Тестування х-к високої напруги та розрахунок адекватних параметрів ізоляції - Частина 1

ВСТУП:

Даний цикл статей доводить необхідність застосування засобів вимірювань електрообладнання, електромереж та всього, що так чи інакше пов'язане з електрикою за допомогою як стаціонарного, так і портативного інструментарію. Сюди, в першу чергу, можна віднести мегомметри, тестери опору заземлення, осцилографи і, звичайно, такі універсальні прилади, як струмові кліщі і мультиметри, а також тепловізори, мультиметри з функціями тепловізора і навіть кабельні тестери. Обґрунтування постійного застосування перелічених приладів при експлуатації електрообладнання – у наступних частинах цієї статті.

Весь перелік перелічених інструментів є на складі Магазину Gtest®.

У Частині 1 цієї статті ми розглянемо координацію високовольтної ізоляції, приділивши особливу увагу природі перенапруг, а також стандартизованим методам випробувань імпульсним та витримуваним напругою та ролі стандартів для надійності.

До інших факторів відносяться тимчасові перенапруги (ВПН), які можуть виникати через скидання навантаження, резонансні умови, феро-резонанс у силових трансформаторах або тривалу подачу напруги на лінію. Хоча їх амплітуди, як правило, нижчі, ніж у грозових або комутаційних імпульсів, ВПН можуть зберігатися протягом кількох циклів або навіть секунд, що робить їх особливо небезпечними для систем ізоляції, призначених для захисту від перехідних процесів.

Тому система ізоляції має витримувати три основні категорії перенапруг:

• Грозові перенапруги (швидкий фронт, висока амплітуда)

• Комутаційні перенапруги (повільний фронт, середня амплітуда)

• Тимчасові перенапруги (низькочастотні, тривалі)

Ці класифікації визначають процес розрахунку параметрів ізоляції, який включає ретельний вибір рівнів електричної міцності діелектрика та налаштувань захисних пристроїв.

Пошкодження ізоляції – будь то в повітряному середовищі, у твердих діелектриках або в системах з паперово-масляною ізоляцією – може призвести до дугових перекриттів, пошкодження обладнання, перебоїв в електропостачанні та, у деяких випадках, до каскадних відмов мережі. Оскільки напруга в системі продовжує зростати для задоволення потреб у передачі електроенергії, характеристики ізоляції стають все більш важливими.

Ізоляція системи має бути досить міцною, щоб витримувати різні стресові ситуації, включаючи пробій діелектрика, часткові розряди та механізми тривалого старіння. Ці чинники залежать як від величини напруги, а й від форми, тривалості, полярності і швидкості наростання (dv/dt) хвилі. В результаті системи ізоляції завжди специфікуються та перевіряються за стандартизованими формами напруги, що імітують реальні умови перенапруги.

Природа та джерела перенапруг

Перенапруги в енергосистемах виникають із низки причин. Найбільш поширеною зовнішньою причиною є грозові розряди, які можуть викликати високоамплітудні і круті фронти імпульсів напруги в лініях електропередачі, які зазвичай поширюються у вигляді хвиль, що біжать. Ці імпульси особливо небезпечні через короткий час наростання і високої пікової напруги, що часто перевищує кілька сотень кіловольт.

Всередині мережі основною причиною перенапруг є високошвидкісне перемикання індуктивних або ємнісних елементів, таких як автоматичні вимикачі, силові трансформатори, реактори шунтуючі і конденсаторні батареї. Такі операції можуть створювати повільніші, але все ж значні перенапруги з коливальними компонентами та тривалою тривалістю.

Характеристики всіх типів перенапруг (Грозові, Комутаційні, Тимчасові). Зображення надано ResearchGate.

Розрахунок параметрів ізоляції: відповідність міцності та захисту

Розрахунок параметрів ізоляції – це цілеспрямований інженерний процес, спрямований на узгодження електричної міцності обладнання з очікуваною інтенсивністю перенапруг та робочими характеристиками захисних пристроїв, таких як розрядники. Розрахунки забезпечують:

1. Ізоляція обладнання не використовується недостатньо і не має надмірного запасу міцності.

2. Захисні пристрої спрацьовують до того, як ізоляція системи зазнає перевантаження.

