а) Форма импульса. Испытательные напряжения.
Испытания внутренней изоляции трансформаторов и реакторов коммутационными импульсами стандартизованы для классов 330—750 кВ [Л. 9-8, 1-4]. Методы этих испытаний впредь до их стандартизации определяются инструкцией, утвержденной в установленном порядке, и [Л. 9-8, 1-4].
Длительность коммутационных перенапряжений в эксплуатации колеблется в широких пределах и может достигать десятков миллисекунд. Однако создание испытательных импульсов такой длительности крайне затруднительно.
Поэтому для испытаний нормирована длительность импульса не менее 1 мс (согласно данным, полученным на моделях, электрическая прочность маслобарьерной изоляции при воздействии коммутационного импульса практически не зависит от длительности последнего в диапазоне 1—20 мс).
Для испытания трансформаторов нормирован колебательный затухающий импульс (рис. 10-33).
Амплитуда второй полуволны должна составлять не более 0,85 амплитуды импульса. Кроме того, желательна длительность воздействия напряжения, превышающего 0,9 амплитуды импульса, 200 мкс.
При отсутствии технических возможностей получить длительность импульса не менее 1000 мкс допускается ее уменьшение до 500 мкс.
При испытании безиндуктивных объектов (моделей, устройств переключения) применяется апериодический коммутационный импульс с теми же нормами для и t0,9, что и для трансформаторов; длительность импульса t0,5 считается в этом случае до полуспада и также должна быть не менее 1000 мкс.
Таблица 10-10
Испытания трансформаторов и реакторов коммутационным импульсом
Испытательные напряжения относительно земли, приведенные в табл. 10-10, принимаются на 15—25% выше наибольшего пробивного напряжения вентильного разрядника группы II для соответствующего класса. Предполагается, что пробивные напряжения разрядников при коммутационном импульсе приблизительно равны амплитудам их пробивных напряжений при промышленной частоте, приведенных в графе 2 табл. 10-10
Принятые значения испытательных напряжений соответствуют стандартизованным значениям МЭК [Л. 10-15]. Нормальная полярность импульсов отрицательная (для первой полуволны).
б) Методика испытания трансформаторов
Наиболее рациональной для получения требуемого испытательного импульса на вводе ВН испытываемого трансформатора является подача возбуждающего импульса малой амплитуды на обмотку НН и трансформация его на сторону ВН (рис. 10-34,а и б). Возбуждающий импульс может быть получен путем разряда заряженной емкости на обмотку НН испытываемого или промежуточного трансформатора. Коэффициент трансформации при коммутационном импульсе близок к соотношению чисел витков обмоток ВН и НН, т. е. примерно тот же, что и для промышленной частоты.
Если коммутационным импульсом испытывается автотрансформатор, то испытательное напряжение по табл. 10-10 устанавливается для ввода ВН соответственно его классу.
Рис. 10-34. Схемы подачи коммутационного импульса на объект испытания.
а — на однофазный трансформатор; б — на трехфазный трансформатор; в — на однофазный реактор; г — на трехфазный реактор.
Амплитуды коммутационного импульса для обмоток НН и СН трансформаторов
Если класс напряжения СН равен 330 кВ или выше, то устройство переключения числа витков ставится в такое положение, чтобы амплитуда импульса на вводе СН, рассчитанная по коэффициенту трансформации, была близка к его испытательному напряжению по табл. 10-10, но не превосходила последнее. Амплитуды импульсов на вводах СН с классом напряжения ниже 330 кВ, а также на вводах НН согласно [Л. 10-13] не должны превышать при испытании допустимых значений, приведенных в табл. 10-11.
При испытании трехфазных трансформаторов трехстержневых или любых с обмотками НН, соединенными в треугольник (рис. 10-34,б), на междуфазную изоляцию ложится 1,5-кратное испытательное напряжение, что нормировано [Л. 1-4] и приблизительно соответствует соотношению междуфазных и фазных коммутационных перенапряжений в эксплуатации [Л. 10-1]. При проектировании трансформатора внутренняя междуфазная изоляция и расстояние между вводами соседних фаз должны быть рассчитаны на это напряжение. При коммутационном импульсе напряжение по виткам испытываемой обмотки распределяется приблизительно равномерно, как и при промышленной частоте. Поэтому продольная изоляция, например межкатушечная, в противоположность грозовому импульсу нагружается очень слабо. Можно считать, что при коммутационном импульсе в основном испытывается главная изоляция трансформатора. Крайне важно при испытании регистрировать не только полный пробой этой изоляции, но и частичные, разряды в ней, повышенный уровень которых может свидетельствовать о ее повреждении. Необходимость измерения частичных разрядов (ЧР) при испытании трансформаторов коммутационным импульсом заставляет обратить особое внимание на устранение помех такому измерению, которые могут создаваться схемой генерации импульса, в особенности срабатыванием искровых промежутков.
