Понятие “кратковременная электрическая прочность” внутренней изоляции и поведение изоляции при воздействии перенапряжений

 

Внутренняя изоляция оборудования энергосистем должна надежно выдерживать грозовые и внутренние перенапряжения. Электрическая прочность при воздействии перенапряжений характеризует способность изоляции противостоять этим воздействием и определяется пробивным напряжением (пробивной напряженностью электрического поля) при нормированных воздействиях.

Перенапряжения не должны приводить к полному пробою внутренней изоляции, а также к появлению в ней каких-либо местных повреждений, влекущих за собой сокращение срока службы изоляционной конструкции. Такие повреждения при перенапряжениях могут быть вызваны частичными разрядами. Это возможно в том случае, если энергия частичных разрядов достаточна для разрушения изоляции за малое время существования перенапряжения. Например, опасные повреждения возможны при появлении критических частичных разрядов в бумажно-масляной изоляции, а также в маслобарьерной изоляции силовых трансформаторов при частичных разрядах в виде пробоя первого масляного канала.

Таким образом, кратковременная электрическая прочность внутренней изоляции или ее способность выдерживать воздействие перенапряжений не всегда характеризуется напряжением полного (сквозного) пробоя, в ряде случаев она определяется напряжением появления частичных разрядов (ЧР) с опасной для данной изоляции интенсивностью.

Это весьма важно с практической точки зрения. Например, при заводском контроле изоляционных конструкций отсутствие пробоя во время приложения испытательного напряжения еще не означает, что испытания прошли успешно. Необходимо убедиться в том, что под действием испытательного напряжения в изоляции не появились частичные повреждения. С этой целью до и после приложения испытательного напряжения состояние изоляции обязательно контролируется с использованием методов, позволяющих обнаружить местные дефекты (например, по характеристикам частичных разрядов).

Кратковременная электрическая прочность обычно рассматривается применительно к следующим нормированным воздействиям:

а) электрическая прочность при кратковременном приложении напряжения промышленной частоты (плавный подъем напряжения с определенной скоростью или одноминутное приложение напряжения) - используется при определении требуемых габаритов изоляции по заданным испытательным напряжениям промышленной частоты, при определении допустимых испытательных напряженностей электрического поля по результатам этих испытаний, а также при определении размеров (допустимых напряженностей) по уровню длительных квазистационарных перенапряжений;

б) электрическая прочность при импульсных напряжениях длительностью порядка десятков микросекунд - используется при определении размеров изоляции (допустимых напряженностей) по заданным грозовым перенапряжениям, возникающим в электропередачах при ударах молнии. В этом случае при испытаниях чаще всего используются импульсы 1,2/50 мкс и срезанные импульсы при времени среза 2-3 мкс;

в) электрическая прочность при импульсных напряжениях длительностью от сотен микросекунд до десятых долей секунды - используется при определении размеров изоляции (допустимых напряженностей) по заданным внутренним коммутационным перенапряжениям. Испытания изоляции чаще всего проводятся апериодическим импульсом с фронтом примерно 250 мкс и длительностью примерно 2500 мкс (250/2500 мкс) или колебательным импульсом; например, для внутренней изоляции силовых трансформаторов - с фронтом не менее 100 мкс и длительностью импульса не менее (длительностью первого полупериода до полуспада напряжения) 1000 мкс.

Электрическая прочность внутренней изоляции зависит как от амплитуды и длительности, так и от его формы. При этом воздействие колебательных импульсов для некоторых видов изоляции более опасно, чем апериодических при одинаковой амплитуде импульса. Снижение электрической прочности при колебательных импульсах напряжения по сравнению с апериодическими связано с тем, что в первом случае количество ЧР, возникающих в изоляции при каждом импульсе, больше, чем во втором.

Частичные разряды сопровождаются разрушением изоляции, и поэтому многократное воздействие перенапряжений приводит к накоплению разрушений (кумулятивный эффект), например к образованию газовых полостей в пропитанной изоляции за счет разложения жидкого диэлектрика и снижению напряжения частичных разрядов.

Для каждого вида электрооборудования может быть введено понятие внутреннего ресурса. Внутренний ресурс изоляционной конструкции представляет собой величину, характеризующую способность изоляции в течение определенного времени выдерживать приложенное напряжение и противостоять разрушающему действию процессов, протекающих при этом напряжении.

Данные о кратковременной электрической прочности при стандартных грозовых импульсах напряжения и при плавном или ступенчатом подъеме напряжения 50 Гц. Соответствующие напряжения будем обозначать далее UИ и U50Гц При этом требования о том, что внутренняя изоляция должна выдерживать воздействия грозовых и внутренних перенапряжений, могут быть

записаны в виде следующих неравенств:

UИ>UИСП.И; (6.1)

U50Гц>UИСП.50 Гц, (6.2)

где UИСП.И и UИСП.50 Гц - испытательные напряжения соответственно импульсное и промышленной частоты, значения которых устанавливаются с учетом уровней возможных в эксплуатации грозовых и внутренних перенапряжений.

В силу случайной природы разрядных процессов во внутренней изоляции и неконтролируемых различий между внешне одинаковыми изоляционными конструкциями напряжения UИ и U50Гц являются величинами случайными, подверженными значительным разбросам. Следовательно условия (6.1) и (6.2) должны соблюдаться с некоторой достаточно высокой вероятностью Р, зависящей от требований к надежности изоляции (например, Р=0,999). Это означает, что в условия (6.1) и (6.2) должны входить такие значения напряжений UИ и U50Гц, вероятность появления которых или еще более низких очень мала и равна 1-Р.

 

Напряжения UИ и U50Гц, соответствующие требуемой малой вероятности пробоя, или повреждения изоляции называются допустимыми для данной изоляционной конструкции. Обозначим их UД.И и UД.50Гц. Таким образом, условиями нормальной работы внутренней изоляции при перенапряжениях будут неравенства

UД.И≥UИСП.И; (6.3)

UД.50Гц≥ UИСП.50 Гц. (6.4)

При разработке изоляционных конструкций пользуются значениями напряжений UД.И и UД.50Гц, полученными по результатам испытаний соответствующих конструкций или макетов, воспроизводящих ту или иную часть конструкции. Для этого результаты испытаний достаточно больших партий конструкций или макетов подвергают статистическому анализу, выбирают вид функций распределения F(UИ) и F(U50Гц) и оценивают их параметры, например, математические ожидания UИ, U50Гц и среднеквадратические отклонения σИ, σ50Гц. Затем, используя функции распределения F(UИ) и F(U50Гц), определяют допустимые напряжения из условий:

F(UД.И)£ 1- Р; (6.5)

F(UД.50Гц)£ 1- Р, (6.6)

где Р - вероятность того, что конструкция выдержит перенапряжения без пробоя и повреждения.

Назад