Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние проблемы конструирования традиционных и полимерных изоляторов в условиях загрязнения и увлажнения 10
1.1. Теоретические представления о разрядном процессе по загрязненной поверхности 10
1.2. Экспериментальные данные о разрядных характеристиках загрязненных фарфоровых изоляторов 17
1.3. Полимерные изоляторы 32
Глава 2. Основные вопросы методики проведения испытаний загрязненной изоляции 48
2.1. Испытательные установки и измерительный комплекс 48
2.2. Методика загрязнения и увлажнения изоляторов. Порядок проведения испытаний 50
2.3. Исследуемые объекты 56
2.4. Влияние давления воздуха на электрическую прочность загрязненной изоляции .59
Глава 3. Исследование развития разряда вдоль проводящей поверхности на моделях 63
3.1. Основные процессы при развитии разряда 63
3.2. Зависимость критического напряжения от различных факторов 70
3.3. Исследование скорости развития ПЧР вдоль проводящей поверхности 81
3.4. Некоторые особенности механизма развития разряда вдоль проводящей поверхности 86
3.5. Расчет разрядных характеристик моделей. Влияние химического состава и толщины проводящего слоя 99
3.5.1. Влияние неравномерности распределения проводящего слоя на вольт-секундные характеристики моделей 99
3.5.2. Развитие разряда при воздействии напряжения произвольной формы 103
3.5.3. Влияние состава и толщины проводящего слоя 108
3.6. Выводы 112
Глава 4. Развитие разряда при длительном воздействии напряжения 113
4.1. Особенности развития разряда вдоль загрязненной изоляции при длительном воздействии напряжения ИЗ
4.2. Исследование влияния конструкции аппаратных изоляторов на их характеристики в загрязненном и увлажненном состоянии 122
4.3. Зависимость разрядных напряжений от строительной высоты загрязненной изоляции 130
4.4. Выводы 134
Глава 5. Оптимизация конфигурации ребер изоляторов 136
Глава 6. Электрическая прочность загрязненной изоляции при кратковременном воздействии напряжения промышленной частоты и воздействии коммутационных импульсов 145
6.1. Электрическая прочность загрязненной изоляции при кратковременном воздействии напряжения промышленной частоты 145
6.1.1. Постановка вопроса и методика испытаний 145
6.1.2. Результаты исследований 148
6.1.3.Модель для расчета разрядных напряжений загрязненных изоляторов при кратковременных воздействиях напряжения 155
6.2. Исследование характеристик аппаратной изоляции при воздействии коммутационных импульсов 157
6.2.1. Особенности методики испытаний 157
6.2.2. Разрядные напряжения аппаратных изоляторов класса 110 кВ при воздействии коммутационных импульсов различной формы 161
6.2.3. Влияние принудительного распределения напряжения 174
6.2.4.0собенности развития разряда вдоль изоляции высотой более 1 м 179
6.2.5. Исследование крупногабаритной аппаратной изоляции 189
6.3. Выводы 207
Глава 7. Конструктивные и технологические особенности полимерных изоляторов 209
7.1. Трекингостойкость полимерных материалов 209
7.2. Основные принципы выбора конструкции ребер изоляторов 219
7.3. Монолитность полимерных изоляторов 228
7.4. Электрическая прочность вдоль границы раздела полимерных изоляторов 239
7.5. Выводы 250
Глава 8. Рекомендации по выбору конструкций и габаритов внешней изоляции из условия загрязнения 252
8.1. Традиционные конструкции из фарфоровых и полимерных изоляторов 262
8.2. Пространственные изоляционные системы 266
Литература 272
- Экспериментальные данные о разрядных характеристиках загрязненных фарфоровых изоляторов
- Методика загрязнения и увлажнения изоляторов. Порядок проведения испытаний
- Некоторые особенности механизма развития разряда вдоль проводящей поверхности
- Исследование влияния конструкции аппаратных изоляторов на их характеристики в загрязненном и увлажненном состоянии
Введение к работе
Одна из наиболее важных проблем обеспечения стабильности функционирования Единой энергетической системы России — это надежная изоляция электроэнергетических систем и установок высокого и сверхвысокого напряжения в процессе многолетней эксплуатации в различных условиях атмосферно-климатических воздействий.
