Статистические исследования разрядных характеристик высоковольтных опорных изоляторов в условиях загрязнения и увлажнения

Актуальность проблемы. Для разработки и оптимального выбора изоляционных конструкций электрооборудования открытых распределительных устройств необходимы исследования электрической прочности внешней изоляции при длительном воздействии рабочего напряжения в условиях загрязнения и увлажнения. Эти исследования в настоящее время выполняются экспериментальным путем, однако, высокая трудоемкость существующих методик испытания загрязненных подстанционных изоляторов во многом ограничивает объем и достоверность экспериментальных данных по их разрядным характеристикам, в частности, по разрядным характеристикам опорных изоляторов. Недостаточно полные представления о механизме развития физических процессов, происходящих при перекрытии загрязненных и увлажненных изоляторов, нередко приводят к ошибкам методического характера и неправильным результатам лабораторных испытаний. Кроме того отсутствуют обоснованные методики применения разрядных характеристик при выборе уровней внешней изоляции электрооборудования, в том числе ее наиболее распространенного и уязвимого в эксплуатации типа — опорной изоляции. В связи с эти актуальным является разработка новой высокотехнологичной методики экспериментальной оценки разрядных характеристик внешней опорной изоляции при загрязнении и увлажнении, изучение физических процессов на поверхности загрязненных и увлажненных опорных изоляторов, определение разрядных характеристик основных типов опорных изоляторов, в том числе с исследованием на физико-математической модели, и на этой основе разработка методики применения полученных экспериментальных данных при выборе внешней изоляции электрооборудования.

Цель работы. Основной целью работы являлось обоснование требований к разрядным характеристикам опорных изоляторов при искусственном загрязнении в зависимости от степени загрязнения в районе их применения и 6 — усовершенствование методики статистического выбора внешней изоляции для районов с загрязненной атмосферой. Для этого необходимо решение следующих задач: разработка математической модели физических процессов на загрязненной и увлажненной поверхности изолятора при длительном воздействии напряжения и проведшие компьютерного эксперимента для определения численных оценок квантилей разрядного напряжения в области малых и весьма малых вероятностей перекрытия" что в лбораторнам эксперименте (при значениях кривой эффекта ЧРШ) < 0,0001) практически неосуществимо, так как требует большого количества трудоемких длительных опытов. разработка новой высокотехнологичной методики искусственного загрязнения, приемлемой для испытаний крупногабаритных опорных изоляторовэкспериментальное определение разрядных характеристик опорных изоляторов с различным диаметром тела и с различной конфигурацией поверхности (зависимости и$о% от х) — разработка методики ускоренных испытаний и определение кривой эффекта ЧЧШ для наиболее распространенных по конфигурации опорных изоляторов при наиболее характерных в эксплуатации слабых и умеренных загрязнениях.

Научная новизна и практическая ценность. В настоящей работе впервые разработана статистическая модель динамики физических процессов на загрязненной и увлажненной поверхности изолятора при длительном воздействии напряжения, которая учитывает вероятностный характер основных факторов, определяющих механизмы предразрядных и разрядных явлении при различных уровнях воздействующего напряжения. Результаты лабораторных и компьютерных экспериментов подтвердили гипотезу усечения кривой эффекта слева на примере аппроксимации зависимости y (U) грехпара-метрическим (ограниченным слева) распределением Вейбулла. Показано, что одним из главных факторов, определяющих усечение кривой эффекта, является равномерный прогрев поверхности изолятора (сушки слоя загрязне 7 кия) током утечки в результате диффузионного перераспределения тепла при напряжениях, соответствующих малой и весьма малой вероятности перекрытия 4P (U). Показано, что оценка уровня усечения (U^/U0) кривой эффекта зависит от параметров лабораторного эксперимента (степени равномерности слоя загрязнения изолятора и снижения величины испытательного напряжения в результате протекания тока утечки) и применение в лабораторных исследованиях высоковольтных испытательных установок ограниченной мощности может привести к существенным погрешностям в определении величины напряжения усечения U0.

Модернизирована методика экспериментальных исследований и исследованы частости перекрытия опорных изоляторов в широком диапазоне уровней воздействующего напряжения. Впервые показано, что наилучшая аппроксимация зависимости вероятности перекрытия изолятора от величины воздействующего напряжения (кривой эффекта) достигается трехпараметри-ческим (ограниченным слева) распределением Вейбулла. Подтверждено, что в области значений е [0,05 — 0,95] аппроксимация кривой эффекта опорных изоляторов с высоким уровнем надежности может быть выполнена нормальным законом распределения.

