В. Ф. Воробьев, В. Л. Иванов
Широкое внедрение ограничителей перенапряжений на основе высоконелинейных оксидноцинковых резисторов, синхронизированных выключателей с предвключенными резисторами и др. создает предпосылки для глубокого ограничения коммутационных перенапряжений в электропередачах сверхвысокого напряжения (330...750) кВ. С учетом этого расчетную кратность коммутационных перенапряжений можно уменьшить до величины Кп = 1,6... 1,8 против принятой сейчас K = 2,1 ...2,7. Соответственно могут быть существенно снижены габариты изоляционных конструкций электрических аппаратов.
В таблице приведены необходимые величины 50%-ных разрядных напряжений для различных Kп. Расчет проводился по общепринятой методике:
где σ* — коэффициент вариации, принимаемый равным 0,05; kp — коэффициент, учитывающий снижение давления воздуха в месте установки аппарата (kp = 1,1 для 330 и 500 кВ, kp = 1,05 для 750 кВ).
Эффект глубокого ограничения перенапряжений может быть реализован на практике лишь при использовании опорных изоляторов с повышенной удельной длиной пути утечки. Существенное повышение влагоразрядных характеристик фарфоровых опорных изоляторов ограничено технологическими трудностями. Применение полимерных материалов позволяет разработать конструкции изоляторов с весьма высокими величинами средних влагоразрядных напряженностей по строительной высоте [1]. Однако важным условием работоспособности полимерных изоляторов является ограничение напряженности электрического поля при рабочем напряжении до E50 гц = (2...3) кВ/см [2]. Выравнивание распределения напряжения по сухой опорно-изоляционной конструкции аппаратов возможно с помощью тороидальных экранов. При экранировании высоковольтного элемента аппарата, установленного на одиночной колонке, максимальное ограничение напряженности электрического поля в изоляции под аппаратом достигается при размещении тороидального экрана радиусом RT на расстоянии RТ/√2 от нижнего края верхнего фланца изолятора [3]. В этом случае длина изолятора значительно превышает воздушные изоляционные промежутки.
Таким образом, глубокое ограничение коммутационных перенапряжений и разработка новых типов полимерных изоляторов с высокими разрядными характеристиками позволят в ближайшее время значительно сократить размеры изоляционных конструкций. При высоте подножников 2,5 м такое сокращение ведет к недопустимому возрастанию напряженности электрического поля в зоне обслуживания аппаратов на подстанциях. Это вызывает необходимость увеличения высоты поднож- ников до (4... 8) м в зависимости от класса напряжения.
Рис. 1. Зависимость электрической прочности системы электродов тороидальный экран аппарата — заземленный подножник от расстояния между электродами
Рис. 2. Влияние высоты и площади подножника на 50%-ное разрядное напряжение изоляционного промежутка экран — подножник: 1, 2,3, 4, 5 — Dп=0,5 м, 2'— Dп= 1,5 м; 2", 4" — Dп = 2м
В связи с изложенным важно оценить влияние размеров (высоты и площади) подножников на электрическую прочность промежутка экран аппарата—земля при уменьшенных размерах опорной изоляции. Опыты проводились на наружной испытательной площадке. Источником испытательного напряжения служил каскад трансформаторов 2,25 МВ, работающий в режиме формирования коммутационных импульсов с длительностью фронта 3000 мкс.
В качестве высоковольтного электрода использовался тороидальный экран диаметром DT = 2 м из трубы диаметром 9 см. Подножник макетировался тороидальными экранами с Dп = (0,5... 2) м, установленными на вертикальном заземленном стержне высотой h (рис. 1). Высота подножника менялась от h = 0 (промежуток экран — земля) до h = 8 м. В каждой серии опытов определялись параметры кривой эффекта: 50%-ное разрядное напряжение и коэффициент вариации а* на основании 100—200 опытов.
Результаты испытаний (рис. 1 и 2) показывают, что с увеличением высоты подножника разрядные напряжения возрастают сначала быстро, а затем все медленнее. Максимальное повышение разрядного напряжения при всех обследованных высотах H достигается при h > 1,5H и составляет примерно 1,4 разрядного напряжения при h = 0. Для коротких изоляционных промежутков характерно значительное влияние размеров (площади) подножника на величину U0,5 (см. рис. 2), причем тем сильнее, чем больше отношение Dп/Hи. При Dп/Hи = 2 увеличение почти не вызывает роста разрядных напряжений. Так, увеличение диаметра заземленного тора Dп от 0,5 до 2 м приводит к снижению U0,5 при Ни = 1,5 м на 30%. Поэтому в конструкциях аппаратов для ОРУ с глубоким ограничением перенапряжений следует максимально уменьшать площадь заземленных оснований аппаратов. При определенных величинах Hи' наблюдается снижение средней разрядной напряженности вдоль кратчайшего изоляционного промежутка, что можно объяснить изменением механизма пробоя промежутка от стримерной формы к лидерной (рис. 3).
Рис. 3. Зависимость средней разрядной напряженности вдоль кратчайшего изоляционного промежутка при разных высотах подножника (Dп = 0,5 м)
Для расстояний близких к точке перегиба, характерно появление «бинормальности» в кривых эффекта. Это явление приводит к существенному увеличению σ* до 0,06... 0,08 и, как следствие, к значительному снижению выдерживаемого напряжения. С увеличением высоты подножника до (4...6) м уменьшение Еср p (см. рис. 3) и появление «бинормальности» в кривых эффекта наблюдается при Н= (2,5...3) м.
В таблице приведены выбранные по результатам выполненных исследований (см. рис. 1) изоляционные расстояния Ни для электрических аппаратов при h= (4... 6) м и разных Кп. Там же приводятся размеры изолятора Низ из условия Dт = 2 м. Длина изолятора, как отмечено выше, превышает Hи на величину RТ/√2.
Как видно из таблицы, при глубоком ограничении коммутационных перенапряжений и применении высоких подножников изоляционные расстояния электрических аппаратов до UH = 750 кВ не превышают 2,5 м, а длины изоляторов — 3 м, что может быть реализовано при использовании полимерных изоляторов.
ВЫВОДЫ
- Глубокое ограничение коммутационных перенапряжений, применение полимерных изоляторов, установленных на высоком подножнике, позволяет значительно сократить габариты высоковольтных электрических аппаратов.
- Увеличение высоты подножников приводит к повышению разрядных напряжений, которое достигает максимума (30... 40) % при h > 1,5 Н.
- В конструкциях электрических аппаратов при H = (2...3) м необходимо максимально уменьшать площадь подножников.
