ВСТУПЛЕНИЕ:
Настоящий цикл статей обосновывает необходимость применения средств измерений электрооборудования, электросетей и всего, что так или иначе связано с электричеством при помощи как стационарного, так и портативного инструментария. Сюда, в первую очередь, можно отнести мегомметры, тестеры сопротивления заземления, осциллографы и, конечно же, такие универсальные приборы, как токовые клещи и мультиметры, а также тепловизоры, мультиметры с функциями тепловизора и даже кабельные тестеры. Обоснование постоянного применениях перечисленных приборов при эксплуатации электрооборудования – в последующих Частях этой Статьи.
Весь перечень перечисленных инструментов присутствует на складе Магазина Gtest®.
В Части 1 этой статьи мы рассмотрим координацию высоковольтной изоляции, уделив особое внимание природе перенапряжений, а также стандартизированным методам испытаний импульсным и выдерживаемым напряжением и роли стандартов для надежности.
К другим факторам относятся временные перенапряжения (ВПН), которые могут возникать из-за сброса нагрузки, резонансных условий, ферро-резонанса в силовых трансформаторах или длительной подачи напряжения на линию. Хотя их амплитуды, как правило, ниже, чем у грозовых или коммутационных импульсов, ВПН могут сохраняться в течение нескольких циклов или даже секунд, что делает их особенно опасными для систем изоляции, предназначенных для защиты от переходных процессов.
Поэтому система изоляции должна выдерживать три основные категории перенапряжений:
• Грозовые перенапряжения (быстрый фронт, высокая амплитуда)
• Коммутационные перенапряжения (медленный фронт, средняя амплитуда)
• Временные перенапряжения (низкочастотные, длительные)
Эти классификации определяют процесс расчёта параметров изоляции, который включает тщательный выбор уровней электрической прочности диэлектрика и настроек защитных устройств.
Высоковольтная изоляция играет ключевую роль в обеспечении эксплуатационной безопасности и долгосрочной надежности современных энергосистем. От воздушных линий электропередачи до силовых трансформаторов и подстанций с эле-газовой изоляцией (КРУЭ), системы изоляции рассчитаны на то, чтобы выдерживать не только постоянное рабочее напряжение, но и кратковременные перенапряжения, возникающие как от внешних, так и от внутренних источников.
Повреждение изоляции – будь то в воздушной среде, в твердых диэлектриках или в системах с бумажно-масляной изоляцией – может привести к дуговым перекрытиям, повреждению оборудования, перебоям в электроснабжении и, в некоторых случаях, к каскадным отказам сети. Поскольку напряжение в системе продолжает расти для удовлетворения растущих потребностей в передаче электроэнергии, характеристики изоляции становятся все более важными.
Изоляция системы должна быть достаточно прочной, чтобы выдерживать различные стрессовые ситуации, включая пробой диэлектрика, частичные разряды и механизмы долговременного старения. Эти факторы зависят не только от величины напряжения, но и от формы, длительности, полярности и скорости нарастания (dv/dt) волны. В результате системы изоляции всегда специфицируются и проверяются по стандартизированным формам напряжения, имитирующим реальные условия перенапряжения.
Природа и источники перенапряжений
Перенапряжения в энергосистемах возникают по ряду причин. Наиболее распространенной внешней причиной являются грозовые разряды, которые могут вызывать высокоамплитудные и крутые фронты импульсов напряжения в линиях электропередачи, обычно распространяющиеся в виде бегущих волн. Эти импульсы особенно опасны из-за короткого времени нарастания и высокого пикового напряжения, часто превышающего несколько сотен киловольт.
Внутри сети основной причиной перенапряжений является высокоскоростное переключение индуктивных или емкостных элементов, таких как автоматические выключатели, силовые трансформаторы, шунтирующие реакторы и конденсаторные батареи. Такие операции могут создавать более медленные, но все же значительные перенапряжения с колебательными компонентами и длительной продолжительностью.
Характеристики всех типов перенапряжений (Грозовые, Коммутационные, Временные). Изображение предоставлено ResearchGate.
Расчёт параметров изоляции: соответствие прочности и защиты
Расчёт параметров изоляции — это целенаправленный инженерный процесс, направленный на согласование электрической прочности оборудования с ожидаемой интенсивностью перенапряжений и рабочими характеристиками защитных устройств, таких как разрядники. Расчёты обеспечивают:
1. Изоляция оборудования не используется в недостаточной степени и не имеет чрезмерного запаса прочности.
