектрических материалов, Токио, 1991 г.;

всесоюзной научно-технической конференции ВЭИ, Москва, 1981 г.;

всесоюзном научно-техническом совещании «Преобразовательная техника в энергетике», Ленинград, 1984 г.;

всесоюзной научно-технической конференции «Создание комплексов электротехнического оборудования, высоковольтной преобразовательной и сильноточной техники», Москва, 1986 г.;

всесоюзной научно-технической конференции «Создание комплексов электротехнического оборудования высоковольтной, преобразовательной, сильноточной и полупроводниковой техники», Москва, 1990 г., 1994 г.;

всесоюзном научно-техническом совещании «Перспективы развития высоковольтных аппаратов», Ленинград, 1990 г.;

И, IV и V симпозиумах «Электротехника 2010» — Перспективные направления в развитии энергетики и электротехнического оборудования в 2000—2010 гг., Московская обл., 1994, 1997, 1999 г.;

открытой научно-практической конференции «Оценка технического

состояния электрооборудования энергосистем и определение перспектив надежной работы ЕЭС России.», Москва, РАО ЕЭС России, 1999 г.

Публикации по теме диссертации

По материалам работы опубликовано около 50 статей, докладов и тезисов докладов на международных и отечественных научно-технических конференциях и симпозиумах, получено 3 авторских свидетельства.

На защиту выносятся:

1. Результаты исследований характеристик лидерного разряда в
длинных симметричных воздушных промежутках при воздействии импу
льсного напряжения различной формы положительной и отрицательной
полярности:

классификация воздушных промежутков по степени неоднородности их электрического поля, исходя из характерных особенностей формирования разряда;

закономерности развития разряда в симметричных системах с сильной степенью неоднородности электрического поля при импульсах положительной полярности: практическая неизменность скорости продвижения канала, независимость протяженности стримерной зоны в главной стадии непрерывного развития лидера при импульсах с критической длительностью фронта от потенциала катода, его размеров и удаленности от земли; связь между размерами зон положительных и отрицательных стримеров в начале сквозной фазы; развитие на этой основе обобщенной картины формирования разряда в симметричных промежутках при импульсах с критической длительностью фронта; установление связи между линейными параметрами разряда в начале сквозной фазы, характеристиками электрического поля воздушных промежутков и их электрической прочностью.

2. Разработка на базе результатов феноменологических исследований метода критического коэффициента неоднородности электрического поля, позволяющего с достаточной для практических целей точностью определять минимальную электрическую прочность внешней изоляции электрооборудования СВН и УВН. Реализация метода при определении габаритных размеров электрооборудования 500— 1150 кВ нового поколения в условиях глубокого ограничения коммутационных и грозовых перенапряжений, а также при оценке перспектив создания аппаратов нового класса УВН, превышающего 1150 кВ.

3. Экспериментальное подтверждение достоверности расчетных оценок при создании элегазового выключателя ВГУ-500С, изоляции мостов преобразовательных подстанций постоянного тока напряжением ±750 кВ, а также при разработке опорных изоляционных конструкций переменного тока класса УВН 1800 кВ.

4. Результаты исследований картины формирования разряда вдоль

опорных изоляционных конструкций под дождем при коммутационных импульсах положительной полярности:

установление универсальности лидерного механизма развития разряда при перекрытиях изоляционных конструкций при дожде;

анализ влияния конструктивных элементов изоляции и проводимости дождевой воды на разрядные характеристики;

оценка электрической прочности изоляционных конструкций под дождем и рекомендации по оптимизации конструктивных элементов опорной изоляции.

5. Результаты исследований влияния полярности импульсного напря
жения на разрядные характеристики воздушных симметричных проме
жутков:

установление решающей роли анодных процессов с заземленного электрода в регулировании эффекта полярности;

определение параметров электрического поля систем, при которых обеспечивается минимальное влияние полярности на их электрическую прочность;

разработка принципов проектирования устройств защиты от перенапряжений и их практическая реализация при создании коммутационных аппаратов — включателей-отключателей 750 и 1150 кВ.

6. Результаты исследований процессов ориентировки и характери
стик поражаемости длинной искрой макетов наземных сооружений и
изолированных проводящих объектов:

установление практической независимости разрядных характеристик системы с заземленными объектами от числа макетов, их расположения и высоты в широком диапазоне изменения последней;

построение расчетной схемы в момент ориентировки нисходящего лидера и разработка метода расчета поражаемости макетов наземных сооружений, базирующегося на основных концепциях электрогеометрического метода;

исследование влияния основных геометрических параметров систем с изолированным телом на характеристики его поражаемости, определение условий ориентировки, выбора точек поражения и точек выхода разряда из объекта, разработка рекомендаций по оптимизации геометрических параметров систем с изолированными макетами при проведении модельных испытаний летательных аппаратов.