Вступне слово – одразу після заголовка Частини 1
У Частині 2 ми розглянемо методику розрахунку параметрів ізоляції та базовий рівень ізоляції (BIL) у високовольтних системах для забезпечення надійності при перехідних перенапругах.
У Частині 1 цієї серії статей ми розпочали дослідження параметрів високовольтної ізоляції з розгляду природи перенапруг, стандартизованих методів випробувань імпульсною та витримуваною напругою, а також ролі стандартів для забезпечення надійності енергосистеми.
Частина 2 обговорюватиме принципи та практичне застосування розрахунків параметрів ізоляції та базового рівня ізоляції (BIL) у високовольтних системах, включаючи стандартизовані номінальні характеристики, особливості проектування обладнання та поправочні коефіцієнти на вплив навколишнього середовища. Також розглядається роль BIL у забезпеченні надійності енергосистеми при короткочасних перенапругах, таких як грозові розряди та комутаційні перенапруги.
Базовий рівень ізоляції (BIL) - це стандартизований показник, що використовується для визначення міцності ізоляції електроустаткування при короткочасних перенапругах, зокрема, при сильних перенапругах, таких як грозові імпульси. Визначається як пікове значення напруги зі стандартизованою формою сигналу, BIL служить еталоном для розрахунку діелектричних характеристик таких компонентів, як трансформатори, введення, комутаційні пристрої та обмежувачі перенапруг. Ця характеристика є піковою напругою, яку ізоляція може витримати без пробою під час стандартного випробування на грозовий імпульс, зазвичай визначається за допомогою імпульсу 1,2/50 мкс.
Рейтинг BIL визначається не на основі безперервної робочої напруги, а на основі випробувань на імпульсну міцність і завжди значно перевищує номінальну робочу напругу системи. Його основна мета – гарантувати, що обладнання може витримувати короткочасні перенапруги без пошкодження діелектрика. Цей рівень встановлюється зі статистичним запасом міцності, що враховує виробничі допуски, мінливість монтажу, умови довкілля та недетерміновану природу пробою ізоляції під впливом імпульсної напруги.
Концепція базового рівня ізоляції (BIL)
Рівень ізоляції (BIL) формально визначений у стандартах IEC 60071-1 («Координація ізоляції – Визначення, принципи та правила») та IEEE C62.82.1 («Стандарт координації ізоляції – Визначення, принципи та правила»). Ці стандарти забезпечують узгоджену основу визначення необхідних рівнів ізоляції залежно від напруги системи, очікуваних величин перенапруги, часу спрацьовування захисних пристроїв і прийнятної ймовірності відмови.
ВIL у порівнянні з іншими х-ками рівнями ізоляції
Важливо розрізняти BIL (базовий рівень комутаційного імпульсу), (BSL) та постійну робочу напругу (Un):
• BIL: Номінальний рівень імпульсу для перехідних грозових процесів (1,2/50 мкс), виражений в кВ (пік).
• BSL: Використовується для високовольтного обладнання (зазвичай ≥300 кВ), де переважають комутаційні перенапруги; форма сигналу зазвичай становить 250/2500 мкс.
• Стійкість до промислової частоти: 50/60 Гц, що використовується протягом 1 хвилини; (не плутати з BIL), також є частиною загальної координації ізоляції.
Разом з тим, ці рівні передбачають градуйовану структуру, при цьому BIL виступає як верхня межа з погляду нестабільності атмосферних перенапруг.
Стандартні рейтинги BIL по напрузі системи
Для забезпечення однаковості МЕК та IEEE визначають стандартизовані значення BIL, що відповідають номінальним напругам системи. Ці стандартизовані значення BIL є округленими значеннями, вибраними для узгодження з вимогами до розрядників для захисту від перенапруг і фізичних зазорів. Спрощену витримку зі стандарту IEEE (C62.82.1) представлено в таблиці 1.
Таблиця 1. Напруги системи та відповідні значення BIL
Наприклад, трансформатор класу 230 кВ може мати номінальний рівень ізоляції 900 кВ. Це означає, що під час стандартного випробування на вплив грозового імпульсу 1,2/50 мкс ізоляція повинна витримувати пікову напругу 900 кВ без перекриття або внутрішнього пробою.
Роль BIL у проектуванні обладнання
BIL безпосередньо впливає на повітряні зазори, шляхи витоку та геометрію фізичної ізоляції у високовольтних конструкціях. Наприклад, відстань між обмотками, зазори між провідниками та повітрям у розподільчих пристроях, а також масляний або елегазовий діелектричний контур повинні бути розраховані на номінальний BIL з урахуванням коефіцієнта запасу міцності. Крім того, координація з пристроями захисту від перенапруг (УЗІП), такими як металооксидні варистори (MOV), гарантує, що рівні BIL ніколи не будуть перевищені в процесі експлуатації.