Решение этих задач непосредственно связано с созданием качественных изоляционных материалов и оптимизированных по геометрическим параметрам конструкций, обеспечивающих надежность эксплуатации электротехнического оборудования при соблюдении оптимального соотношения «качество-цена».
Одним из важнейших критериев при выборе внешней изоляции является обеспечение ее бесперебойной работы в условиях загрязнения и увлажнения. Эта проблема возникла при сооружении первых воздушных линий электропередачи, и в дальнейшем борьба с аварийностью в сетях из-за загрязнения изоляции усложнилась вследствие общего ухудшения экологической обстановки.
Первоочередной интерес представляет задача выбора изоляции для линий электропередачи и подстанций переменного тока, занимающих в нашей стране доминирующие позиции. В то же время высокоэкономичные и гибкие передачи постоянного тока с большой пропускной способностью находят все большее применение, а в будущем несомненно станут важнейшими элементами энергосистем. Поэтому обоснованный выбор изоляции с учетом особенностей ее работы в системах постоянного тока является не менее важной задачей.
Наиболее жесткие требования предъявляются к надежности изоляции подстанционного оборудования, так как аварии вследствие перекрытий этой изоляции могут вызвать существенный недоотпуск электроэнергии. При выборе габаритов аппаратной изоляции по требованию ее безаварийной работы в условиях загрязнения и увлажнения обычно исходят из значений нормируемой длины пути утечки. Однако, как показывает опыт эксплуатации и результаты лабораторных исследований, этот параметр не всегда достаточно полно характеризует электрическую прочность загрязненных изоляторов, вследствие чего выбранные по нему изоляторы в ряде случаев не обеспечивают надежную работу изоляционных конструкций.
Позднее для более обоснованного подхода к определению габаритов внешней изоляции было введено понятие эффективной длины пути утечки. Однако методы ее расчета охватывали ограниченный круг изоляторов, что при разработке новых типов изоляционных конструкций приводило к неизбежности проведения большого объема трудоемких и дорогостоящих экспериментальных исследований.
Острота возникших проблем и насущная потребность их разрешения обусловили проведение комплекса исследований, главной целью которых явилось создание научных и инженерных основ проектирования внешних линейных и аппаратных изоляторов для электрооборудования высокого и сверхвысокого напряжения.
Потребность в разработке и создании новых перспективных изоляторов на базе полимерных материалов внесла дополнительные трудности, связанные с необходимостью решения сложных задач технологического плана и разработкой критериев оптимизации конструктивных параметров изоляторов на основе анализа их электрических и механических характеристик.
Насущной задачей исследований, проводимых в нашей стране и за рубежом, наряду с получением новых данных по разрядным характеристикам загрязненной изоляции являлось создание более совершенных методов расчета ее электрической прочности, которые могли бы учитывать многочисленные влияющие факторы, а также реальные условия загрязнения изоляторов в эксплуатации.
С учетом сказанного целью диссертационной работы является разработка физико-технических основ создания внешней изоляции электропередач высокого напряжения на основе развития представлений об обобщенной картине формирования разрядного процесса вдоль загрязненной поверхности изоляторов, совершенствование на этой основе методов расчета электрической прочности внешней изоляции, позволяющих с достаточной для практических целей точностью оптимизировать габаритные размеры изоляции, создание научных и инженерных основ конструирования полимерных изоляторов, а также разработка критериев оптимизации характерных параметров традиционных и полимерных изоляторов.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
-исследовать закономерности развития разрядного процесса вдоль загрязненной и увлажненной поверхности изоляторов;
-изучить разрядные характеристики изоляторов при воздействии напряжений различной формы в условиях загрязнения и увлажнения;
-установить взаимосвязь между характеристиками разрядного процесса и электрической прочностью изоляторов с различными конструктивными параметрами;
-разработать критерий выбора оптимальных соотношений между конструктивными элементами фарфоровых и полимерных изоляторов;
-исследовать трекингостойкость полимерных материалов и выбрать наиболее оптимальный вариант выполнения полимерного покрытия изоляторов;
-определить условие «монолитности» многослойной полимерной конструкции;
- найти условия обеспечения высокой электрической прочности по границе раздела полимерного покрытия со стеклопластиковым основанием изолятора;
-разработать методики конструирования ребер полимерных изоляторов минимальной толщины при обеспечении достаточной их прочности на пробой;
-разработать методы испытаний полимерных изоляторов;
- создать надежную внешнюю изоляцию для электропередач переменного и постоянного тока высокого, сверхвысокого и ультравысокого напряжения.
