ГЛАВА ДЕСЯТАЯ
ИМПУЛЬСНЫЕ ИСПЫТАНИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ И ШУНТИРУЮЩИХ РЕАКТОРОВ
1. ЦЕЛЬ ИМПУЛЬСНЫХ ИСПЫТАНИЙ
Изоляция трансформаторов и реакторов, как и другой высоковольтной аппаратуры, рассчитана в основном на то, чтобы выдерживать перенапряжения (значительно превосходящие рабочее напряжение), которым они могут подвергаться в эксплуатации. Эти перенапряжения могут быть двух типов: грозовые (атмосферные) и коммутационные (внутренние).
Грозовые перенапряжения возникают при ударе молнии непосредственно в высоковольтную линию, опору или защитный трос с перекрытием гирлянды изоляторов, а также вблизи линии (индуктированные напряжения). Несмотря на свою ничтожную длительность (десятки микросекунд) грозовые перенапряжения являются для изоляции трансформатора весьма суровым воздействием вследствие своей высокой амплитуды и быстрого нарастания (здесь и ниже все сказанное о трансформаторах относится, если нет специальных оговорок, также и к реакторам). Внезапное изменение потенциала на линейном вводе создает в обмотке трансформатора сложный колебательный -процесс, при котором на изоляцию между частями обмотки, например между соседними катушками, может воздействовать во много раз большая доля полного напряжения, чем при рабочей частоте. Ввиду этого грозовые перенапряжения особенно опасны для продольной (межкатушечной, межвитковой и т. п.) изоляции трансформатора.
Способность трансформаторов и высоковольтных аппаратов противостоять грозовым перенапряжениям, или грозоупорность, является необходимым условием их безаварийной работы и поэтому проверяется специальными испытаниями, при которых объект испытания подвергается воздействию весьма кратковременных напряжений — грозовых импульсов, имитирующих, в известной мере, форму и длительность грозовых перенапряжений. Испытания грозовыми импульсами нормированы в СССР в качестве квалификационных испытаний, т. с. с их помощью проверяют грозоупорность конструкции [Λ. 1-4, 9-8]. Однако для мощных шунтирующих реакторов с пониженным классом напряжения нейтрали, изоляцию которых нельзя испытать напряжением промышленной частоты вследствие чрезмерной потребляемой мощности, испытания полными грозовыми импульсами являются приемо-сдаточными (см. § 10-2). Для силовых трансформаторов класса 750 кВ эти испытания согласно ГОСТ 20690-75 [Л. 9-8] Должны стать приемо-сдаточными с 1 января 1979 г.
Коммутационные перенапряжения возникают при всяком изменении режима сети, вызванном коммутацией или КЗ, например: включение и отключение холостой линии, автоматическое повторное включение линии (АПВ), отключение КЗ, отключение ненагруженного трансформатора, дуговое замыкание на землю (в сетях с изолированной нейтралью). По форме коммутационные перенапряжения обычно представляют собой затухающие колебания с периодом от нескольких сотен до нескольких тысяч микросекунд, накладывающиеся на напряжение рабочей частоты. Общая длительность коммутационных перенапряжений значительно больше грозовых (от миллисекунд до десятков миллисекунд), но амплитуды несколько ниже. В отличие от грозовых коммутационные перенапряжения равномерно распределяются по виткам обмотки трансформатора ввиду своей сравнительно низкой частоты и, следовательно, представляют опасность в основном не для продольной, а для главной изоляции трансформаторов, в особенности для высших классов напряжения, где запас прочности главной изоляции снижен. Для трансформаторов этих классов весьма актуально введение испытаний коммутационными импульсами, имитирующими форму и длительность коммутационных перенапряжений, так как только такие испытания могут надежно проверить способность изоляции трансформатора выдерживать подобные перенапряжения в эксплуатационных условиях.
Испытания высоковольтных трансформаторов и реакторов коммутационными импульсами нормированы в качестве обязательных в СССР для класса 750 кВ (Л. 1-4]. Испытания коммутационными импульсами трансформаторов и реакторов классов 330—500 кВ введены с 1/1 1978 г. [Л. 9-23]. Введение испытаний коммутационными импульсами особенно желательно для мощных шунтирующих реакторов, изоляция которых не испытывается напряжением промышленной частоты.
В будущем возможно внедрение испытаний трансформаторов высших классов напряжения коммутационными импульсами, как приемо-сдаточных, взамен одноминутного испытания напряжением промышленной частоты. Соответствующие рекомендации разрабатываются МЭК для трансформаторов с наибольшим рабочим напряжением свыше 170 кВ [Л. 9-4].
2. ФОРМЫ ИСПЫТАТЕЛЬНЫХ НАПРЯЖЕНИИ ГРОЗОВЫХ ИМПУЛЬСОВ
Формы грозовых перенапряжений в эксплуатации могут быть весьма разнообразными. Однако при испытаниях грозовыми импульсами по необходимости ограничиваются минимальным числом стандартных воздействий. Действующие ГОСТ устанавливают для трансформаторов и реакторов испытания двумя видами воздействий: полным и срезанным грозовыми импульсами. Стандартный полный грозовой импульс представляет собой апериодический импульс напряжения с быстрым подъемом и более медленным спадом (рис. 10-1,б). Приблизительно такую форму имеет грозовое перенапряжение на шинах подстанции, если оно не вызывает срабатывания трубчатого разрядника или перекрытия изоляции. Длительностью импульса t0,5 называется время от его условного начала до половины спада (рис. 10-1,б); она должна быть в пределах 50± 10 мкс. Длительность фронта импульса s, т. е. время подъема, условно определяемое так, как показано на рис. 10-1,а, должна составлять 1,2±0,36 мкс. Импульс с такими параметрами, условно обозначаемый, как импульс 1,2/50 мкс, рекомендуется также нормами МЭК [Л. 10-2].