При проектуванні трансформатора BIL впливає такі факторы:
• Товщина міжвиткової ізоляції
• Відстань між обмоткою та сердечником та між обмоткою та землею
• Тип та геометрія ізоляції вводів
• Конструкція екранування імпульсів, особливо для регулювальних та третинних обмоток
Крім того, рівень BIL впливає на заводські приймальні випробування (FAT) і повинен бути підтверджений випробуваннями на імпульсну міцність як повнохвильовими, так і зрізаними. Виробники трансформаторів проектують внутрішній розподіл імпульсної напруги за допомогою засобів моделювання, щоб гарантувати, що пікова напруга залишається в межах допустимих для матеріалу навіть в умовах неоднорідних полів, викликаних чергуванням обмоток або геометрією сердечника.
Вибір рівня BIL також має основне значення для досліджень координації ізоляції, які встановлюють баланс між міцністю ізоляції обладнання та захисною здатністю УЗІП. Керівний принцип полягає в тому, що обмежувачі перенапруг повинні обмежувати напругу нижче за рівень BIL, забезпечуючи достатній запас захисту, як правило, близько 15–20%.
Основи розрахунку параметрів ізоляції
Розрахунок параметрів ізоляції - це процес, що забезпечує стійкість ізоляції електроустаткування до перенапруг, які можуть виникнути протягом терміну служби енергосистеми, без перевищення економічно та експлуатаційно обґрунтованих меж. Це вимагає стратегічного балансу між міцністю ізоляції компонентів енергосистеми та стратегією захисту від перенапруг, забезпечуючи надійність без надмірного проектування. Координація ізоляції регулюється міжнародними стандартами, такими як IEC 60071-1, IEEE C62.82.1, а також відповідними посібниками з проектування ізоляції для конкретного обладнання.
Координаційний (захисний) допуск та захисний рівень
Ключовим параметром координації ізоляції є запас міцності, який визначається як різниця між напругою ізоляції, що витримується (звичайно BIL для грозових імпульсів або BSL для комутаційних перенапруг) і максимальною тимчасовою або перехідною перенапругою, яка може виникнути в даній точці системи. Загальний принцип полягає в наступному:
Захисний допуск = Рівень ізоляції, що витримується - Максимальна очікувана перенапруга
Для забезпечення консервативної та статистично стійкої конструкції стандарти зазвичай рекомендують мінімальний запас захисту 15–20%. Це означає, що пристрої захисту від імпульсних перенапруг, такі як розрядники, повинні обмежувати перехідні перенапруги до значень нижче основного рівня напруги (BIL) підключеного електроустаткування навіть у несприятливих умовах експлуатації.
Ці напруги характеризуються ймовірністю їх виникнення, яка варіюється залежно від розташування, топології енергосистеми та комутаційного режиму. Наприклад, грозові імпульси характеризуються формою хвилі 1,2/50 мкс і статистичною ймовірністю пробою 2%, тоді як комутаційні імпульси зазвичай мають профіль 250/2500 мкс і припускають більш тривале навантаження на ізоляцію.
Рівень захисту розрядників визначається залишковою напругою, яку вони пропускають, і яка має бути узгоджена зі значеннями основного рівня напруги (BIL) для запобігання пробою ізоляції. Наприклад, якщо базова напруга трансформатора 230 кВ становить 900 кВ, то розрядник на його висновках повинен мати залишкову напругу не більше 750-765 кВ (з розрахунку запасу 15-20%).
Рисунок 1. Стандарти проектування рекомендують мінімальний захисний запас 15-20%. Зображення надано INMR.
Міцність ізоляції та здатність витримувати перенапругу
Міцність ізоляції визначається здатністю матеріалу чи діелектричної системи витримувати електричну напругу без пробою. Однак у високовольтних системах міцність ізоляції необхідно оцінювати не тільки як властивість матеріалу, але і з точки зору здатності витримувати імпульсні перенапруги, що включає:
• Просторовий розподіл електричного поля
• Імпульсний відгук при неоднорідних градієнтах напруги
• Діелектричні інтерфейси (наприклад, масло-папір, SF₆-епоксидна смола)
• Вплив багаторазових відображень і хвиль, що біжать, у складних геометричних формах
Оскільки перенапруги виникають у вигляді імпульсів, що біжать, локальні пікові значення напруги можуть перевищувати прогнозовані значення в стаціонарному стані. Відображення імпульсів у разі невідповідності імпедансів можуть призвести до подвоєння напруги на відкритих кінцях або погано узгоджених інтерфейсах. З цієї причини ізоляція оцінюється не тільки за номінальною напругою поля, а й за умов короткочасних перенапруг.