С учетом сказанного, на защиту выносятся: 1 .Теоретические и экспериментальные исследования в области высокого и сверхвысокого напряжения изоляции, создающие основу для разработки физико-технических основ конструирования внешней изоляции высоковольтного оборудования.
2.Результаты исследования закономерностей развития разряда вдоль проводящей поверхности с различными характеристиками проводящего слоя при разных формах воздействующего напряжения:
- выделение двух фаз развития разряда - тепловой и электрической - резко различающихся как скоростью их протекания, так и связанными с ними физическими процессами;
- определение критической напряженности, соответствующей моменту перехода процесса развития разряда в быструю фазу;
- определение зависимости скорости движения поверхностных частичных разрядов от приложенного напряжения.
3.Усовершенствованная методика расчета разрядных напряжений загрязненных аппаратных изоляторов при длительном воздействии напряжения промышленной частоты на основе установленного условия перехода тепловой фазы развития разряда в электрическую. Методика позволила оценить электрическую прочность изоляторов с различной конфигурацией ребер при разных уровнях загрязнения.
4.Принцип оптимизации соотношения между вылетом ребер и расстояниями между ними для аппаратных изоляторов, изготовленных из фарфора или полимерного материала, основанный на сравнении электрической прочности воздушных промежутков между ребрами и напряжений, возникающих на них в процессе развития разряда.
5.0снованный на зависимости скорости развития разряда от напряженности электрического поля метод расчета влияния интенсивности загрязнения, конструкции изолятора и формы воздействующего напряжения на разрядные напряжения изоляции при воздействии коммутационных перенапряжений, а также метод расчета электрической прочности изоляции при ограниченной длительности воздействия напряжения промышленной частоты.
б. Результаты исследований разрядных характеристик загрязненной аппаратной изоляции с габаритами, характерными для передачи СВН и УВН (до 14,4 м), при различных видах воздействующего напряжения, интенсивностях загрязнения и материалов, из которых изготовлены изоляторы. Определение габаритных размеров внешней изоляции оборудования на напряжение до 1150 кВ переменного тока и ±750 Кв постоянного тока применительно к его эксплуатации в районах с различной степенью загрязнения.
7.Результаты исследований влияния атмосферного давления на разрядные напряжения изоляции в загрязненном и увлажненном состоянии.
8.Рекомендации по выбору габаритов аппаратных изоляторов и пространственных изоляционных систем для различных условий загрязнения.
9.Результаты исследования трекингостойкости эластомеров и электрической прочности по границе раздела между полимерным покрытием и стеклопластиковым основанием. Требования к «монолитности» цилиндров, применяемых для изготовления полимерных полых изоляторов, работающих при избыточном давлении внутри цилиндра.
10.Метод оптимизации конструкции ребер полимерных изоляторов, основанный на требовании их непробиваемости при различных эксплуатационных воздействиях.
11 .Соотношение между электрической прочностью загрязненных изоляторов при длительном воздействии переменного или постоянного напряжения, из которого следует, что разрядные напряжения при постоянном токе не выше эффективных значений при переменном токе.
12.Вывод о том, что оптимизированные конструкции полимерных изоляторов имеют более высокую электрическую прочность при одной и той же поверхностной проводимости по сравнению с традиционными изоляторами.
