Расчет тепловых полей высоковольтных маслонаполненных вводов

Ушакова М.В. (АО НИИПТ, Санкт-Петербург)

Основной причиной повреждения высоковольтных вводов, залитых маслом Т-750, является пробой по внутренней поверхности нижней фарфоровой покрышки из-за недостаточной электрической прочности нижнего узла вводов при ухудшении состояния масла.
Механизм развития этого повреждения хорошо известен:

1. ускоренное старение масла, формирование коллоидов, содержащих атомы металла;
2. осаждение полупроводящего осадка на поверхности фарфора, что приводит к нарушению электрического поля внутри ввода;
3. появление частичных разрядов в результате снижения прочности масла;
4. газообразование, поверхностные разряды, пробой.

Казалось, что замена масла Т-750 на масло ГК, устранит повреждения вводов по этой причине. Однако уже встречаются случаи отказов вводов с маслом ГК, из-за пробоя по нижней фарфоровой покрышке.
Причины ускоренного старения масла выяснены недостаточно. Одним из факторов является повышенная температура.
Источниками нагрева ввода являются потери от тока в токоведущем стержне, диэлектрические потери в изоляции и горячее масло трансформатора, температура которого в верхних слоях доходит до 95 °С.
Для более полного представления о тепловых процессах, происходящих внутри маслонаполненного ввода под действием эксплуатационных факторов, было экспериментально определено распределение температур в аксиальном и радиальном направлениях в герметичном вводе типа ГБМТ110/630, чертеж № 2ИЭ.800.026. Условия нагрева были приближенны к эксплуатационным:

1. нагрев нижней части ввода до температуры, равной температуре верхних слоев масла трансформатора в номинальном режиме;
2. нагрев потерями в токоведущем стержне от тока нагрузки, от 0,5 до 0,95 1н.

Для разогрева нижней части ввод был установлен в специальную печь с маслом, которое нагревалось до рабочих температур.
Для создания рабочего тока внутрь токоведущей трубы был помещен отвод, подключенный к источнику переменного тока.
Чтобы можно было проследить за изменением температуры в радиальном и аксиальном направлениях термопары были установлены на токоведущей трубе, внутри изоляционного остова и в масляном канале, в верхней и нижней частях ввода.
Тепловые режимы испытания ввода и полученные значения температуры представлены в табл. 1.

Температура во вводе, в различных режимах нагрева

Обозначение термопар, приведенных в табл.1:
Т1 - температура на поверхности токоведущей трубы на высоте около 340 мм от нижней опорной гайки;
Т2 - температура в середине толщины бумажной изоляции на высоте около 340 мм от нижней опорной гайки;
ТЗ - температура в масле ввода у поверхности остова на уровне фланца;
Т4 - температура на поверхности трубы на высоте около 1200 мм от нижней опорной гайки;
Т5 - температура в середине толщины бумажной изоляции на высоте около 1200 мм от нижней опорной гайки;
Тб - температура на поверхности изоляции остова на высоте около 1300 мм от нижней опорной гайки;

Т8 - температура на токоведущей трубе в верхней части ввода на высоте около 1630 мм от нижней опорной гайки.
Экспериментально установлено, что распределение температуры по остову существенно различается при различных режимах нагрева: маслом трансформатора или током нагрузки ввода. Так в режиме нагрева только верхними слоями масла (кривая 1, рис.1), изоляционный остов оказывается более нагретым, чем в случае нагрева только потерями от тока нагрузки (кривая 2, рис.1). С увеличением тока нагрузки увеличивается перепад температур в радиальном направлении от токоведущей трубы через толщу изоляции к маслу ввода (рис. 2).

Рис. 2
Т, °С Распределение температур по изоляции при разных вариантах нагрева

Следующим этапом исследования теплового поля внутри ввода было сравнение экспериментальных данных с данными приближенного расчета, обычно используемого на практике. В расчете

Рис. 3. Экспериментальное распределение температур во вводе 110кВ при температуре верхних слоев масла 85 °С:
а)— по вертикали; б)— по горизонтали.
1— 1Исп“0;                      2— 1исп=0.531н;
3— 1исп-0.741и; 4— 1исп=0.851„
— пренебрегают тепловым потоком в аксиальном направлении, и принимают равным нулю тепловой поток через поверхность нижней фарфоровой покрышки, считая, что все выделяющееся во вводе тепло передается в окружающую среду через верхнюю фарфоровую покрышку.
Таким образом, полностью пренебрегают теплообменом с маслом трансформатора. Проведенные по этой методике расчеты показали превышение расчетных значений температуры изоляционного остова над измеренными экспериментально почти во всех режимах испытаний. Разница между расчетными и экспериментальными значениями температур достигала 9°.
Из анализа представленных экспериментальных распределений температуры (рис. 3) в изоляции ввода видно, что существует поток тепла не только в радиальном, но и в аксиальном направлении. Разница в температурах изоляции по высоте составляет около 7°С для одинаковых режимов нагрева масла в печке.
Новый расчет был проведен с учетом аксиального потока тепла от разогретого масла трансформатора.
Результаты расчета представлены в табл. 2.
Таблица 2
Температура в середине изоляционного остова Тосх

Сопоставление экспериментальных распределений температуры во вводе в аксиальном и радиальном направлениях с результатами данного расчета теплового поля внутри ввода показало их практически полное совпадение (кривые 1,2, рис.4).
Проведенные численные исследования показывают, что расчет теплового режима изоляции ввода с учетом нагрева его нижней части маслом трансформатора можно успешно применять для изучения теплового состояния изоляции высоковольтных изоляционных конструкций с бумажномасляной изоляцией конденсаторного типа.

Рис. 4

1. - экспериментальные данные
2. - расчетные данные

Следует отметить, что экспериментальное определение температур и расчет тепловых потоков внутри ввода проводился без учета диэлектрических потерь в изоляции остова. Рассмотренная методика может быть использована и для расчета тепловых режимов в реальной эксплуатации, если учесть выделение тепла в изоляции остова за счет диэлектрических потерь.

Литература:

1. Изоляция установок высокого напряжения. Учебник для вузов/Под ред. Г.С.Кучинского. М.: Энергоатомиздат,1987.
2. Дмитревский B.C. Расчет и конструирование электрической изоляции: Учебное пособие для вузов. М.: Энергоиздат, 1984.
3. Никулин Н.В., Шишорина Г.Д. Высоковольтные воды и их ремонт. М.: Высшая школа, 1980.
4. Бажанов С.А., Воскресенский В.Ф. Монтаж и эксплуатация маслонаполненных вводов. М.: Энергоиздат, 1981.
5. Петкевич Г.И., Гречко О.Н. Анализ поведения характеристик изоляции и содержания растворенных в масле газов при ресурсных испытаниях маслонаполненных вводов 110 кВ. В сб. "Методы и средства оценки состояния энергетического оборудования". Выпуск 5. С-Пб, 1997.