Класифікація систем ізоляції
Стандарти визначають різні класи ізоляції залежно від розташування, відновлюваності та фізичної дії системи ізоляції, як показано в таблиці 2.
Таблиця 2. Визначення різних класів за типами ізоляції
Класифікація впливає як на протоколи випробувань, і на конструктивні рішення. Наприклад, ізоляція, що самовідновлюється, ні за яких обставин не повинна піддаватися перекриттям під час експлуатації або випробувань, в той час як ізоляція, що самовідновлюється, може витримувати поверхневі перекриття в контрольованих умовах за умови, що це не пошкодить обладнання і не знизить його надійність.
Ізоляція між фазою та землею, між фазою та поздовжньою ізоляцією
Рівні ізоляції різняться залежно від способу застосування навантаження:
• Ізоляція між фазою та землею: найбільш критична у повітряних мережах; повинна витримувати грозові імпульси та комутаційні перенапруги. Оцінюється за допомогою BIL або BSL.
• Ізоляція між фазою та землею: актуальна для близько розташованих провідників, систем КРУЕ та багатофазних обмоток. Зазвичай піддається навантаженню при внутрішніх замиканнях або ферорезонансних умовах.
• Поздовжня ізоляція (або диференціальна ізоляція): виникає вздовж обмотки або самого провідника, що має важливе значення при дослідженнях поширення перенапруг.
Стандарт МЕК 60071 рекомендує проводити окремі оцінки координації кожного з цих шляхів ізоляції, особливо за наявності нерівномірних градієнтів електричного поля. Наприклад, у трифазному трансформаторі міжфазні зазори можуть вимагати іншого розрахункового діапазону, ніж зазори між фазою та землею, особливо якщо обмежувачі перенапруг встановлені лише на лінійних висновках.
У системах з елегазовою ізоляцією (GIS) та електропроводкою з газовою ізоляцією (GIL), де фізичні зазори мінімізовані, коаксіальна геометрія призводить до високої ємності та складної взаємодії імпульсних перенапруг, що вимагає точного моделювання як внутрішніх діелектричних інтерфейсів, так і розподілу перехідної напруги по фазах.
Практичні висновки із проектування
Базовий рівень ізоляції (BIL), вибраний для високовольтного обладнання, це не просто номінальний показник. Він безпосередньо визначає розміри, структуру та діелектричні характеристики компонентів, схильних до короткочасних перенапруг. BIL визначає такі критично важливі характеристики, як шляхи витоку, повітряні зазори та необхідність використання екранів від перенапруг чи розрядників.
При практичному проектуванні систем, особливо систем надвисокої та надвисокої напруги (132 кВ і вище), перетворення BIL у фізичні проектні показники має також враховувати поправки на вплив навколишнього середовища та координацію роботи кількох класів обладнання, що працює на різних рівнях напруги.
BIL та його вплив на розрахунок зазорів та шляхів витоку
Повітряний зазор - це найкоротший шлях повітрям між двома провідними частинами або між провідною частиною і землею. При заданій напрузі системи зазор збільшується зі зростанням BIL, оскільки ізоляція повинна витримувати пікові перехідні напруги без перекриття.
Кореляція між BIL і необхідним проміжком між фазою і землею в розподільних пристроях з повітряною ізоляцією (AIS) стандартизована керівництвами МЕК та IEEE. Наприклад, згідно з МЕК 60071-2, мінімальний зазор для BIL 400 кВ, що дорівнює 1425 кВ, становить приблизно 3,1-3,4 метра за стандартних атмосферних умов. Це гарантує, що система витримає імпульс напруги 1,2/50 мкс без пробою.
Довжина шляху витоку, навпаки, є найкоротшим шляхом вздовж ізолюючої поверхні. Вона має вирішальне значення в середовищах, схильних до забруднення або вологості. У той час як BIL визначає зазор (стійкість до імпульсних перенапруг), шляхи витоку прив'язані до напруги системи та ступеня забруднення та розраховуються незалежно з використанням:
Довжина шляху витоку = Напруга системи (середньоквадратичне значення) x Коефіцієнт шляху витоку (мм/кВ)
Коефіцієнти витоку лежать у діапазоні від 16 мм/кВ (слабке забруднення) до 31 мм/кВ (дуже сильне забруднення) згідно з IEC 60815. Однак компоненти з більш високим коефіцієнтом витоку часто мають більш довгі шляхи витоку просто тому, що збільшуються їх фізичні розміри (таблиця 3).