Экспериментальные данные о разрядных характеристиках загрязненных фарфоровых изоляторов
Одним из первых, кто исследовал характеристики изоляторов при загрязнениях, был G.Anfossi [23]. Им было показано, что снижение разрядного напряжения изоляции связано с отложением соли на нижней поверхности ребер изоляторов. Автор рекомендовал более обтекаемые конструкции, облегчающие смыв загрязнений дождями.
Ссылки на работы в этой области имеются у D.Jolly [10]. Так, уже при строительстве линии электропередачи 30 кВ в 1891 году были применены изоляторы специальной конструкции, имеющие полость, заполненную маслом. Эта полость препятствовала образованию сплошного проводящего пути вдоль изоляционной поверхности при ее загрязнении и увлажнении, что существенно повышало разрядные напряжения. Изоляторы аналогичной конструкции неоднократно разрабатывались и в дальнейшем, однако широкого практического применения не нашли вследствие сложности их изготовления и эксплуатации.
В работе [24] описаны трудности эксплуатации изоляции в условиях прибрежных загрязнений.
В ВЭИ в тридцатые годы прошлого века были проведены широкие исследования по определению влияния поверхностного сопротивления и длины пути утечки на разрядные напряжения, а такие рассмотрены отдельные вопросы методического характера (влияние количества влаги, содержащейся в загрязнении, скорости подъема напряжения и т.д. [25]). На основании полученных результатов были даны рекомендации по конструированию изоляторов для загрязненных районов. Для тех районов, в которых самоочистка ветром и дождем оказалась малоэффективной, предложены конструкции изоляторов с сильно развитой поверхностью. Отмечалось, что существенный интерес представляют изоляторы с гладкими ребрами, на которых затрудняется осаждение загрязнений.
В дальнейшем было проведено большое количество работ [26-32], направленных на решение практических аспектов данной проблемы. Это позволило разработать ряд мероприятий, снижающих опасное воздействие загрязнений - очистка изоляторов, применение гидрофобных паст, а также дать рекомендации по конструированию «грязестойких» изоляторов [33-38]. В частности, для определенных условий предлагаются конструкции изоляторов, у которых увеличение длины пути утечки достигается усложнением профиля ребра.
В работах [39-43] показано, что существенное увеличение надежности изоляции может быть достигнуто при применении полупроводящих покрытий. Такой же вывод был сделан при исследовании изоляторов на открытых стендах [44,45]. Исследования на стендах также показали, что если при сухих загрязнениях большое значение имеют аэродинамические характеристики изоляторов, определяющие их загрязненность, то при влажных загрязнениях большое значение имеет длина пути утечки L.
Изучению возможности повышения надежности изоляции путем увеличения значения L уделялось большое внимание и в дальнейшем. Например, в работе [5] при исследовании тарельчатых и стержневых изоляторов было установлено, что разрядное напряжение загрязненной изоляции практически определяется длиной пути утечки. Аналогичный результат получен при испытании полимерной изоляции. Verma [46,47], изучая частоту перекрытий длинностержневых и опорных изоляторов различной конструкции на наружном испытательном стенде, также получил, что длина пути утечки является одним из основных параметров, определяющих надежность изоляции в условиях загрязнения. Важность этого параметра подтверждена и другими работами [48-55].
В результате были разработаны нормативы, регламентирующие значения длины пути утечки изоляции, предназначенной для работы в различных условиях эксплуатации.
Однако вскоре выяснилось, что разрядные напряжения пропорциональны геометрической длине пути утечки лишь при относительно простой форме изоляторов [56,57]. В том случае, если увеличение длины пути утечки достигается путем усложнения формы изоляторов, их разрядные напряжения в загрязненном состоянии могут возрастать медленнее, чем длина L.
