СИГРЭ-72 - Подстанции переменного тока - Разработка мини-КРУ 500 кВ

РАЗРАБОТКА МИНИ-КРУ 500 кВ (МИНИАТЮРНЫЕ КОМПЛЕКТНЫЕ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА) *
Т.  АКАГИ, X. КЕНМОШИ, С. САБА, К. САКАТА (Япония) ВВЕДЕНИЕ

* Т. Takagi, Н. Kenmochi, S. Saba, К. Sakata. Development of 500 kv miniclad (Mini type metal-clad substations). СИГРЭ, сессия 1972 г., доклад 23-02. Перевод с английского А. М. Берковского.

В настоящее время в Японии магистральные электропередачи имеют напряжение 275 кВ. Однако в связи с большим ростом потребления электроэнергии, превосходящим 10% в год, уже построен ряд электропередач 500 кВ, которые в ближайшем будущем будут работать на номинальном напряжении.
Подстанция 500 кВ при применении обычного оборудования занимает площадь около 30 га, а приобретение незастроенного участка такого размера становится все труднее. Электростанции большой мощности, сооружаемые у морского побережья, имеют затруднения в части предохранения наружной изоляции оборудования 500 кВ от солевых загрязнений.
Для решения этих проблем Tokyo Electric Power Со и Tokyo Shibaura Electric Со в 1968 г. начали совместные разработки миниатюрных КРУ в металлических кожухах (мини-КРУ).
Основными свойствами этих КРУ являются: предельная миниатюризация; защита от проникновения загрязнений; усовершенствования в части безопасности, надежности и удобства обслуживания.
Мини-КРУ на напряжения 66, 154 и 275 кВ уже разработаны и успешно обеспечивают электроснабжение городских густозаселенных районов. Недавно на основе этого опыта и современной технологии впервые в мире были разработаны мини-КРУ 500 кВ. Удалось сократить территорию, занимаемую подстанцией 500 кВ, в 20 раз, а ее объем — в 60 раз.
Предполагается, что это упростит внедрение экономичных мощных подстанций в центрах нагрузок городских районов, где трудно отчуждать достаточно земли для подстанций с оборудованием обычного типа, поскольку быстрый рост деловой жизни и модернизация городов очень повысили стоимость земли.

1. Основные понятия и особенности конструкции

Разработка мини-КРУ проводится с целью уменьшения площади и объема, занимаемых подстанцией. Существенно (по сравнению с обычным оборудованием) повышены безопасность и надежность, снижены стоимости как самой установки, так и ее эксплуатации и ремонта.
Изоляция обычных РУ создается окружающим воздухом и фарфоровыми изоляторами, в то время как в мини-КРУ используются элегаз высокой электрической прочности и литые эпоксидные изоляторы высокого качества.
Для обеспечения высокой надежности и безопасности мини-КРУ необходимы выбор материалов высшего качества, целесообразная конструкция и надлежащие элементы, которые тщательно разработаны в последнее время.
1.1. Изоляционные свойства элегаза. Хотя электрическая прочность элегаза в равномерном электрическом поле очень высока, в неравномерном поле она несколько снижается. Изучались соотношения между габаритом, конфигурацией, шероховатостью поверхностей и материалом электродов для получения оптимальной их комбинации и увеличения напряжения перекрытия в атмосфере элегаза.
На рис. 1 показаны соотношения между градиентом напряжения перекрытия и давлением элегаза при различных внутренних и наружных диаметрах коаксиальных цилиндров из различных материалов.
Ниже приведены параметры коаксиальных цилиндрических электродов, применявшихся при испытаниях.
Для позиций на рис. 1

На рис. 1 точки 1, 3, 5, 7, 9 соответствуют воздействию волны положительной полярности, 2, 4, 6, 8, 10 — отрицательной.
Эксперимент показал, что прочность увеличивается пропорционально давлению газа в рабочем диапазоне, в то время как максимальный градиент зависит от формы волны напряжения и ее полярности. Напряжение перекрытия, приложенное к центральному проводнику, при отрицательной полярности ниже, чем при положительной. При повышении давления газа можно уменьшить изоляционные промежутки, а значит, казалось бы, и размеры КРУ, однако при этом увеличивается напряженность поля и повышается опасность сжижения газа при низких температурах. С учетом этого было принято давление в 2,7±0,2 кгс/см2 при 20°С. Для обеспечения надежности и безопасности нормальное рабочее напряжение не должно вызывать пробоя изоляции даже при нулевом давлении газа.