Разработана методика искусственного загрязнения изоляторов, которая, не снижая точности результатов, позволяет автоматизировать процедуру лабораторных испытаний, что сокращает затраты и уровень субъективных влияний на эксперимент.

В широком диапазоне изменения удельной поверхностной проводимости впервые исследованы разрядные характеристики основных типов опорных изоляторов. Исследовано влияние степени загрязнения на эффективность использования длины пути утечки опорных изоляторов. Эффективность использования длины пути утечки изоляторов с чередующимися ребрами переменного вылета повышается при умеренно сильных и сильных загрязнениях, оставаясь сравнительно низкой при средних и малых загрязнениях. Результаты этих исследований позволили сформулировать проект нормативных требований к разрядным напряжениям при искусственном загрязнении и 8 увлажнении опорных изоляторов для различных классов напряжения и различных зон загрязнения. Предлагаемые нормативы отличаются от необеспе-чивающих надежный выбор изоляции норм (ГОСТ 9984−85) более жесткими требованиями к электрической прочности загрязненных опорных изоляторов.

Усовершенствована методика статистического выбора изоляции по условию надежной работы в нормальном эксплуатационном режиме, которая основывается на усеченности кривой эффекта слева.

На защиту выносятся: статистическая модель и алгоритм расчета динамики физических процессов на загрязненной и увлажненной поверхности изолятора при длительном воздействии напряжениярезультаты компьютерных экспериментовметодика искусственного загрязнения изолятороврезультаты лабораторных исследований зависимости вероятности перекрытия изолятора от величины воздействующего напряжениярезультаты исследований электрической прочности опорных изоляторов при искусственном загрязненииосноные положения усовершенствованной методики статистического выбора изоляции по условию надежной работы в нормальном эксплуатационном режиме.

Апробация работы и публикации. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждалисьна научно-технической конференции «Повышение надежности работы изоляции линии электропередачи и электрооборудования высокого напряжения» (Ташкент" 1986) — на международном коллоквиуме по высоковольтной испытательной технике в Ленинграде (СССР, 1988). на научно-технической конференции «Разработка и исследование изоляционных конструкций из новых материалов и внедрение компьютерной технологии в проектирование и организацию строительства» (Ташкент" 1989) на 7-ом Международном симпозиуме (ISH) в Дрездене (ГДР, 1991). на 9-ом Международном симпозиуме (ISH) в Граце (Австрия, 1995).

По материалам работы опубликовано 10 статей в электротехнических журналах и в материалах конференций [5, 14, 15, 26, 27, 35, 36, 37, 81, 82].

1. ВНЕШНЯЯ ИЗОЛЯЦИЯ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ В УСЛОВИЯХ ЗАГРЯЗНЕНИЯ И УВЛАЖНЕНИЯ. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА.

Выводы.

1. Разработана методика статистического выбора изоляции по условию надежной работы в нормальном эксплуатационном режиме, которая основывается на усеченности кривой эффекта слева и с использованием исходных данных о параметрах кривой эффекта и вероятностных характеристик загрязнения в районе эксплуатации позволяет рассчитать необходимую длину пути утечки выбираемого изолятора. Предлагаемая методика имеет два принципиальных отличия от существующего подхода (см. главу 1) при аппроксимации кривой эффекта неограниченным (нормальным) законом: результат выбора уровня изоляции не зависит от ожидаемого числа увлажнений изоляции в эксплуатации и от числа изоляторов (изоляционных конструкций) проектируемой высоковольтной сетивыбор изоляции учитывает статистические погрешности экспериментальных исходных параметров, характеризующих ожидаемые условия эксплуатации.

С учетом этих новых принципов, результаты статистического выбора изоляции лучше согласуется с реальным опытом эксплуатации, чем в случае применения статистической методики, использовавшейся ранет.

135 —.

2. Сформулированы и апробированы высоковольтными испытаниями требования к разрядным напряжения при искусственном загрязнении и увлажнении опорных изоляторов для различных классов напряжения и различных зон загрязнения. Предлагаемые нормативы отличаются от необеспе-чивающих надежный выбор изоляции норм [19, 38] более жесткими требованиями к электрической прочности загрязненных опорных изоляторов.

136— ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

1. Разработана статистическая модель динамики физических процессов на загрязненной и увлажненной поверхности изолятора при длительном воздействии напряжения, которая учитывает вероятностный характер основных факторов, определяющих механизмы предразрядных и разрядных явлений при различных уровнях воздействующего напряжения. Результаты компьютерных экспериментов и сравнительный анализ предразрядных процессов на поверхности изолятора при различных уровнях воздействующего напряжения U позволили теоретически обосновать усечение кривой эффекта qj (U) слева, т. е. существование величины воздействующего напряжения (Uq > 0), ниже которой вероятность перекрытия всегда строго равна нулю. Одним из главных факторов, определяющих это усечение, является равномерный прогрев поверхности изолятора током утечки в результате диффузионного перераспределения тепла при напряжениях, соответствующих малой и весьма малой вероятности перекрытия VF (U).

2. Оценка уровня усечения (йда1/й0) кривой эффекта во многом зависит от стабильности параметров реального лабораторного эксперимента (степени равномерности слоя загрязнения изолятора и снижения величины испытательного напряжения в результате протекания тока утечки). Применение в лабораторных исследованиях высоковольтных испытательных установок недостаточной мощности может привести к существенным погрешностям в определении зависимости *Р (и) и, в частности, в оценке величины напряжения усечения U0. Для стабильных условий проведения опытов (принятой степени равномерности слоя загрязнени, неизменной величине 137— воздействующего напряжения при протекании тока утечки) величина уровня усечения кривой эффекта оценивается, как U^/U0- 1, 24.

3. Модернизированный комплекс методик лабораторных исследований электрической прочности изоляторов (методика искусственного загрязнения изоляторов, методика ускоренных исследований кривой эффекта), не снижая точности результатов, позволяет автоматизировать процедуру лабораторных испытаний, сократить необходимые затраты на их проведение и уменьшить уровень субъективных влияний на эксперимент. Результаты высоковольтных испытаний изоляторов по новым методикам по характеру физических процессов на поверхности изоляторов, и по получаемым значениям U$o% и X хо~ рошо согласуются с ранее полученными результатами испытаний при искусственном и естественном загрязнении.

4. Лабораторные исследования чаетостей перекрытия в широком диапазоне уровней воздействующего напряжения, выполненные на уникальной сверхмощной испытательной установке (lKi3, = 160 А), показали весьма хорошее соответствие экспериментальных результатов и теоретического представления об усеченности кривой эффекта слева при аппроксимации ее трехпараметрическим (ограниченным слева) распределением Вейбулла. В области значений y (U) е [0,05 — 0,95] аппроксимация кривой эффекта опорных изоляторов с высоким уровнем надежности может быть выполнена нормальным законом распределения.

5. В широком диапазоне изменения значений удельной поверхностной проводимости (х — 2—40 мкСм) исследованы 50%-ные разрядные характеристики основных типов опорных изоляторов. Эффективность использования длины пути утечки изоляторов с ребрами переменного вылета повышается при умеренно сильных и сильных загрязнениях, оставаясь сравнительно низкой при средних и малых загрязнениях. Электрическая прочность опорных изоляторов этой конфигурации характеризуется достаточно высокими удельными (по изоляционной высоте) 50%-ными разрядными характеристиками, 138— что обуславливает целесообразность применения таких изоляторов как в районах с сильным загрязнением, гак и в практически чистых районах (I—II G3A). Исследования влияния диаметра тела опорного изолятора на его электрическую прочность подтвердили существование минимума в величине разрядного напряжения с увеличением диаметра изоляционного тела.

6. Методика статистического выбора изоляции по условию надежной работы в нормальном эксплуатационном режиме, которая основывается на усеченности кривой эффекта слева, с использованием данных о параметрах кривой эффекта и вероятностных характеристик загрязнения в районе эксплуатации позволяет с требуемой надежностью рассчитать необходимую длину пути утечки выбираемого изолятора. Выбор изоляции учитывает статистические погрешности исходных параметров, характеризующих ожидаемые условия эксплуатации.

7. Сформулированы требования к разрядным напряжениям при искусственном загрязнении и увлажнении опорных изоляторов для различных классов напряжения и различных зон загрязнения. Эти требования апробированы высоковольтными испытаниями и отличаются от необеспечивающих надежный выбор изоляции действующих норм более жестким нормированием электрической прочности загрязненных опорных изоляторов.