Например, в работе [25] приводятся зависимости разрядных напряженностей Ен загрязненных и увлажненных изоляторов от отношения L/H, из которых следует, что для испытанных в данной работе конструкций подвесных изоляторов увеличение L/H в 1,5 раза (с 2 до 3) приводит к возрастанию электрической прочности лишь на 15% . В связи с этим в [58] предлагается при выборе изоляции использовать поправочный коэффициент, учитывающий эффективность использования длины пути утечки. В работах [59,60] на основании обобщения результатов лабораторных исследований нескольких типов линейных и опорных изоляторов приводятся формулы для определения значений поправочных коэффициентов. Эти формулы позволяют более точно оценить электрическую прочность загрязненных изоляторов аналогичных типов, а также прогнозировать ее для новых, сходных по конструкции, типов изоляторов. Однако они не могут быть распространены на все типы изоляторов, так как не отражают того факта, что надежность изоляции при заданном отношении L/H зависит от особенностей конструктивного выполнения ребер [61]. В связи с этим в рабочих группах МЭК и СИГРЭ широко обсуждаются вопросы учета ряда конструктивных дополнительных факторов, влияющих на разрядные напряжения загрязненных и увлажненных изоляторов. К таким факторам относятся: воздушный минимальный промежуток между соседними ребрами, отношение расстояния между ребрами к вылету ребер, отношение длины пути утечки между какими-либо точками на изоляционной поверхности к расстоянию между этими точками и т.д. В настоящее время по этому вопросу существует качественное понимание, однако достаточно четких рекомендаций по конструированию изоляторов пока не разработано.
Поэтому в этом направлении требуются дальнейшие исследования. Для выбора внешней изоляции электроустановок различных классов напряжения необходимы данные по зависимости разрядных напряжений загрязненных изоляторов от их высоты.
В ряде работ при исследовании различных конструкций изоляторов с применением лабораторных методик было получено, что разрядные напряжения пропорциональны высоте изоляционных конструкций [62,63]. С другой стороны, в работах [64,65] отмечается некоторое снижение разрядных напряженностей Ен при большом числе элементов в гирлянде. Учитывая противоречивость имеющихся экспериментальных данных, можно сделать вывод о том, что, хотя испытания небольших изоляционных конструкций позволяют дать важные рекомендации по выбору габаритов изоляции наивысших классов напряжения, но окончательное заключение должно быть сделано лишь на основании испытания макетов изоляции, близких по габаритам к реальным конструкциям.
Методика загрязнения и увлажнения изоляторов. Порядок проведения испытаний
Наиболее достоверные данные для выбора аппаратных изоляторов могут быть получены при исследованиях изоляторов, загрязненных в естественных условиях - на стендах и действующих подстанциях. Однако такие исследования, как отмечается в главе 1, являются трудновоспроизводимыми и длительными. Поэтому большое распространение получили методы исследования изоляторов с покрытием их поверхности искусственным слоем загрязнения. Такие методы достаточно хорошо воспроизводят реальные условия эксплуатации [68-70] и могут быть использованы как для сопоставления изоляторов разных типов, так и для оценки разрядных напряжений загрязненных изоляторов.
Известно, что основным параметром слоя загрязнения, влияющим на разрядные напряжения, является поверхностная проводимость, в то время как его химический состав не играет определяющей роли. Поэтому для загрязнения изоляторов используются материалы или композиции.
В настоящей работе проводящий слой на поверхности изоляторов создавался двумя методами, регламентированными ГОСТ 10390-86: 1) загрязнением поверхности тонким слоем пыли, содержащей ионообразующие вещества (ПЗ); 2) методом соленого тумана (СТ).
При использовании метода ПЗ (в соответствии с ГОСТ 10390-86) в качестве загрязняющего вещества, как правило, применялся цемент. Плотность запыления цементом обычно составляла 1, 8 или 10 мг/см. Загрязнение наносилось равномерным слоем по всей поверхности изоляторов с помощью сита или краскораспылителя. После запыления изоляторы выдерживались в течение суток для схватывания цемента. Равномерность слоя загрязнения контролировалась путем счистки загрязнения с характерных участков или измерением поверхностной проводимости с помощью зонда.