Ця координація регулюється міжнародними стандартами, такими як IEC 60071-1 та IEEE Std 1313.1, які визначають стандартні рівні ізоляції, статистичні можливості стійкості та захисні запаси. Координація ізоляції не спрямована на усунення всіх перенапруг; натомість вона гарантує, що ймовірність пошкодження ізоляції залишиться в допустимих межах, виходячи з напруги системи, типу ізоляції та схем захисту.

Наприклад, силовий трансформатор номіналом 400 кВ може мати базовий рівень ізоляції (BIL) 1425 кВ (при грозовому імпульсі) та рівень стійкості до комутаційного імпульсу (SIL) 1050 кВ. Ці значення не довільні, а засновані на багаторічному досвіді високовольтних випробувань, статистичних даних про пробої ізоляції та реальні профілі перенапруг.

Інженерна значимість та застосування х-к до ізоляції

Точні параметри параметрів реалізуються безпосередньо на проектуванні, випробуваннях та підключенні основного високовольтного обладнання:

• Трансформатори повинні мати ізоляцію обмоток та вводи, розраховані на те, щоб витримувати як грозові, так і комутаційні імпульси.

• Автоматичні вимикачі повинні не тільки відключати струми короткого замикання, але й витримувати перехідні напруги (TRV), що зупиняються, і запобігати внутрішнім пробоям.

• Обмежувачі перенапруги (наприклад, метало-оксидні варистори) налаштовані на обмеження перенапруг трохи нижче порога стійкості устаткування, що захищається.

• Повітряні лінії та кабелі повинні бути перевірені на їх імпульсний опір, характеристики розповсюдження та схильність до ударів блискавки.

Понад те, координація ізоляції грає найважливішу роль забезпечення стабільності мережі. У погано скоординованій системі можуть виникати пробої ізоляції навіть при штатних перемиканнях, що призводить до збоїв у роботі, вимушених відключень та знеструмлення. З точки зору системних проектувальників та інженерів із захисту, координація ізоляції забезпечує дотримання проектних норм, оптимізуючи продуктивність системи та мінімізуючи вартість обладнання.

Стандарти випробувань на імпульсну та витримувану напругу

Високовольтне обладнання має проходити валідацію у ретельно контрольованих лабораторних умовах, щоб гарантувати, що його ізоляція витримує експлуатаційні та перехідні навантаження. Основними стандартами, що регламентують процедури високовольтних випробувань, є IEC 60060 (для методів високовольтних випробувань) та IEEE Std 4, які передбачають практично паралельні методики випробування ізоляції апаратури імпульсною та промисловою напругою.

Ці стандарти визначають процедури, методи вимірювань, форми випробувальних сигналів та критерії приймання для оцінки міцності ізоляції відтворюваним та загальноприйнятим на міжнародному рівні способом.

Основною метою імпульсних випробувань є імітація реалістичних умов перенапруги, зокрема, спричинених ударами блискавки та комутаційними подіями з використанням стандартизованих профілів форми сигналу. Найбільш поширені форми випробувальних сигналів:

• Грозовий імпульс (LI): характеризується номінальною формою хвилі 1,2/50 мкс (тривалість фронту 1,2 мкс, час до півспаду 50 мкс). Ця форма хвилі імітує крутий фронт прямого чи непрямого удару блискавки. Форму хвилі визначено стандартом IEC 60060-1, а її параметри строго регламентовані для забезпечення узгодженості.

• Комутаційний імпульс (SI): Маючи значно більш короткий фронт, зазвичай 250/2500 мкс, ця форма хвилі відображає внутрішні перенапруги, що виникають при перемиканні високовольтного обладнання, такого як автоматичні вимикачі, або при скиданні навантаження. У системах постійного струму високої напруги (HVDC) та надвисокої напруги комутаційні імпульси можуть бути більш руйнівними, ніж грозові імпульси через їх більшу тривалість.

Ці випробування зазвичай проводять у високовольтних лабораторіях, оснащених генераторами імпульсної напруги, здатними виробляти імпульси в діапазоні декількох мегавольт. Стандартний генератор може складатися з декількох каскадів конденсаторів та розрядників, розташованих за схемою Маркса для послідовного складання напруги та створення необхідної форми сигналу.

Дільники напруги, зазвичай ємнісні або резистивні, використовуються для зниження високої напруги та забезпечення точності вимірювань. Форма сигналу реєструється за допомогою цифрового осцилографа, при цьому пікові напруги, тривалість фронту та спаду аналізуються на відповідність стандартним формам сигналу. Вимірювальна установка має бути належним чином екранована та заземлена для усунення перешкод та артефактів коронного розряду, які можуть спотворювати форму імпульсу.

