УДК 621.311.4-742.027.89
СОЗДАНИЕ КОМПЛЕКСА ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ 1150 кВ И ПЕРСПЕКТИВЫ ЕГО СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ
И. М. БОРТНИК, доктор техн. наук, генеральный директор НПО «ВЭИ им. В. И. Ленина»
Предприятиями электротехнической промышленности разработан и создан первый в мире комплекс электрооборудования на напряжение 1150 кВ, который введен в промышленную эксплуатацию на линии электропередачи Экибастуз — Урал в 1985 г.
В создании комплекса принимали участие ПО «Запорожтрансформатор» имени В. И. Ленина, Всесоюзный институт трансформаторостроения, МосПО «Электрозавод» имени В. В. Куйбышева, ПО «Уралэлектротяжмаш» имени В. И. Ленина, Великолукский завод высоковольтной аппаратуры, ПО «Электрокерамика», НПО «Конденсатор», завод «Изолятор», Всесоюзный электротехнический институт имени В. И. Ленина (головная организация).
В процессе создания комплекса решен ряд важных научно-технических проблем. Разработаны принципы координации изоляции электрооборудования при уровне ограничений коммутационных перенапряжений до 1,8Uф.
Столь глубокий уровень ограничения перенапряжений для ЛЭП ультравысокого напряжения реализован впервые в мире.
Созданию оборудования предшествовал широкий круг теоретических и экспериментальных исследований. Для решения наиболее сложных вопросов создавались крупномасштабные модели и макеты. Ряд опытных образцов и элементов конструкций проходил длительные испытания при рабочем напряжении на стадии создания оборудования. По всем видам электрооборудования изготавливались опытные образцы, которые подвергались всесторонним лабораторным испытаниям, после чего направлялись на длительные эксплуатационные испытания на мощный испытательный стенд (МИС) г. Тольятти и подстанцию «Белый Раст». По результатам этих испытаний вносились некоторые изменения в конструкцию отдельных элементов оборудования, направленные на его совершенствование.
Все электрооборудование обладает патентной чистотой и защищено авторскими свидетельствами. Основные результаты исследований, технические и конструктивные решения, принятые при создании отдельных видов электрооборудования, изложены в [1—8].
Практически для всех видов электрооборудования повышены градиенты в изоляции при рабочем напряжении и коммутационных перенапряжениях, а также улучшены механические характеристики по сравнению с достигнутыми в оборудовании меньшего номинального напряжения.
Автотрансформатор 1150 кВ
Рис. 1. Автотрансформатор 1150 кВ
Среди высоковольтного электрооборудования для ЛЭП 1150 кВ силовые трансформаторы (рис. 1) и шунтирующие реакторы являются наиболее сложными элементами, и их создание представляло серьезную научно-техническую проблему. Проблема осложнена еще и тем обстоятельством, что железнодорожный габарит в определенной степени предопределяет конструктивные особенности трансформатора — высоту магнитопровода и в значительной степени всю компоновку активной части. Такое «подчинение» конструктивного исполнения трансформатора условиям транспортировки требует существенного усложнения конструкции.
На стадии, предшествующей разработке промышленных автотрансформаторов, был проведен большой объем расчетных работ по определению оптимальной схемы соединения обмоток трансформатора и его мощности для сочетания напряжений 1150 и 500 кВ. Эти расчеты показали, что наилучшие технико-экономические данные обеспечиваются схемой с последовательным расщеплением обмоток.
Выбранная схема соединения обмоток и транспортные ограничения определили основные изоляционные проблемы при создании трансформатора:
разработка конструкции концевой изоляции обмоток, способной выдерживать рабочие и испытательные воздействия, в полтора раза превышающие напряженности, допускаемые в изоляции трансформаторов меньших классов напряжения, включая 750 кВ;
существенное повышение электрической прочности изоляционных промежутков снаружи обмотки 1150 кВ (обмотка — боковое ярмо, обмотка — бак, установка ввода 1150 кВ);
оптимизация конструкции и размеров изоляции отвода, соединяющего части обмотки 500 кВ, расположенные на разных стержнях магнитопровода. Горизонтальная часть отвода должна была размещаться над верхней консолью в месте сужения железнодорожного габарита, вертикальная — в разрыве прессующего кольца;
максимально возможное повышение коэффициента заполнения обмотки 1150 кВ путем совершенствования витковой изоляции провода.
Решение этих задач потребовало совершенствования методов расчета электрических полей в изоляции трансформаторов и шунтирующих реакторов, использования результатов новейших исследований закономерностей, определяющих электрическую прочность маслобарьерной изоляции, повышения качества изоляционных материалов, существенного повышения уровня технологии производства, испытаний и монтажа.
Для значительного повышения электрической прочности изоляции автотрансформатора были использованы следующие основные мероприятия: рациональное распределение барьеров в промежутках, уменьшение ширины масляных каналов, примыкающих к обмоткам, применение трапецеидальных и коробчатых (полых) реек, широкое использование, в том числе и в обмотке, прессованных и литых барьеров, форма которых максимально приближена к форме эквипотенциальных поверхностей, использование уплотненной бумажной ленты для витковой изоляции и т. д.