Недостатком цемента как загрязнителя является сложность его состава и процессов, происходящих при его увлажнении. Поэтому в ряде опытов для загрязнения применялась смесь чистых солей (серно-кислого и углекислого кальция). Небольшие изоляторы (высотой до 2-х метров) увлажнялись вручную, с помощью сопла, обеспечивающего мелкокапельную структуру потока влаги.
Увлажнение крупногабаритных объектов производилось с помощью специальных сопел. Сопла устанавливались либо на раме, которая при увлажнении перемещалась вдоль испытуемой изоляции, либо на стойках, помещаемых внутри полиэтиленовой камеры (рис.2.2.1.). Для увлажнения использовалась водопроводная вода, удельная объемная проводимость которой колебалась в пределах 160-200 мкСм. Проведенные опыты показали, что результаты при этом получаются такие же, как и при использовании дистиллированной воды.
Увлажнение объекта начиналось заблаговременно, примерно за час до начала испытаний, с тем, чтобы произошло предельно возможное растворение солей, и проводимость достигла установившегося значения.
Испытания по методу СТ проводились в камере диаметром 4,8 м и высотой 5 м. Туман в камере получался с помощью десяти сопел, которые распыляли приготовленный соленый раствор за счет потока сжатого воздуха. Сопла располагались на двух колоннах, параллельных изолятору. На каждой колонне находилось по 5 сопел с интервалом 0,6 м. Сжатый воздух подводился к соплам под давлением 0,6 МПа. Соленый раствор из бака подавался к соплам с помощью шестеренчатого насоса, который имел регулирующее устройство, обеспечивающее стабильное давление в выходном патрубке. Выходное давление было отрегулировано таким образом, чтобы обеспечить расходы раствора 1000 л/час.
Испытания проводились при трех концентрациях раствора: 1,25; 2,5 и 10 гр/л. Концентрация контролировалась путем измерения удельной объемной проводимости раствора. Перед испытанием по методу СТ изоляторы очищались от следов грязи или соли. Кроме того, перед каждым опытом изоляторы обмывались струей холодной воды.
Известно, что на разрядные характеристики загрязненных изоляторов при воздействии перенапряжений оказывает влияние предварительно приложенное напряжение промышленной частоты [92]. В реальных условиях перенапряжения, как правило, накладываются на рабочее напряжение, поэтому изучение разрядных характеристик необходимо проводить с учетом влияния этого напряжения.
Основным процессом, протекающим под действием рабочего напряжения и вызывающим снижение электрической прочности загрязненных изоляторов, является неравномерная подсушка слоя загрязнения, приводящая к образованию участков с высоким сопротивлением - «сухих поясов» (СП). Можно было предположить, что результаты испытаний существенно не изменятся, если СП создавать искусственно в процессе увлажнения изоляции; экспериментальные исследования линейных изоляторов подтверждают такое предположение [96]. Методика испытаний с искусственными СП существенно проще, чем методика с предварительным приложением рабочего напряжения, поэтому она широко применялась в данной работе.
Некоторые особенности механизма развития разряда вдоль проводящей поверхности
Как уже отмечалось, развитие разряда вдоль проводящего слоя тесно связано с процессами формирования ветвей. Естественно предположить, что на предразрядные процессы влияют основные параметры ветвей, такие как напряженность поля и ток в канале ветви, а также ее длина. Ниже приводятся результаты экспериментов, позволившие оценить эти параметры.
Измерение напряженности в канале ветви проводилось с помощью зонда, погружаемого в электролит на расстоянии от высоковольтного электрода. Погрешность в результатах измерений, возникающая из-за влияния зонда на протекающие процессы, не превышала 10% [140]. В качестве проводящего слоя использовался электролит глубиной 5 мм. Опыты проводились при токе ПЧР, равном 0,24 А, при котором наблюдалось продвижение ветвей в сторону заземленного электрода на 5-7 см. Для построения зависимости падения напряжения в ветвях от их длины использовались результаты измерений в тех опытах, в которых одна из ветвей проходила в непосредственной близости от зонда (определялось по фотографиям).
