Тестирование х-к высокого напряжения и расчёт адекватных параметров изоляции. Продолжение. Часть 2

Вступительное слово – сразу после заголовка Части 1 

В части 2 мы рассмотрим методику расчёта параметров изоляции и базовый уровень изоляции (BIL) в высоковольтных системах для обеспечения надежности при переходных перенапряжениях.

В Части 1 этой серии статей мы начали исследование параметров высоковольтной изоляции с рассмотрения природы перенапряжений, стандартизированных методов испытаний импульсным и выдерживаемым напряжением, а также роли стандартов для обеспечения надежности энергосистемы.

В Части 2 мы будем обсуждать принципы и практическое применение расчётов параметров изоляции и базового уровня изоляции (BIL) в высоковольтных системах, включая стандартизированные номинальные характеристики, особенности проектирования оборудования и поправочные коэффициенты на воздействие окружающей среды. Также рассматривается роль BIL в обеспечении надежности энергосистемы при кратковременных перенапряжениях, таких как грозовые разряды и коммутационные перенапряжения.

Базовый уровень изоляции (BIL) — это стандартизированный показатель, используемый для определения прочности изоляции электрооборудования при кратковременных перенапряжениях, в частности, при сильных перенапряжениях, таких как грозовые импульсы. Определяемый как пиковое значение напряжения со стандартизированной формой сигнала, BIL служит эталоном для расчета диэлектрических характеристик таких компонентов, как трансформаторы, вводы, коммутационные устройства и ограничители перенапряжений. Эта характеристика представляет собой пиковое напряжение, которое изоляция может выдержать без пробоя во время стандартного испытания на грозовой импульс, обычно определяемого с помощью импульса 1,2/50 мкс.

Рейтинг BIL определяется не на основе непрерывных рабочих напряжений, а на основе испытаний на импульсную прочность и всегда значительно превышает номинальное рабочее напряжение системы. Его основная цель — гарантировать, что оборудование может выдерживать кратковременные перенапряжения без повреждения диэлектрика. Этот уровень устанавливается со статистическим запасом прочности, учитывающим производственные допуски, изменчивость монтажа, условия окружающей среды и недетерминированную природу пробоя изоляции под действием импульсного напряжения. 

Концепция базового уровня изоляции (BIL)

Уровень изоляции (BIL) формально определен в стандартах IEC 60071-1 («Координация изоляции – Определения, принципы и правила») и IEEE C62.82.1 («Стандарт координации изоляции – Определения, принципы и правила»). Эти стандарты обеспечивают согласованную основу для определения требуемых уровней изоляции в зависимости от напряжения системы, ожидаемых величин перенапряжения, времени срабатывания защитных устройств и приемлемой вероятности отказа. 

ВIL в сравнении с иными х-ками уровнями изоляции

Важно различать BIL (базовый уровень коммутационного импульса), (BSL) и постоянное рабочее напряжение (Un):

• BIL: Номинальный уровень импульса для грозовых переходных процессов (1,2/50 мкс), выраженный в кВ (пик).

• BSL: Используется для высоковольтного оборудования (обычно ≥300 кВ), где преобладают коммутационные перенапряжения; форма сигнала обычно составляет 250/2500 мкс.

• Устойчивость к промышленной частоте: 50/60 Гц, применяемая в течение 1 минуты; (не путать с BIL), а также является частью общей координации изоляции.

Вместе с тем, эти уровни предусматривают градуированную структуру, при этом BIL выступает в качестве верхней границы с точки зрения нестабильности атмосферных перенапряжений.

Стандартные рейтинги BIL по напряжению системы

Для обеспечения единообразия МЭК и IEEE определяют стандартизированные значения BIL, соответствующие номинальным напряжениям системы. Эти стандартизированные значения BIL представляют собой округлённые значения, выбранные для согласования с требованиями к разрядникам для защиты от перенапряжений и физическим зазорам. Упрощённая выдержка из стандарта IEEE (C62.82.1) представлена ​​в таблице 1.

Таблица 1. Напряжения системы и соответствующие значения BIL

Например, трансформатор класса 230 кВ может иметь номинальный уровень изоляции 900 кВ. Это означает, что во время стандартного испытания на воздействие грозового импульса 1,2/50 мкс изоляция должна выдерживать пиковое напряжение 900 кВ без перекрытия или внутреннего пробоя.