Все новые конструктивные решения проходили проверку на специальных моделях отдельных изоляционных узлов автотрансформатора. Конструкция моделей практически полностью соответствовала изоляции разрабатываемого узла. Испытательные напряжения моделей на 10—15 % превышали соответствующие воздействия на рассматриваемый узел в трансформаторе.
Одновременно был разработан и выполнен комплекс мероприятий по совершенствованию типовых технологических процессов изоляционного обмоточного и сборочного производств. Внедрен новый технологический процесс изготовления прессованных угловых шайб, ужесточены требования к технологии подготовки масла, очистки активной части в процессе сборки и т. д.
Испытания первого промышленного образца автотрансформатора показали, что не все конструктивные, технологические и производственные проблемы решены на требуемом уровне. Дополнительное усовершенствование конструкции отдельных узлов автотрансформатора, корректировка технологии его изготовления обеспечили успешное прохождение комплекса типовых испытаний, в том числе напряжениями, на 10 % превышающими регламентированные стандартом. При этом интенсивность частичных разрядов при одночасовом испытании не превышала 3-10—10 Кл.
При разработке автотрансформатора был проделан большой объем научно-исследовательских работ, направленных на обеспечение его электродинамической стойкости при коротких замыканиях. Это оказалось необходимым в силу ряда причин, среди которых главная— невозможность проведения прямых испытаний автотрансформатора на стойкость при к. з. из-за малой мощности существующих стендов.
Рассмотрены все наиболее тяжелые по электродинамической стойкости режимы к. з. Для расчетов использованы системы программ на ЭВМ, которые позволяют определить распределение магнитной индукции поля рассеяния обмоток с автоматической разбивкой сечения обмоток на зоны с постоянной плотностью намагничивающей силы, распределение осевых усилий и деформаций по высоте обмоток в статической и динамической постановке задач, распределение радиальных усилий по катушкам и виткам с учетом нелинейности материалов. В процессе исследований проводилась оптимизация распределения катушек по высоте обмоток с целью получения минимальных усилий и минимальных добавочных потерь на вихревые токи.
Были проведены исследования осевых сил в обмотках, определены оптимальные силы прессовки обмоток, соответствующие минимальным силам на опорах и внутри обмотки. При выборе сил прессовки учитывался запас на релаксацию механического напряжения (давления) в изоляции (электрокартоне, бумаге) в процессе длительной эксплуатации автотрансформатора. Расчетные методики прошли экспериментальную проверку на моделях.
Особое внимание уделено обеспечению стойкости обмоток при действии радиальных усилий. Проведены расчеты прочности обмоток на ЭВМ. В процессе расчетов оказалось необходимым внести ряд изменений в выбранный первоначальный вариант конструкции обмоток.
Радиальная устойчивость обмоток подтверждена расчетами и испытаниями моделей в натуральную величину.
При разработке реактора мощностью 300 Мвар основные проблемы были связаны с предельной для заданных габаритов мощностью реактора, воздействием высоких напряжений на изоляцию, вибрационной надежностью. Снижение вибраций и отстройка от резонанса на частоте вынуждающих колебаний достигнуты путем создания специальных жестких опор.
Для снижения потерь в обмотке и соответствующего увеличения мощности реактора провод обмотки был разделен на отдельные элементарные проводники не больших размеров. Для реактора был разработан специальный подразделенный провод, состоящий из трех элементарных проводников. В результате добавочные потери составили лишь 23 % основных. На баке установлены магнитные экраны из электротехнической стали, замыкающие потоки нормальной составляющей индукции магнитного поля.
Что касается изоляционных проблем, возникавших при проектировании шунтирующего реактора, то они в основном были аналогичны проблемам, которые решались при проектировании автотрансформатора. Дополнительной была задача обеспечить достаточный запас электрической прочности вдоль реек обмотки реактора при высоких электрических нагрузках в осевом направлении при воздействии полного грозового импульса и рабочего напряжения. Эта задача была решена путем установки в обмотке дополнительных П-образных угловых шайб, эффективность которых была определена на основе исследований на моделях и анализа распределения электрического поля вблизи обмотки реактора.
Тепловые, электромагнитные и виброакустические испытания при номинальном напряжении полностью подтвердили правильность расчетов и выявили возможность дальнейших эксплуатационных испытаний при повышенном напряжении.
При создании ввода для автотрансформатора и реактора была разработана методика расчета остова, позволившая уменьшить на 10—12 % диаметр ввода без уменьшения числа обкладок и увеличения допустимой напряженности поля. Сейчас эта методика широко используется при проектировании крупных вводов.
Впервые выполнены расчет электрического поля вокруг ввода и вдоль его покрышек для контроля за распределением потенциала и напряженности, а также расчет пруткового экрана. Для повышения тепловой стабильности ввода в изоляции и вокруг нее сделаны циркуляционные каналы для протекания масла.