При испытании внутренней изоляции силовых трансформаторов и реакторов рекомендуется применять импульс с длительностью 40—50 мкс при длительности фронта 1,15—1,56 мкс. Допускается применение колебательного сильно затухающего импульса согласно рис. 10-1,в при условии, что амплитуда первого обратного пика не превышает 1/2 амплитуды импульса. Длительность колебательного импульса считается до полуспада основного пика.
Рис. 10-1. Нормированный полный грозовой импульс: а —фронт импульса; s — длительность фронта; б — апериодический импульс; t0,5 —длительность импульса; в — колебательный импульс, переход через нуль на спаде Uобр.
Рис. 10-2. Полный грозовой импульс с колебаниями на вершине.
Допустимая амплитуда колебаний 0,05.
Рис. 10-3. Нормированный срезанный грозовой импульс.
Предразрядное время τ=2:3 мкс; ʀ0— переход через нуль; Тср —период колебании.
При отсутствии технических возможностей получить указанные параметры импульса разрешаются отступления. При испытании объектов с большой входной емкостью допускается увеличение длительности фронта до 3 мкс. При испытании силовых трансформаторов и реакторов с малой индуктивностью допускается уменьшение длительности импульса до 15 мкс (влияние параметров объекта испытания на форму полного импульса paccмотрено в § 10-6). Допускаются также колебания или единичный выброс на гребне импульса (см. рис. 10-2) при условии, что их значение не превышает 5% амплитуды основного импульса (последняя принимается за амплитуду испытательного напряжения, если частота колебаний не менее 0,5 МГц или длительность выброса не более 1 мкс).
При уменьшении длительности фронта импульса возрастают напряжения, возникающие в ходе переходного процесса на малых участках обмотки (например, на паре катушек многосекционной обмотки), условно называемые градиентами и определяющие прочность продольной изоляции трансформатора или реактора. Длительность импульса практически не влияет на градиент, но с ее возрастанием могут увеличиваться возникающие в обмотке потенциалы и уменьшаться прочность главной изоляции.
Второй вид испытательного воздействия — срезанный грозовой импульс характеризуется резким падением напряжения, так называемым «срезом», по прошествии определенного времени от начала явления (рис. 10-3). Он соответствует случаю срабатывания трубчатого разрядника, а также перекрытия воздушной изоляции или защитного промежутка при грозовом перенапряжении на подстанции. Потенциал на вводе объекта испытания совершает после среза затухающие колебания вокруг нулевой линии (рис. 10-3). Отношение амплитуды первого обратного пика к амплитуде импульса называется коэффициентом перехода через нуль и обозначается. Допускается уменьшение с помощью резистора, вводимого в контур среза, если без этого демпфирования значение превышает 0,6 для трансформаторов и реакторов классов напряжения до 330 кВ включительно; для классов 500 и 750 кВ предельное значение k0 составляет 0,3. Предразрядное время т, т. е. время от условного начала импульса до момента среза (рис. 10-3), должно быть в пределах 2—3 мкс.
Как правило, срезанный импульс получают из стандартного полного импульса с помощью управляемого разрядника, это обеспечивает требуемое предразрядное время с высокой точностью. Допускается, однако, срез на фронте импульса обычным шаровым промежутком, причем нужное предразрядное время получают увеличением длительности фронта. В этом случае отношение амплитуды среза к амплитуде полного импульса должно составлять 0,75—0.9.
Испытание срезанным грозовым импульсом преследует две цели:
1. Проверяют прочность главной изоляции трансформатора при воздействии импульса менее длительного, чем стандартный полный грозовой импульс, но с большей амплитудой, поскольку для срезанного импульса нормировано на 5—15% более высокое испита-
тельное напряжение, чем для полного. Этим учитывается возможный кратковременный подъем напряжения на вводе трансформатора сверх остающегося напряжения удаленного вентильного разрядника.
Рис. 10-4. Осциллограммы импульсных градиентов на третьем межкатушечном канале обмотки ВН трансформатора 1000 кВ-А, 35 кВ.
а — полный грозовой импульс; б — срезанный грозовой импульс.
2. Проверяют прочность продольной изоляции трансформатора при воздействии на нее градиентов, более высоких, чем при полном импульсе. Последнее объясняется тем, что срез импульса можно рассматривать как приложение к объекту испытания в момент среза импульса обратной полярности, который, имея очень большую крутизну и повышенную за счет колебаний амплитуду, создает в обмотке высокие градиенты (рис. 10-4).
Как правило, для испытания внутренней изоляции трансформаторов используют импульсы отрицательной полярности, так как это уменьшает риск перекрытия вводов и воздушных промежутков.
