ГЛАВА 6
ЛИНЕЙНАЯ ИЗОЛЯЦИЯ НА НАПРЯЖЕНИЕ ПРОМЫШЛЕННОЙ ЧАСТОТЫ
КАВАИ
- ВВЕДЕНИЕ
Уровень изоляции линии электропередачи, особенно сверхвысокого напряжения, в основном определяется коммутационными перенапряжениями и в некоторой степени требованиями молниезащиты. При этом коэффициент запаса электрической прочности даже при увлажнении чистых изоляторов очень велик, такой запас может рассматриваться как достаточный. Поэтому для линии сверхвысокого напряжения обычно ограничиваются поверхностным изучением электрической прочности чистой изоляции при напряжениях промышленной частоты.
Однако в энергосистемах зарегистировано большое число случаев поверхностного пробоя изоляции на промышленной частоте в отсутствие коммутационных или грозовых перенапряжений. Они обычно наблюдаются при повышенной влажности во время тумана, росы или моросящего дождя при загрязнениях на поверхности изоляторов. Загрязнения обусловливаются отложением частиц, переносимых по воздуху. Это продукты либо промышленных загрязнений, либо естественного происхождения. Наиболее часто встречающимся естественным загрязнением является морская соль. В промышленных районах загрязнения весьма разнообразны. Сухие загрязнения не уменьшают электрическую прочность изоляции, однако она сильно снижается при загрязнении и увлажнении. Фактически влага всегда необходима, чтобы создался проводящий слой на поверхности загрязненного изолятора.
Поверхностные пробои, вызываемые загрязнением. Загрязнение изоляции является очень опасным для линий электропередачи, так как оно может вызвать многочисленные поверхностные пробои в течение короткого промежутка времени. Повторные включения ВЛ после поверхностных пробоев изоляции, вызванных загрязнением, нередко оказываются неудачными, а после успешных повторных включений известны случаи последующих пробоев. Возможны многочисленные последовательные поверхностные пробои, приводящие к длительному отключению линии. Последнее особенно характерно при влажной погоде для ВЛ в районах с сильными загрязнениями. Пока поверхность загрязненных изоляторов сухая, электрическая прочность изоляции сохраняется. Однако вероятность поверхностного пробоя остается до тех пор, пока изоляторы не будут очищены каким-либо способом.
В недавнем прошлом загрязнению изоляции не придавалось большого значения. Изучение публикаций IEEE показывает, что поверхностные пробои при грозовых импульсах рассматривались как главная проблема с 1950 г. После 60-х годов ее место заняли коммутационные перенапряжения. Однако по некоторым признакам можно судить, что наибольшее внимание в США будет в дальнейшем уделяться загрязнению изоляции. Из доклада на объединенном совещании IEEE и EEI в 1966 г. следует, например, что загрязнение изоляции уже в настоящее время является второй по важности причиной, вызывающей отключение ВЛ [6.1]. Эта тенденция еще более усиливается благодаря сооружению линий электропередачи в прибрежных районах и снижению требований к изоляции по коммутационным перенапряжениям в связи с усовершенствованием выключателей.
Сверхвысокое и ультравысокое напряжения. Электрическая прочность загрязненных гирлянд изоляторов непропорциональна длине изоляции, и для линии передачи более высоких напряжений требуются относительно более длинные гирлянды изоляторов. Улучшение конструкции сетевых выключателей может существенно снизить кратность коммутационных перенапряжений для систем сверх- и ультравысокого напряжения, что приводит к уменьшению воздушных промежутков провод — опора. Поэтому в зависимости от условий загрязнения оно может оказаться решающим расчетным фактором для СВН и УВН систем.
Исследования поверхностного пробоя при загрязнениях. Лабораторные и полевые исследования перекрытий, вызванных загрязнением, проводились во многих странах. За последние 25 лет во всем мире было опубликовано по этой теме более 500 статей. Несмотря на это, до сих пор существуют различные взгляды на проблему загрязнения в целом. Это объясняется различием методов исследований и испытаний.
Механизм поверхностного пробоя загрязненных изоляторов чрезвычайно сложен. Из-за этого результаты лабораторных исследований иногда неубедительны. Для проведения исследований загрязнений в полевых условиях требуется много времени, а мероприятия по предотвращению загрязнений на линиях электропередачи должны быть выполнены за время, обусловленное сроком строительства. В связи с этим были проведены исследования загрязнений при ряде упрощающих допущений, которые позволили с достаточной практической точностью воспроизводить механизм пробоя и сократить сроки исследований, вызвавшие появление множества различных методов исследований и испытаний. Так, одни исследователи обращают внимание на воспроизводимость данных испытаний, в то время как другие настаивают на применении таких методов испытаний, при которых естественные условия имитируются с наибольшей полнотой. Практически невозможно полностью совместить оба эти требования. Различный подход, естественно, приводит к разным методам испытаний. Часто лаборатории имеют свои собственные методы испытаний, что нередко приводит к различным выводам.
- ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОВЕРХНОСТНОГО ПРОБОЯ ДЛЯ РАЗЛИЧНЫХ КОНФИГУРАЦИЙ ИЗОЛЯЦИОННЫХ ПРОМЕЖУТКОВ В ЧИСТЫХ РАЙОНАХ
Изоляторы и воздушные промежутки. Кривые поверхностного пробивного напряжения для основных конфигураций изоляционных промежутков в зависимости от размера промежутка (/) приведены на рис. 6.2.1 [6.2]. Эти данные характеризуют электрическую прочность больших воздушных промежутков. Данные для меньших промежутков можно получить в [6.3—6.5]. По этим кривым можно установить минимальные расстояния для напряжения промышленной частоты в начальной стадии расчетов. Для специальных случаев принято проводить особые эксперименты, так как поверхностное пробивное напряжение зависит от конфигурации и размеров испытываемого промежутка. Обычно электрическая прочность изоляции СВН и УВН на промышленной частоте лежит между кривыми стержень — стержень и стержень — плоскость.
Для определения выдерживаемого напряжения по кривым на рис. 6.2.1 может быть использовано 2%-ное
Рис. 6.2.1. Зависимость поверхностного пробивного напряжения больших воздушных промежутков и гирлянд изоляторов при переменном напряжении в функции размера промежутка / по Александрову [6.2].
1 — вертикальный стержень — стержень; 2 — провод — провод, стержень — стержень; 3 — провод — опора; 4 — гирлянда изоляторов; 5 — стержень — плоскость.
среднеквадратическое отклонение о. При уровне За выдерживаемое напряжение составит 94% критического поверхностного пробивного напряжения (U50 %).
Поправка на метеорологические условия. Для испытаний на промышленной частоте в США приняты следующие стандартные метеорологические условия; температура воздуха 25°С, атмосферное давление 760 мм рт. ст., влажность (давление водяного пара) 15,2 мм рт. ст., абсолютная влажность 15,0 г/м3, электрическое сопротивление дождевой воды 17 800 Ом-см, интенсивность осадков 5 мм/мин, угол выпадения дождя 45°. Однако такие условия возникают ё природе редко. Дождь 5 мм/мин — это уже поток воды; кроме того, он редко бывает под углом 45°. Влажность в 15,2 мм рт.ст. может иметь место в теплый летний день при большом содержании влаги. Если температура падает ниже 18°С при сухой погоде, такой влажности быть не может, за исключением условий сверхнасыщения. Атмосферное давление в 760 мм рт. ст. — это давление на уровне моря, на подавляющей части территории США оно ниже.
Влияние плотности воздуха. При стандартном атмосферном давлении, равном 760 мм рт. ст., и стандартной температуре сухого термометра t, равной 25°С, относительная плотность воздуха равна 1. Относительная плотность воздуха 6 для других значений давления и температуры может быть рассчитана по формуле
(6.2.1)
С увеличением относительной плотности воздуха его пробивная электрическая прочность также увеличивается. Для малых промежутков на промышленной частоте она прямо пропорциональна относительной плотности воздуха:
(6.2.2)
где U — пробивное напряжение при относительной плотности воздуха 6; t/o — пробивное напряжение при стандартных температуре и давлении.
В [2] дается более общее выражение для пробивного напряжения промышленной частоты для промежутков любых размеров:
(6.2.3)
Показатель степени п меняется от 1 до 0 при изменении промежутка от 1 до 7 м. Как будет показано в гл. 7, показатель степени п также изменяется от 1 до очень малых значений при перекрытиях больших промежутков от коммутационных перенапряжений. Увеличение влажности обычно сопровождается снижением относительной плотности воздуха. Поэтому эти два фактора взаимно компенсируются и мало влияют на электрическую прочность. Однако влияние плотности воздуха становится очень существенным в горных условиях. На рис. 6.2.2 приводится номограмма для расчета средней относительной плотности воздуха в зависимости от высоты над уровнем моря и температуры.
Влияние влажности. Поверхностное напряжение воздушных промежутков и изоляторов зависит от абсолютного содержания влаги в воздухе. В основном электрическая прочность растет с увеличением влажности до тех пор, пока влага не конденсируется на поверхности электрода или изолятора.