Коммутационный импульс рекомендуется получать с помощью схемы, в которой помехи измерению ЧР сведены к минимуму (рис. 10-35) [Л. 10-16]. Емкость Сг (сотни микрофарад) заряжается от зарядного устройства ЗУ до напряжения несколько киловольт и разряжается в требуемый момент с помощью управляемого вентиля В (тиратрон, тиристор) через первичную обмотку промежуточного повышающего трансформатора ПТ. Трансформированный импульс полается на обмотку НН испытываемого трансформатора ИТ. Емкостный делитель С1—С2 на стороне ВН служит для включения приборов, регистрирующих как амплитуду и форму испытательного импульса (между точкой / и землей), так и ЧР (между точкой 2 и землей). В качестве этого делителя может быть использован ввод ВН, снабженный измерительной обкладкой.
Как и при испытании грозовым импульсом, осциллографируется ток в нейтрали ВН испытываемого трансформатора (напряжение между точкой 3 и землей). Эти снимки служат для регистрации пробоев продольной изоляции, т. е. являются дефектограммами.
В качестве вентиля В может быть использован тиратрон типа ТР1-85/15, пропускающий в импульсном режиме ток до 1000 А при обратном напряжении до 15 кВ.
Рис. 10-35. Схема получения коммутационного импульса при испытании трансформатора.
В — управляемый вентиль; ПТ— промежуточный трансформатор; ИТ — испытываемый трансформатор; I — измерение амплитуды и съемки формы импульса; 2 — измерение ЧР; 3 — съемка дифрактограмм.
Использование вентиля вместо искрового промежутка введение в схему разделительного трансформатора ПТ и отсутствие проводки на стороне ВН испытываемого трансформатора позволяют снизить помехи при измерении ЧР до значения, характеризуемого кажущимся зарядом (3-:-5)10-9 Кл. Допустимое при испытании значение ЧР составляет согласно инструкции I · 10-7 Кл. Схема измерения ЧР в принципе та же, что и для промышленной частоты (см. § 9-8); измерителем служит осциллограф. Для визуального наблюдения ЧР в ходе испытания удобно использовать запоминающий осциллограф (см. § 10-8).
Для регистрации формы и амплитуды импульса может быть использован любой осциллограф со ждущей разверткой с полосой пропускания до 0,5 МГц. Согласно для схемы осциллографирования, включая делитель, время реакции на прямоугольный импульс должно составлять не более 10% длительности фронта коммутационного импульса, т. е. в нашем случае не более 10 мкс, это можно считать всегда обеспеченным. Если используется отдельный делитель, то он обычно является чисто емкостным или емкостным демпфированным (см. рис. 10-24,в, г). Омический и параллельный емкостно-омический делители (см. рис. 10-24,а, б) осциллографирования коммутационного импульса можно применять лишь при достаточно большом активном сопротивлении, параллельном объекту испытания, чтобы нс снижать длительность и амплитуду импульса.
Если применяется дополнительный делитель НИ для подсоединения пластин явления (см. рис. 10-28). то при съемке коммутационного импульса во избежание искажения, вносимого сопротивлением утечки rу, емкости делителя Са необходимо шунтировать сопротивлениями ra такого размера, чтобы имело место равенство:
(10-48)
где Спя — емкость пластин явления.
Как и для грозового импульса, для измерения амплитуды коммутационного импульса может быть использован импульсный вольтметр с погрешностью не более ±1,5%. Градуировка схемы измерения производится, как правило, с помощью измерительного шарового разрядника на стороне ВН испытываемого трансформатора. При испытании этот шаровой разрядник отключается, чтобы устранить высоковольтную проводку.
Если значение разрядной емкости СГ достаточно велико, то длительность импульса при испытании трансформаторов определяется насыщением магнитопровод (Л. 10-13). Поскольку в схемах на рис. 10-34,а и б отсутствуют короткозамкнутые обмотки, при подаче напряжении на обмотку НМ в магнитопровода начинает возрастать магнитный поток; спустя время, считая от начала импульса, магнитная индукция достигает значения, соответствующего насыщению стали, это приводит к уменьшению индуктивности обмотки, возрастанию тока и резкому падению напряжения импульса, которое быстро переходит после этого через нуль (см. рис. 10-33). В результате время до перехода через нуль to лишь ненамного превышает время насыщения очевидно, что чем выше амплитуда импульса, тем быстрее достигается насыщение, тем меньше t0: длительность импульса падает при переходе к более высоким ступеням напряжения. Кроме того, при подаче ряда импульсов на одной и той же ступени длительность каждого последующего импульса может быть несколько меньше, чем у предыдущего, ввиду возрастания остаточного намагничивания магнитопровода. Как правило, при переходе от 60 к 100% испытательного напряжения длительность падает на 30—40%, что должно учитываться при анализе дефектограмм.