Роль BIL в проектировании оборудования

BIL напрямую влияет на воздушные зазоры, пути утечки и геометрию физической изоляции в высоковольтных конструкциях. Например, расстояние между обмотками, зазоры между проводниками и воздухом в распределительных устройствах, а также масляный или элегазовый диэлектрический контур должны быть рассчитаны на номинальный BIL с учетом коэффициента запаса прочности. Кроме того, координация с устройствами защиты от перенапряжений (УЗИП), такими как металлооксидные варисторы (MOV), гарантирует, что уровни BIL никогда не будут превышены в процессе эксплуатации.

При проектировании трансформатора BIL влияет на следующие факторы:

• Толщина межвитковой изоляции

• Расстояния между обмоткой и сердечником и между обмоткой и землей

• Тип и геометрия изоляции вводов

• Конструкция экранирования импульсов, особенно для регулировочных и третичных обмоток

Кроме того, уровень BIL влияет на заводские приемочные испытания (FAT) и должен быть подтвержден испытаниями на импульсную прочность, как полноволновыми, так и срезанными. Производители трансформаторов проектируют внутреннее распределение импульсного напряжения с помощью средств моделирования, чтобы гарантировать, что пиковое напряжение остается в пределах допустимых для материала даже в условиях сильно неоднородных полей, вызванных чередованием обмоток или геометрией сердечника.

Выбор уровня BIL также имеет основополагающее значение для исследований координации изоляции, которые устанавливают баланс между прочностью изоляции оборудования и защитной способностью УЗИП. Руководящий принцип заключается в том, что ограничители перенапряжений должны ограничивать напряжение ниже уровня BIL, обеспечивая достаточный запас защиты, как правило, порядка 15–20%. 

Основы расчёта параметров изоляции

Расчёт параметров изоляции — это процесс, обеспечивающий устойчивость изоляции электрооборудования к перенапряжениям, которые могут возникнуть в течение срока службы энергосистемы, без превышения экономически и эксплуатационно обоснованных пределов. Это требует стратегического баланса между прочностью изоляции компонентов энергосистемы и стратегией защиты от перенапряжений, обеспечивая надежность без чрезмерного проектирования. Координация изоляции регулируется международными стандартами, такими как IEC 60071-1, IEEE C62.82.1, а также соответствующими руководствами по проектированию изоляции для конкретного оборудования. 

Координационный (защитный) допуск и защитный уровень

Ключевым параметром координации изоляции является запас прочности, который определяется как разница между выдерживаемым напряжением изоляции (обычно BIL для грозовых импульсов или BSL для коммутационных перенапряжений) и максимальным временным или переходным перенапряжением, которое может возникнуть в данной точке системы. Общий принцип заключается в следующем:

Защитный допуск = Уровень выдерживаемой изоляции - Максимальное ожидаемое перенапряжение

Для обеспечения консервативной и статистически устойчивой конструкции, стандарты обычно рекомендуют минимальный запас защиты 15–20%. Это означает, что устройства защиты от импульсных перенапряжений, такие как разрядники, должны ограничивать переходные перенапряжения до значений ниже основного уровня напряжения (BIL) подключенного электрооборудования даже в самых неблагоприятных условиях эксплуатации.

Эти напряжения характеризуются вероятностью их возникновения, которая варьируется в зависимости от местоположения, топологии энергосистемы и коммутационного режима. Например, грозовые импульсы характеризуются формой волны 1,2/50 мкс и статистической вероятностью пробоя 2%, тогда как коммутационные импульсы обычно имеют профиль 250/2500 мкс и предполагают более длительную нагрузку на изоляцию.

Уровень защиты разрядников определяется остаточным напряжением, которое они пропускают, и которое должно быть согласовано со значениями основного уровня напряжения (BIL) для предотвращения пробоя изоляции. Например, если базовое напряжение трансформатора 230 кВ составляет 900 кВ, то разрядник на его выводах должен иметь остаточное напряжение не более ~750–765 кВ (из расчета запаса 15–20%).

Рисунок 1. Стандарты проектирования рекомендуют минимальный защитный запас 15–20%. Изображение предоставлено INMR. 

Прочность изоляции и способность выдерживать перенапряжение

Прочность изоляции определяется способностью материала или диэлектрической системы выдерживать электрическое напряжение без пробоя. Однако в высоковольтных системах прочность изоляции необходимо оценивать не только как свойство материала, но и с точки зрения способности выдерживать импульсные перенапряжения, что включает в себя:

• Пространственное распределение электрического поля

• Импульсный отклик при неоднородных градиентах напряжения

• Диэлектрические интерфейсы (например, масло–бумага, SF₆–эпоксидная смола)

• Влияние многократных отражений и бегущих волн в сложных геометрических формах

Поскольку перенапряжения возникают в виде бегущих импульсов, локальные пиковые значения напряжения могут превышать прогнозируемые значения в стационарном состоянии. Отражения импульсов при несоответствии импедансов могут привести к удвоению напряжения на открытых концах или плохо согласованных интерфейсах. По этой причине изоляция оценивается не только по номинальному напряжению поля, но и по условиям кратковременных перенапряжений. 