1. Изоляционные распорки. Для эффективного использования изоляционных расстояний распределение электрического поля должно быть по возможности равномерным. У шинопроводов и кожухов легко сделать поле равномерным, так как они выполняются в виде коаксиальных цилиндров. Распорки, используемые для крепления токоведущих частей, создают очень сложное поле; примененный для детальных исследований метод картографии поля позволил создать малогабаритные и хорошо работающие распорки.

В распорки залиты регулирующие поле экраны. Регулирующие экраны вокруг соединений токопроводов и распорок необходимы, поскольку соединительные элементы токопроводов и распорки обусловливают концентрацию электрического поля и высокие градйенты напряжения.
Были детально проанализированы оптимальные конструкции, размеры и экранирующее действие распорок с экранами.
Распорки поддерживают токопроводы, и поэтому они должны рассматриваться как часть кожуха с газом под давлением. Распорки должны обладать достаточной механической прочностью, чтобы выдерживать случайные повышения давления элегаза и воздействие электромагнитных сил при к. з. на сборных шинах.
По результатам испытаний можно сделать вывод, что распорки будут иметь достаточную механическую и электрическую прочность при любых эксплуатационных условиях.

1. Использованные материалы. Исследования показали, что элегаз имеет достаточные изолирующие характеристики в примененной новой изоляционной системе. Элегаз разлагается при коронных разрядах и воздействии высоких температур, вызванных энергией дуги. Изучены изменения, свойства и характеристики разложившегося элегаза.

Выбор используемых материалов выполнен в соответствии с результатами электрических и механических испытаний в различных тяжелых условиях, как, например, при наличии разложившегося элегаза. На рис. 2 приведены характеристики ползучих разрядов для эпоксидных смол при воздействии высоких температур.

Рис. 1. Критические пробивные напряженности (Екр) между коаксиальными цилиндрическими электродами в функции от давления, приведенного к +20 °С. а — при стандартной импульсной волне 1,1/40 мкс; б — при возникающей при коммутации; в  — при промышленной частоте 50 Гц.

Рис. 2. Характеристики ползущих разрядов различных эпоксидных смол.
1 — смола типа А; 2 — смола типа В.

1.4.           Конструкция уплотнений. В мини-КРУ необходимо поддерживать высокую чистоту элегаза; должны быть предотвращены утечка элегаза и проникновение влаги извне. Для достижения этой цели были исследованы материалы, применяемые в уплотнениях существующих конструкций, жесткость и формы пазовых желобов. Были исследованы также разрушение материалов при длительных воздействиях, влияние погодных условий на сальники и их уплотнения.
В качестве материала для уплотняющих колец выбран этилен-пропилен. Кольцевое уплотнение выбрано в связи с его высоким сопротивлением на сжатие, что обусловливает в течение длительного времени отсутствие разрушения и совершенную конструкцию уплотнения.
Быстродействующий привод выключателя смонтирован внутри кожуха, что предотвращает утечки газа. Кожух, находящийся под давлением, проверен гидравлическими испытаниями в стадии изготовления, и его механическая прочность признана достаточной.
Испытания на утечку газа осуществлялись как на заводе, так и при монтаже. Результаты испытаний показали, что утечка составляет менее 1 % в год.

1.5.           Выбор типа соединителей. Разработка и целесообразное размещение выключателей, разъединителей, измерительных трансформаторов и шин сделали возможным уменьшение размеров КРУ до минимума. Все эти элементы — стандартные. Для соединения элементов КРУ на них предусмотрены втычные контакты, так что их легко заменять для ремонта, что обеспечивает экономию трудозатрат, сокращение длительности монтажа и значительное его упрощение.