Рис. 10-36. Увеличение с помощью противонамагничивания длительности коммутационного импульса при испытании трансформатора 220 кВ. 32 000 кВ-А.
а —365 кВ. Г0=1400 мкс; б — 550 кВ. 900 мкс; в — противонамагничивающий импульс 365 кВ., > 3000 мкс; г — 550 кВ после противонамагничивающего импульса. 3250 мкс; период градуировки 500 мкс.
Если вследствие насыщения длительность импульса при испытательном или промежуточном напряжении окажется ниже нормированного значения, она может
быть поднята с помощью так называемого противонамагничивания: перед подачей данного импульса на трансформатор подается импульс обратной (положительной) полярности с амплитудой, равной примерно 60% испытательного напряжения. Ввиду изменения знака остаточного намагничивания длительность последующего отрицательного импульса увеличивается в несколько раз (рис. 10-36). Эту процедуру необходимо повторять перед подачей каждого испытательного импульса. Полярность импульса изменяется путем перемены знака зарядки емкости Сг.
Согласно [Л. 10-13] наибольшая длительность коммутационного импульса при применении противонамагничивания определяется приближенно выражением:
(10-49)
где w — число витков обмотки ВН испытываемого трансформатора; Q — сечение стержня магнитопровода, м2; Ва — индукция насыщения, Т (для холоднокатаной стали Bs=2 Т); U — амплитуда импульса на стороне ВН испытываемого трансформатора, В.
Применение схемы по рис. 10-35 предполагает, что в промежуточном трансформаторе магнитная индукция ниже, чем в испытываемом, и поэтому его насыщение не ограничивает длительности импульса. Как правило, при испытании трансформаторов с применением противонамагничивания длительность коммутационного импульса достаточна.
Время подъема напряжения зависит от фронтового сопротивления rф (рис. 10-35), которое служит для предотвращения колебаний на фронте коммутационного импульса и эквивалентной емкости трансформатора С'т, приведенной к стороне НН:
(10-50)
где k —коэффициент трансформации испытываемого трансформатора; СВн — емкость обмотки ВН одной фазы испытываемого трансформатора на землю; Св — емкость ввода ВН.
Для упрощения пренебрегаем емкостью промежуточного трансформатора. Постоянная времени фронта:
(10-51)
Время подъема напряжения до максимума (при
реальных параметрах импульса):
(10-52)
в) Методика испытаний реакторов
При испытании реактора коммутационный импульс получается от многоступенчатого ГИН и подается непосредственно на ввод ВН испытываемого объекта (см. рис. 10-34,в и г). Могут быть использованы ГИН, служащие для получения грозового импульса (см. § 10-5), но разрядные резисторы ступеней в схемах рис. 10-8,а и б для увеличения длительности импульса должны быть заменены на значительно большие, имеющие сопротивление порядка зарядных сопротивлений. Кроме того, для увеличения длительности фронта нужно либо увеличить фронтовые сопротивления ступеней, либо добавить в схеме внешний фронтовой резистор.
Съемку формы импульса и дефектограмм, измерение амплитуды импульса и интенсивности ЧР производят по тем же схемам, что и при испытании трансформаторов. Однако вследствие появления в схеме испытания большого числа искровых промежутков, а также высоковольтной проводки помехи при измерении ЧР здесь значительно возрастают. Наиболее сильные помехи от искровых промежутков имеют место в момент начала фронта и обычно могут быть отделены на экране осциллографа от импульсов, создаваемых ЧР.
Для расчета параметров импульса схема испытания реактора от ГИН является более простым случаем, чем схема испытания трансформатора, поскольку здесь индуктивность объекта постоянна. Для расчета длительности, как и в случае грозового импульса, используется эквивалентная схема рис. 10-12,б и соответствующее ей выражение (10-12) для колебательного разряда ГИН. Чтобы получить длительность импульса до момента перехода через нуль t0, нужно приравнять это выражение нулю, т. е. принять
(10-53)
Здесь и далее рассчитываем to и tм от начала явления.
Фронтовую емкость в схеме рис. 10-12,в находят, как и для грозового импульса (§ 10-6), но для определения входной емкости реактора здесь нужно использовать (10-50), положив в ней k=1.
Ввиду ограниченного размера разрядной емкости ГИН и нагрузочной емкости при испытании наиболее мощных шунтирующих реакторов затруднительно получить требуемые длительность и время подъема коммутационного импульса. Поэтому для реакторов допустимы уменьшенные значения этих параметров.