Анализ экспериментальных данных, приведенных на рис. 3.4.1, показывает, что напряженность поля в ветвях находится в пределах 1,5-3 кВ/см. Известно [5], что зависимость между током в дуге и напряженностью в стволе дуги может быть выражена формулой: где А и п - постоянные для определенного диапазона изменения тока и заданных условий горения дуги. Для токов, меньших 1 А и горения дуги над слоем электролита на основе данных [93] для постоянных А и п могут быть приняты значения 0,085 кВ/см -А и 0,75 соответственно. Если принять, что формула (3.4.1) справедлива и для ветви, то ток в ней можно оценить в 15-20 мА. Это на порядок меньше общего тока ПЧР.
Таким образом, любая из ветвей развивается над проводящим слоем, по которому протекает ток, значительно превышающий ток ветви 1в. Для изучения движения частичного разряда в условиях, когда электрическое поле в проводящем слое создается в основном не током, протекающим в частичном разряде, а внешним «фоновым» током, были поставлены специальные опыты. Особенности модели, примененной в данных опытах, и схема ее подключения показаны на рис. 3.4.2.
Ток, протекающий по проводящему слою, находился в пределах 2-КЗА в зависимости от значения приложенного напряжения. Как видно из рис. 3.4.2, минимальные разрядные напряженности Ерм при отрицательной полярности заостренного электрода получились выше, чем при положительной полярности. Зависимость Ерм от тока может быть представлена в виде: где гп2 = 0,4, а коэффициент В2 при положительной полярности равен 0,54, при отрицательной - 0,94 кВ-А0,4/см.
Полученные данные позволяют определить длину ветвей Хе, если предположить, что их развитие продолжается до тех пор, пока напряженность поля вблизи конца ветви больше или равна Ерм. В области, примыкающей к головке ПЧР, напряженность электрического поля приблизительна равна Ех = —— , где / - ток ПЧР, х - расстояние от центра головки ПЧР. Приняв Ех = Ерм, получим после небольшого преобразования: где L = Шв (1в — ток в ветви). Поскольку ветви являются основными элементами головки ПЧР, естественно предположить, что эквивалентный диаметр головки ПЧР пропорционален длине ветвей, то есть пропорционален току в степени (J+m и поверхностному сопротивлению. Экспериментальные данные, приведенные в разделе 3.2, подтверждают такое предположение.
Анализ снимков, полученных с помощью камеры с двумя объективами, показывает, что если ток превышает критическое значение, то у конца ветви, направленной в сторону заземленного электрода, возникают новые ветви. Остальные ветви распадаются за время, меньшее 1 мс (рис.3.4.3, интервал между кадрами 1 мс).
Если в ходе удлинения ПЧР образуются ветви, симметричные по отношению к заземленному электроду, то процесс перераспределения токов между ветвями резко замедляется - наблюдается значительное увеличение предразрядного времени. Это является одной из причин существенного разброса в результатах испытаний, что иллюстрируется кадрами, снятыми скоростной кинокамерой СКС-1 м (рис.3.4.4, интервал между кадрами 1 мс).
Таким образом, можно сделать вывод, что скорость развития ПЧР в значительной мере связана со степенью несимметрии ветвей ПЧР. При увеличении тока, как отмечалось выше, длина ветвей увеличивается и, следовательно, эти ветви проникают в зону, где несимметрия растекания тока с головки ПЧР все более возрастает. Это, вероятно, является одним из факторов, определяющих увеличение скорости развития ПЧР с нарастанием тока. В случае концентрических электродов, когда по всей проводящей поверхности обеспечивается симметричное растекание тока утечки, развитие ветвей должно происходить независимо друг от друга, т.е. разрядное напряжение не должно зависеть от того, испытывается ли полная модель с концентрическими электродами или только сектор такой модели (рис. 3.4.5). Минимальное значение угла сектора, при котором наблюдается некоторое повышение разрядного напряжения, оказалось равным 30-40. Это подтверждает полученные ранее данные о том, что ток в ветви примерно в 10 раз меньше общего тока ПЧР. Аналогичный результат был получен и на реальной конструкции изолятора.