Найпоширеніші форми сигналів для випробування систем ізоляції. Зображення надано MB Drive Services.

Критерії стійкості та класифікація випробувань

Результат високовольтних випробувань, як правило, двозначний: ізоляція або «витримує» напругу, або «руйнується» через перекриття або пробою.

Точніше визначення:

• Стійкість означає, що обладнання витримує випробувальну напругу без пробою чи незворотного пошкодження ізоляції.

• Шлях пробою – це шлях розряду через повітряну або поверхневу ізоляцію, а не через діелектричний матеріал. Він не завжди призводить до руйнування, але вважається відмовою під час випробування, якщо порушує проектні вимоги.

• Пробій або «прокол» відноситься до незворотного пошкодження ізоляції, як правило, у твердому або рідкому ізоляційному середовищі.

Випробування проводять у стандартних атмосферних умовах, що визначаються температурою (20 °C), тиском (101,3 кПа) та відносною вологістю (11 г/м³). Оскільки атмосферні умови впливають на щільність повітря і, отже, електричну міцність діелектрика, стандарти IEC і IEEE вимагають застосування поправочних коефіцієнтів під час проведення випробувань у нестандартних умовах.

Поправочний коефіцієнт густини повітря

K1=(pp0⋅T0T)m

Де:

• K1 Поправочний коефіцієнт густини повітря

• p Атмосферний тиск на місці (кПа)

• p0 Стандартний тиск = 101,3 кПа

• T Абсолютна температура на місці (K = °C + 273,15)

• T0 Стандартна температура = 293 K (20 °C)

• m Показник ступеня, який залежить від типу напруги (зазвичай 1 для грозового імпульсу, комутаційного імпульсу, промислової частоти)

Поправочний коефіцієнт висоти

Ka=em(h−1000)8150 for h>1000 m

Де

• h Висота над рівнем моря в метрах

• m Показник ступеня, який залежить від типу напруги (зазвичай 1 для грозового імпульсу, комутаційного імпульсу, промислової частоти)

Ці поправки забезпечують однаковість суворості випробувань у різних лабораторіях та умовах довкілля.

Залежно від мети випробування можуть використовуватись кілька варіантів імпульсного випробування:

• Випробовування повною хвилею: застосовується стандартна форма імпульсу 1,2/50 мкс. Устаткування має витримувати задану кількість імпульсів (зазвичай від 3 до 5).

• Випробування зрізаною хвилею: імпульс навмисно зрізається на кінці чи фронті за допомогою зовнішнього іскрового проміжку. Це імітує близьке перекриття або спрацьовування розрядника і накладає крутіший dv/dt на ізоляцію.

• Випробування фронтом хвилі: оцінює реакцію ізоляції на надзвичайно крутий фронт удару блискавки (~0,1–0,5 мкс). Такі випадки трапляються рідко, але критично важливі для застосування у КРУЕ або трансформаторних вводах поблизу відкритих висновків.

Випробування поділяються на сухі та вологі. Випробування в умовах дощу проводяться в умовах, що імітують дощ (зазвичай з інтенсивністю 1-3 мм/хв, з використанням деіонізованої води). Випробування в умовах дощу необхідні для зовнішньої установки обладнання, щоб врахувати поверхневе забруднення та наявність струмопровідних шляхів, створюваних водяною плівкою. Стандарти визначають мінімально допустиму напругу як для сухих, так і для вологих умов, і обладнання має пройти обидва випробування для отримання сертифіката на експлуатацію під високою напругою на відкритому повітрі.

Випробувальне середовище високої напруги. Зображення надано Siemens Energy.

Ключові висновки

Випробування імпульсною і напругою, що витримується, є основними елементами техніки високовольтного обладнання. Форми сигналів, критерії «пройшов/не пройшов» та протоколи випробувань, встановлені стандартами МЕК та IEEE, гарантують, що все обладнання, що надходить в експлуатацію, має підтверджений запас міцності при очікуваних перенапругах. Ці стандартизовані процедури формують емпіричну основу для координації ізоляції та безпосередньо впливають на вибір ізоляційних матеріалів, зазорів та схем захисту від перенапруги.

ПРОДОВЖЕННЯ СЛІДУЄ