Таблиця 3. Типові зазори та шляхи витоку в залежності від BIL
Ці значення різняться залежно від філософії ізоляції системи (AIS або GIS), конструкції обладнання та погіршення характеристик під впливом довкілля.
Рисунок 2. Довжина шляху витоку струму через ізолятор лінії електропередачі. Зображення надано Springer Nature.
Поправочні коефіцієнти на висоту та забруднення
Усі стандартні значення BIL передбачають стандартний атмосферний тиск (101,3 кПа) та умови на рівні моря. Однак при встановленні на висоті понад 1000 метрів потрібне зниження електричної міцності ізоляції через зниження щільності повітря, що знижує її стійкість.
Відповідно до IEC 60071-2, поправочний коефіцієнт на висоту (Ka) застосовується як до зазорів, так і до випробувальних напруг:
Ka=em(h−1000)8150
Де:
• h Висота над рівнем моря в метрах
• m Показник ступеня, який залежить від типу напруги (зазвичай 1 для грозового та комутаційного імпульсів)
Наприклад, на висоті 2000 м Ka ≈ 1,27, що вказує на збільшення необхідного зазору або випробувального напруження на 27%.
Аналогічним чином, корекція забруднення впливає довжину шляху витоку. Відповідно до стандарту IEC 60815, умови довкілля класифікуються за чотирма рівнями:
Ці фактори впливають на розміри та вибір вводів, ізоляторів та місця встановлення пристроїв захисту від перенапруги. Інженери-проектувальники повинні звірятися з картами забруднення або проводити випробування забруднення на конкретному об'єкті, щоб визначити необхідний рівень корекції.
Розрахунок х-к електроустаткування за рівнями напруги
Оскільки енергосистеми рідко бувають монолітними, координація на різних рівнях напруги, особливо в коридорах електропередачі, що охоплюють діапазони 132 кВ, 220 кВ, 400 кВ та 765 кВ, є вкрай важливою. Для кожного рівня напруги існує стандартизований рівень напруги, який визначається стандартами IEC 60071-1 та IEEE C62.82.1, але перехідні зони (наприклад, обмотки трансформаторів або автоматичні вимикачі, що з'єднують дві системи) вимагають ретельної координації.
Наприклад, високовольтна обмотка трансформатора 400/132 кВ повинна мати рівень напруги 1425 кВ, а обмотка 132 кВ – 550 кВ. Обмежувачі перенапруг встановлюються на обох кінцях для обмеження перехідних процесів та забезпечення координації ізоляції. Розрив рівня напруги між двома сторонами повинен також враховувати перенапруги, що передаються через ємнісний або індуктивний зв'язок. У системах надвисокої напруги (наприклад, 765 кВ) проблеми координації погіршуються масштабом зазорів та обмеженими можливостями лабораторного обладнання з випробувальної напруги. У таких випадках замість прямих випробувань на стійкість до імпульсних навантажень застосовується статистична координація ізоляції з використанням імовірнісних моделей (наприклад, можливість відмови 2%).
Системи з елегазовою ізоляцією (КРУЕ) та системи постійного струму високої напруги (HVDC) ще більше ускладнюють ситуацію. Системи з елегазовою ізоляцією (КРУЕ) використовують менші фізичні зазори та спираються на діелектричну міцність SF₆, але повинні відповідати граничним значенням міцності ізоляції (BIL) зовнішніх компонентів з повітряною ізоляцією (AIS). З іншого боку, конструкція ізоляції постійного струму високої напруги (HVDC) вимагає координації витримування постійного струму, комутаційних імпульсів та грозових імпульсів, які мають різні форми хвиль та механізми старіння.
Ключові висновки
Розрахунки параметрів ізоляції та точне визначення базового рівня ізоляції (BIL) мають основне значення для безпечної та надійної експлуатації високовольтних енергосистем. Ці концепції безпосередньо впливають на проектування, вибір та монтаж критично важливої інфраструктури, такої як трансформатори, автоматичні вимикачі, обмежувачі перенапруги та розподільні пристрої, забезпечуючи відповідність міцності ізоляції максимальним перенапругам, з якими може зіткнутися система.
Правильні розрахунки мінімізують ризик перекриття, пошкодження енергообладнання та перерв у електропостачанні, особливо в умовах грозових перенапруг, комутаційних операцій або тимчасових перенапруг. Крім того, облік умов довкілля, таких як висота над рівнем моря, ступінь забруднення та атмосферний тиск, гарантує належну роботу встановленого обладнання у різних географічних регіонах.
ПРОДОВЖЕННЯ СЛІДУЄ