Исследование влияния конструкции аппаратных изоляторов на их характеристики в загрязненном и увлажненном состоянии
В процессе изучения особенностей развития разряда вдоль загрязненной аппаратной изоляции в зависимости от ее конструкции было испытано несколько типов изоляторов, отличающихся конструкцией ребер, величиной межреберного расстояния, диаметром и некоторыми другими параметрами. Основные размеры испытуемых изоляторов приведены в таблице 2.3.1. Результаты испытаний при воздействии напряжения промышленной частоты приведены на рис. 4.2.1 - 4.2.3, на которых показаны зависимости разрядных напряжений испытуемых изоляторов от поверхностной проводимости. Значения разрядных напряжений, соответствующие поверхностным проводимостям 8 и 16 мкСм, были использованы для расчета разрядных напряженностей. Из таблицы 4.2.1 видно, что наиболее высокие разрядные напряженности по длине пути утечки Ei имеет изолятор типа Ф2 с простыми ребрами. Усложнение ребра приводит к снижению значения Ei , однако для изолятора типа ФЗ это снижение невелико, так что разрядная напряженность по высоте фарфора для этого изолятора оказалась наибольшей. Низкие значения напряженности EL оказались у изоляторов с большой длиной пути утечки, особенно типа Фб.
Одной из причин этого, по-видимому, является то, что по сравнению с другими испытанными типами изоляторов данный изолятор имеет наибольший диаметр. Сравнивая изоляторы Ф7, Ф8, Ф9, которые были разработаны для воздушных выключателей, можно отметить, что наиболее высокие разрядные характеристики имеет изолятор Ф7. При сравнительном испытании изоляторов Ф7 и Ф8 также выяснилось, что при одной и той же интенсивности запыления поверхности этих изоляторов портландцементом удельная поверхностная проводимость у изолятора типа Ф8 выше, чем у изолятора Ф7. Это объясняется малым углом наклона ребер изолятора Ф8: как показали специальные опыты, проводимость слоя загрязнения определенного состава увеличивается по мере уменьшения угла наклона ребер, что связано с тем, что предельное количество влаги, удерживаемое слоем загрязнения, зависит от угла наклона ребер. Поэтому, если сравнить разрядные напряженности по высоте изоляторов Ф7 и Ф8 не при одинаковой поверхностной проводимости, а при одной и той же плотности загрязнения, то преимущество изолятора Ф7 окажется более значительным. Данные результаты послужили основанием для того, чтобы для серии выключателей серии ВНВ 110-750 кВ выбрать изолятор типа Ф7.
Для разработки внешней изоляции оборудования преобразовательных подстанций исследован ряд различных конструкций изоляторов при воздействии постоянного тока и напряжения промышленной частоты. Полученные экспериментальные данные и результаты расчета приведены в таблице 4.2.2. Видно, что электрическая прочность загрязненных изоляторов при постоянном токе близка или несколько ниже, чем при переменном (действующие значения). Полученные данные были использованы при разработке конструкций оборудования для ЛЭП постоянного тока. Для оценки разработанных выше методов расчета важно сравнить полученные экспериментальные данные с результатами расчета. Как видно из рис. 4.2.1. - 4.2.3 для большинства изоляторов разрядные напряжения оказались близкими к расчетным значениям, полученным по формуле (4.1.7). Это говорит о том, что, как правило, определяющую роль в процессе перекрытия изоляционных конструкций играет быстрое продвижение ПЧР вдоль пути утечки, что иллюстрируется кинокадрами, рис.4.2.4. Для некоторых изоляторов экспериментальные разрядные напряжения оказываются меньше расчетных, что, как показал анализ траектории разряда, объясняется шунтированием межреберных промежутков частичным разрядом. Анализ условий, при которых наблюдается такое шунтирование, необходим для оптимизации конфигурации ребер и будет проведен ниже.