Классификация систем изоляции

Стандарты определяют различные классы изоляции в зависимости от местоположения, восстанавливаемости и физического воздействия системы изоляции, как показано в таблице 2. 

Таблица 2. Определения различных классов по типам изоляции

Классификация влияет как на протоколы испытаний, так и на конструктивные решения. Например, несамовосстанавливающаяся изоляция ни при каких обстоятельствах не должна подвергаться перекрытиям во время эксплуатации или испытаний, в то время как самовосстанавливающаяся изоляция может выдерживать поверхностные перекрытия в контролируемых условиях при условии, что это не повредит оборудование и не снизит его надежность. 

Изоляция между фазой и землей, между фазой и продольной изоляцией

Уровни изоляции различаются в зависимости от способа приложения нагрузки:

• Изоляция между фазой и землей: наиболее критична в воздушных сетях; должна выдерживать грозовые импульсы и коммутационные перенапряжения. Оценивается с использованием BIL или BSL.

• Изоляция между фазой и землей: актуальна для близко расположенных проводников, систем КРУЭ и многофазных обмоток. Обычно подвергается нагрузке при внутренних замыканиях или феррорезонансных условиях.

• Продольная изоляция (или дифференциальная изоляция): возникает вдоль обмотки или самого проводника, имеет важное значение при исследованиях распространения перенапряжений.

Стандарт МЭК 60071 рекомендует проводить отдельные оценки координации для каждого из этих путей изоляции, особенно при наличии неравномерных градиентов электрического поля. Например, в трёхфазном трансформаторе межфазные зазоры могут потребовать иного расчётного диапазона, чем зазоры между фазой и землёй, особенно если ограничители перенапряжений установлены только на линейных выводах.

В системах с элегазовой изоляцией (GIS) и электропроводкой с газовой изоляцией (GIL), где физические зазоры минимизированы, коаксиальная геометрия приводит к высокой ёмкости и сложному взаимодействию импульсных перенапряжений, что требует точного моделирования как внутренних диэлектрических интерфейсов, так и распределения переходного напряжения по фазам и длинам. 

Практические выводы из проектирования

Базовый уровень изоляции (BIL), выбранный для высоковольтного оборудования, — это не просто номинальный показатель. Он напрямую определяет размеры, структуру и диэлектрические характеристики компонентов, подверженных кратковременным перенапряжениям. BIL определяет такие критически важные характеристики, как пути утечки, воздушные зазоры и необходимость использования экранов от перенапряжений или разрядников.

При практическом проектировании систем, особенно систем сверхвысокого и сверхвысокого напряжения (132 кВ и выше), преобразование BIL в физические проектные показатели должно также учитывать поправки на воздействие окружающей среды и координацию работы нескольких классов оборудования, работающего на разных уровнях напряжения. 

BIL и его влияние на расчет зазоров и путей утечки

Воздушный зазор — это кратчайший путь по воздуху между двумя проводящими частями или между проводящей частью и землёй. При заданном напряжении системы требуемый зазор увеличивается с ростом BIL, поскольку изоляция должна выдерживать пиковые переходные напряжения без перекрытия.

Корреляция между BIL и требуемым зазором между фазой и землёй в распределительных устройствах с воздушной изоляцией (AIS) стандартизирована руководствами МЭК и IEEE. Например, согласно МЭК 60071-2, минимальный зазор для BIL 400 кВ, равным 1425 кВ, составляет приблизительно 3,1–3,4 метра при стандартных атмосферных условиях. Это значение гарантирует, что система выдержит импульс напряжения 1,2/50 мкс без пробоя.

Длина пути утечки, напротив, является кратчайшим путём вдоль изолирующей поверхности. Она имеет решающее значение в средах, подверженных загрязнению или влажности. В то время как BIL определяет зазор (стойкость к импульсным перенапряжениям), пути утечки привязаны к напряжению системы и степени загрязнения и рассчитываются независимо с использованием:

Длина пути утечки = Напряжение системы (среднеквадратичное значение) x Коэффициент пути утечки (мм/кВ)

Коэффициенты утечки лежат в диапазоне от 16 мм/кВ (слабое загрязнение) до 31 мм/кВ (очень сильное загрязнение) согласно IEC 60815. Однако компоненты с более высоким коэффициентом утечки часто имеют более длинные пути утечки просто потому, что увеличиваются их физические размеры (таблица 3). 