Пробивное напряжение U для любого давления водяного пара определяется как
(6.2.4)
гдеUо — пробивное напряжение при стандартных условиях (давление водяного пара 15,2 мм рт. ст.); Н — поправочный коэффициент на влажность, который зависит от размеров промежутка.
Рис. 6.2.2. Номограмма для расчета относительной плотности воздуха 6 в зависимости от высоты h и температуры воздуха t (6 = 0,935 при h =1000 м и /= +10°С; 6=1,0 при h — 0 и t= +25°С).
Влажность обычно измеряется с помощью двух термометров (с влажным и сухим шариками) пращевого психрометра. С помощью психрометрических диаграмм полученные результаты измерения переводятся в давление пара (рис. 6.2.3).
На рис. 6.2.4 представлены графики поправочных коэффициентов на влажность Н для поверхностного пробивного напряжения промышленной частоты. Кривая А взята из американского стандарта для подвесной изоляции и воздушных промежутков. Кривой А пользуются в Северной Америке, а кривой В— в Европе. Однако при больших расстояниях (больших 1 м) и при большой влажности они вносят некоторую погрешность. Испытания при высокой влажности дают меньшие средние поверхностные пробивные напряжения, чем при экстраполяции кривой А.
Рис. 6.2.3. Давление водяного пара рв.п в функции температуры по сухому tc и влажному tB термометрам.
Возможно, это объясняется конденсацией влаги на поверхности изоляторов. На подогретых изоляторах такого расхождения не наблюдается.
Кривая С на рис. 6.2.4 построена по результатам испытаний гирлянды из 18 изоляторов при частоте 60 Гц, которые были проведены в Главной высоковольтной лаборатории фирмы «Дженерал электрик». По этой кривой поправочный коэффициент ниже, чем по кривой А. Если допустить, что обе кривые верны, то можно заключить, что изменение электрической прочности с увеличением влажности у длинных гирлянд меньше, чем у коротких. Это согласуется с влиянием влажности на
импульсную прочность (см. гл.7). Рекомендуется использовать для коротких гирлянд кривую А, а кривую С — для длинных.
Обычно при испытаниях увлажненных изоляторов поправка на влажность не вводится. Это положение спорно и может привести к неправильному пониманию влияния дождя на электрическую прочность. Предпочтительнее учитывать поправку на влажность, когда пробой происходит по воздуху, и не учитывать при поверхностном пробое по изолятору.
Рис. 6.2.4. Поправочные коэффициенты И на влажность b для напряжения частотой 60 Гц.
А — американские данные, В — европейские данные, С — данные лаборатории «Дженерал электрик».
Влияние дождя на незагрязненную изоляцию. Поверхностное пробивное напряжение поддерживающих гирлянд изоляторов при 60 Гц существенно зависит от интенсивности дождя.
Для вертикальных гирлянд основным влияющим фактором является падение капель или стекание воды с верхнего изолятора на нижний. При испытаниях интенсивность дождя равна 5 мм/мин (стандарт США). Это соответствует чрезвычайно сильному дождю, который редко бывает в природе, и вызывает снижение электрической прочности длинных гирлянд изоляторов до 30% по сравнению с поверхностным пробивным напряжением сухой изоляции [6.6, 6.7]. При испытании на промышленной частоте и искусственном дожде наблюдается очень большой разброс данных, что говорит о недостаточной их достоверности. Однако такие испытания еще проводятся в тех случаях, когда нет надежных методов испытаний при загрязнениях, например, таких, как приняты для незагрязненных изоляторов.
На рис. 6.2.5 приведена кривая, которая использовалась на установке СВН для учета интенсивности дождя. Для поверхностного пробивного напряжения чистой и сухой изоляции этот коэффициент принимается равным 1. Чтобы получить критическое поверхностное пробивное
напряжение для нужной интенсивности дождя, необходимо умножить упомянутую выше величину на соответствующий коэффициент. Критическое поверхностное пробивное напряжение также зависит от удельного сопротивления воды. При дожде оно зависит от загрязнения воздуха, наличия частиц соли в прибрежных районах и различного рода загрязнений в промышленных районах.
Рис. 6.2.5. Поправочный коэффициент k\ на интенсивность дождя Vi для поверхностного пробивного напряжения вертикальных гирлянд изоляторов при частоте 60 Гц.
Рис. 6.2.6. Поправочный коэффициент k2 на удельное сопротивление дождя pi для поверхностного пробивного напряжения при частоте 60 Гц.