2. Защитные устройства срабатывают до того, как изоляция системы подвергнется перегрузке.
Эта координация регулируется международными стандартами, такими как IEC 60071-1 и IEEE Std 1313.1, которые определяют стандартные уровни изоляции, статистические вероятности стойкости и защитные запасы. Координация изоляции не направлена на устранение всех перенапряжений; вместо этого она гарантирует, что вероятность повреждения изоляции останется в допустимых пределах, исходя из напряжения системы, типа изоляции и схем защиты.
Например, силовой трансформатор номиналом 400 кВ может иметь базовый уровень изоляции (BIL) 1425 кВ (при грозовом импульсе) и уровень стойкости к коммутационному импульсу (SIL) 1050 кВ. Эти значения не произвольны, а основаны на многолетнем опыте высоковольтных испытаний, статистических данных о пробоях изоляции и реальных профилях перенапряжений.
Инженерная значимость и применение х-к изоляции
Точные параметры параметров реализуются непосредственно на проектировании, испытаниях и подключении основного высоковольтного оборудования:
• Трансформаторы должны иметь изоляцию обмоток и вводы, рассчитанные на то, чтобы выдерживать как грозовые, так и коммутационные импульсы.
• Автоматические выключатели должны не только отключать токи короткого замыкания, но и выдерживать переходные останавливающееся напряжения (TRV) и предотвращать внутренние пробои.
• Ограничители перенапряжения (например, металло-оксидные варисторы) настроены на ограничение перенапряжений чуть ниже порога стойкости защищаемого оборудования.
• Воздушные линии и кабели должны быть проверены на их импульсное сопротивление, характеристики распространения и подверженность ударам молнии.
Более того, координация изоляции играет важнейшую роль в обеспечении стабильности сети. В плохо скоординированной системе могут возникать пробои изоляции даже при штатных переключениях, что приводит к сбоям в работе, вынужденным отключениям и обесточиванию. С точки зрения системных проектировщиков и инженеров по защите, координация изоляции обеспечивает соблюдение проектных норм, оптимизируя производительность системы и минимизируют стоимость оборудования.
Стандарты испытаний на импульсное и выдерживаемое напряжение
Высоковольтное оборудование должно проходить валидацию в тщательно контролируемых лабораторных условиях, чтобы гарантировать, что его изоляция выдерживает эксплуатационные и переходные нагрузки. Основными стандартами, регламентирующими процедуры высоковольтных испытаний, являются IEC 60060 (для методов высоковольтных испытаний) и IEEE Std 4, которые предусматривают практически параллельные методики испытания изоляции аппаратуры импульсным и промышленным напряжением.
Эти стандарты определяют процедуры, методы измерений, формы испытательных сигналов и критерии приемки для оценки прочности изоляции воспроизводимым и общепринятым на международном уровне способом.
Основной целью импульсных испытаний является имитация реалистичных условий перенапряжения, в частности, вызванных ударами молнии и коммутационными событиями, с использованием стандартизированных профилей формы сигнала. Наиболее распространенные формы испытательных сигналов:
• Грозовой импульс (LI): Характеризуется номинальной формой волны 1,2/50 мкс (длительность фронта 1,2 мкс, время до полуспада 50 мкс). Эта форма волны имитирует крутой фронт прямого или непрямого удара молнии. Форма волны определена стандартом IEC 60060-1, а её параметры строго регламентированы для обеспечения согласованности.
• Коммутационный импульс (SI): Обладая значительно более коротким фронтом, обычно 250/2500 мкс, эта форма волны отражает внутренние перенапряжения, возникающие при переключении высоковольтного оборудования, такого как автоматические выключатели, или при сбросе нагрузки. В системах постоянного тока высокого напряжения (HVDC) и сверхвысокого напряжения коммутационные импульсы могут быть более разрушительными, чем грозовые импульсы, из-за их большей длительности.
Эти испытания обычно проводятся в высоковольтных лабораториях, оснащённых генераторами импульсного напряжения, способными вырабатывать импульсы в диапазоне нескольких мегавольт. Стандартный генератор может состоять из нескольких каскадов конденсаторов и разрядников, расположенных по схеме Маркса для последовательного сложения напряжений и создания необходимой формы сигнала.