Таблица 3. Типичные зазоры и пути утечки в зависимости от BIL

Эти значения различаются в зависимости от философии изоляции системы (AIS или GIS), конструкции оборудования и ухудшения характеристик под воздействием окружающей среды. 

Рисунок 2. Длина пути утечки тока через изолятор линии электропередачи. Изображение предоставлено Springer Nature. 

Поправочные коэффициенты на высоту и загрязнение

Все стандартные значения BIL предполагают стандартное атмосферное давление (101,3 кПа) и условия на уровне моря. Однако при установке на высоте более 1000 метров требуется снижение электрической прочности изоляции из-за снижения плотности воздуха, что снижает её стойкость.

Согласно IEC 60071-2, поправочный коэффициент на высоту (Ka) применяется как к зазорам, так и к испытательным напряжениям:

Ka=em(h−1000)8150

Где:

• h Высота над уровнем моря в метрах

• m Показатель степени, зависящий от типа напряжения (обычно 1 для грозового и коммутационного импульсов)

Например, на высоте 2000 м Ka ≈ 1,27, что указывает на увеличение требуемого зазора или испытательного напряжения на 27%.

Аналогичным образом, коррекция загрязнения влияет на длину пути утечки. Согласно стандарту IEC 60815, условия окружающей среды классифицируются по четырем уровням:

Эти факторы влияют на размеры и выбор вводов, изоляторов и места установки устройств защиты от перенапряжения. Инженеры-проектировщики должны сверяться с картами загрязнения или проводить испытания на загрязнение на конкретном объекте, чтобы определить необходимый уровень коррекции. 

Расчёт х-к электрооборудования по уровням напряжения

Поскольку энергосистемы редко бывают монолитными, координация на разных уровнях напряжения, особенно в коридорах электропередачи, охватывающих диапазоны 132 кВ, 220 кВ, 400 кВ и 765 кВ, крайне важна. Для каждого уровня напряжения существует стандартизированный уровень напряжения, определяемый стандартами IEC 60071-1 и IEEE C62.82.1, но переходные зоны (например, обмотки трансформаторов или автоматические выключатели, соединяющие две системы) требуют тщательной координации.

Например, высоковольтная обмотка трансформатора 400/132 кВ должна иметь уровень напряжения 1425 кВ, а обмотка 132 кВ – 550 кВ. Ограничители перенапряжений устанавливаются на обоих концах для ограничения переходных процессов и обеспечения координации изоляции. Разрыв уровня напряжения между двумя сторонами должен также учитывать передаваемые перенапряжения через емкостную или индуктивную связь. В системах сверхвысокого напряжения (например, 765 кВ) проблемы координации усугубляются масштабом зазоров и ограниченными возможностями лабораторного оборудования по испытательному напряжению. В таких случаях вместо прямых испытаний на устойчивость к импульсным нагрузкам применяется статистическая координация изоляции с использованием вероятностных моделей (например, вероятность отказа 2%).

Системы с элегазовой изоляцией (КРУЭ) и системы постоянного тока высокого напряжения (HVDC) еще больше усложняют ситуацию. Системы с элегазовой изоляцией (КРУЭ) используют меньшие физические зазоры и опираются на диэлектрическую прочность SF₆, но должны соответствовать предельным значениям прочности изоляции (BIL) внешних компонентов с воздушной изоляцией (AIS). С другой стороны, конструкция изоляции постоянного тока высокого напряжения (HVDC) требует координации выдерживания постоянного тока, коммутационных импульсов и грозовых импульсов, которые имеют разные формы волн и механизмы старения. 

Ключевые выводы

Расчёты параметров изоляции и точное определение базового уровня изоляции (BIL) имеют основополагающее значение для безопасной и надежной эксплуатации высоковольтных энергосистем. Эти концепции непосредственно влияют на проектирование, выбор и монтаж критически важной инфраструктуры, такой как трансформаторы, автоматические выключатели, ограничители перенапряжения и распределительные устройства, обеспечивая соответствие прочности изоляции максимальным перенапряжениям, с которыми может столкнуться система.

Правильные расчёты минимизируют риск перекрытия, повреждения энергооборудования и перерывов в электроснабжении, особенно в условиях грозовых перенапряжений, коммутационных операций или временных перенапряжений. Кроме того, учет условий окружающей среды, таких как высота над уровнем моря, степень загрязнения и атмосферное давление, гарантирует надлежащую работу установленного оборудования в различных географических регионах.

ПРОДОЛЖЕНИЕ СЛЕДУЕТ