Делители напряжения, обычно емкостные или резистивные, используются для понижения высокого напряжения и обеспечения точности измерений. Форма сигнала регистрируется с помощью цифрового осциллографа, при этом пиковые напряжения, длительность фронта и спада анализируются на соответствие стандартным формам сигнала. Измерительная установка должна быть надлежащим образом экранирована и заземлена для устранения помех и артефактов коронного разряда, которые могут искажать форму импульса.
Распространенные формы сигналов для
испытания систем изоляции. Изображение предоставлено MB Drive Services.
Критерии устойчивости и классификация испытаний
Результат высоковольтных испытаний, как правило, двузначен: изоляция либо «выдерживает» приложенное напряжение, либо «разрушается» из-за перекрытия или пробоя.
Более точное определение:
• Устойчивость означает, что оборудование выдерживает испытательное напряжение без пробоя или необратимого повреждения изоляции.
• Путь Пробоя – это путь разряда через воздушную или поверхностную изоляцию, а не через диэлектрический материал. Он не всегда приводит к разрушению, но считается отказом при испытании, если нарушает проектные требования.
• Пробой или «прокол» относится к необратимому повреждению изоляции, как правило, в твёрдой или жидкой изоляционной среде.
Испытания проводятся в стандартных атмосферных условиях, определяемых температурой (20 °C), давлением (101,3 кПа) и относительной влажностью (11 г/м³). Поскольку атмосферные условия влияют на плотность воздуха и, следовательно, на электрическую прочность диэлектрика, стандарты IEC и IEEE требуют применения поправочных коэффициентов при проведении испытаний в нестандартных условиях.
Поправочный коэффициент плотности воздуха
K1=(pp0⋅T0T)m
Где:
• K1 Поправочный коэффициент плотности воздуха
• p Атмосферное давление на месте (кПа)
• p0 Стандартное давление = 101,3 кПа
• T Абсолютная температура на месте (K = °C + 273,15)
• T0 Стандартная температура = 293 K (20 °C)
• m Показатель степени, зависящий от типа напряжения (обычно 1 для грозового импульса, коммутационного импульса, промышленной частоты)
Поправочный коэффициент высоты
Ka=em(h−1000)8150 for h>1000 m
Где
• h Высота над уровнем моря в метрах
• m Показатель степени, зависящий от типа напряжения (обычно 1 для грозового импульса, коммутационного импульса, промышленной частоты)
Эти поправки обеспечивают единообразие строгости испытаний в различных лабораториях и условиях окружающей среды.
В зависимости от цели испытания могут использоваться несколько вариантов импульсного испытания:
• Испытание полной волной: применяется стандартная форма импульса 1,2/50 мкс. Оборудование должно выдерживать заданное количество импульсов (обычно от 3 до 5).
• Испытание срезанной волной: импульс преднамеренно срезается на конце или фронте с помощью внешнего искрового промежутка. Это имитирует близкое перекрытие или срабатывание разрядника и накладывает более крутой dv/dt на изоляцию.
• Испытание фронтом волны: оценивает реакцию изоляции на чрезвычайно крутой фронт удара молнии (~0,1–0,5 мкс). Такие случаи встречаются редко, но критически важны для применения в КРУЭ или трансформаторных вводах вблизи открытых выводов.
Испытания подразделяются на сухие и влажные. Испытания в условиях дождя проводятся в условиях, имитирующих дождь (обычно с интенсивностью 1–3 мм/мин, с использованием деионизированной воды). Испытания в условиях дождя необходимы для наружной установки оборудования, чтобы учесть поверхностное загрязнение и наличие токопроводящих путей, создаваемых водяной плёнкой. Стандарты определяют минимально допустимые напряжения как для сухих, так и для влажных условий, и оборудование должно пройти оба испытания для получения сертификата на эксплуатацию под высоким напряжением на открытом воздухе.
Испытательная среда высокого напряжения. Изображение предоставлено Siemens Energy.
Ключевые выводы
Испытания импульсным и выдерживаемым напряжением являются основополагающими элементами техники высоковольтного оборудования. Формы сигналов, критерии «прошёл/не прошёл» и протоколы испытаний, установленные стандартами МЭК и IEEE, гарантируют, что всё оборудование, поступающее в эксплуатацию, имеет подтвержденный запас прочности при ожидаемых перенапряжениях. Эти стандартизированные процедуры формируют эмпирическую основу для координации изоляции и напрямую влияют на выбор изоляционных материалов, зазоров и схем защиты от перенапряжения.
ПРОДОЛЖЕНИЕ СЛЕДУЕТ
