Координация изоляции электрооборудования по уровню

16. Координация изоляции электрооборудования по
уровню воздействующих перенапряжений и ее испытания
16.1. Испытательные напряжения промышленной частоты
Испытательные кратковременные напряжения промышленной частоты
50 Гц установлены с целью координации электрической прочности изоляции
электрооборудования со значением воздействующих на нее внутренних перенапряжений.
При определении испытательных напряжений в этом случае за основу
берется расчетное значение внутренних перенапряжений Uрасч,вн в установках
данного класса напряжения:
U расч,вн  k PU наиб, раб ,
(1)
где kp – расчетная кратность внутренних перенапряжений;
Uнаиб.,раб – наибольшее рабочее напряжение электрооборудования.
Расчетные кратности внутренних перенапряжений установлены в зависимости от номинального рабочего напряжения приведены ниже:
Uном, кВ
Kp
3…10
4,5
15,20
4,0
35
3,5
110…220
3,0
330
2,7
500
2,5
750
2,1
1150
1,8
Испытание внутренней изоляции электрооборудования производится путем приложения к ней испытательного напряжения в течение 1 мин,
а в некоторых случаях – в течение 5 мин (в зависимости от вида изоляции).
При определении испытательного напряжения внутренней изоляции
Uисп учитывается коэффициент импульса kимп при воздействии внутренних перенапряжений, т.е. повышение электрической прочности изоляции при кратковременных воздействиях, а также коэффициент kкум, учитывающий кумулятивный эффект и старение изоляции в процессе эксплуатации:
U исп  U расч,вн
k кум
kимп
.
(2)
255
Коэффициент импульса на основании экспериментальных данных берется равным 1,3 для электрооборудования 3…35 кВ и 1,35 для электрооборудования других классов напряжения. Коэффициент кумулятивности берется
равным 1,1…1,15.
Испытания внешней изоляции электрооборудования производятся
как в сухом состоянии, так и под дождем стандартных параметров. Испытательные напряжения для внешней изоляции под ливневым дождем определяются по формуле:
U исп,д; 
U расч,вн
k им пk р
,
(3)
где kимп – коэффициент импульса – принимается равным 1,1;
kр – коэффициент, учитывающий возможные изменения атмосферного давления. Для высот до 1000 м он равен 0,94.
При определении испытательного напряжения в сухих условиях учитывается возможность снижения электрической прочности из-за изменения атмосферных условий и испытательные напряжения определяются как
U исп,с  U расч,вн / 0,84.
(4)
Испытательное напряжение внешней изоляции в сухом состоянии является основной характеристикой оборудования, предназначенного для установки в закрытых помещениях. Испытательные напряжения промышленной частоты приведены в табл. 1 и 2.
Следует заметить, что не все электроустановки связаны с воздушными
сетями и подвергаются воздействию грозовых перенапряжений. Некоторые
из них – обычно с номинальным напряжением 3…15 кВ, например, подстанции, работающие на кабельную сеть, – полностью ограждены от воздействия
грозовых перенапряжений. Требования к изоляции электрооборудования таких установок определяются целиком внутренними перенапряжениями. Электрооборудование в этих случаях может иметь облегченную изоляцию, и
256
для него нормируются только испытательные напряжения промышленной
частоты, несколько уменьшенные по сравнению с приведенными в табл. 1.
Таблица 1 - Испытательные кратковременные напряжения промышленной
частоты
для
электрооборудования
с
нормальной
изоляцией
(согласно ГОСТ 1516.1-85).
Испытательное действующее напряжение, кВ
3
6
10
15
20
35
110
150
220
3,6
7,2
12
17,5
24
40,5
126
172
252
18
25
35
45
55
85
200
230
325
24
32
42
55
65
95
200
275
400
24
32
42
55
65
95
250
320
470
аппаратов,
трансформаторов
и реакторов
25
32
42
57
68
100
265
340
490
26
34
45
60
70
105
280
320
465
аппаратов,
трансформаторов и изоляторов на ружной
установки
внешней изоляции
(при плавном подъеме)
в сухом состояпод дождем
нии
изоляторов, испытываемых отдельно
аппаратов и трансформаторов тока
трансформаторов
напряжения
силовых трансформаторов и реакторов
Наибольшее рабочее
Класс
одноминутное
изоляторов, испытываемых отдельно
Действующее
напряжение, кВ
27
36
47
63
75
110
295
375
550
20
26
34
45
55
85
215
290
425
Таблица 2 - Испытательные кратковременные напряжения промышленной
частоты для электрооборудования 330…750 кВ.
460
575
670
875
700
аппаратов, трансформаторов, реакторов,
(на корпус) и изоляторов
изоляторов, испытываемых отдельно
630
аппаратов,
трансформаторов и реакторов
между
фазами
600
Испытательное действующее для
внешней изоляции (при плавном
подъеме), кВ
к сухом состоянии
под дождем
на корпус
между фазами
на корпус
силовых трансформаторов,
трансформаторов
напряжения и
реакторов
изоляторов, испытываемых отдельно
363
Испытательное действующее
одноминутное, кВ
аппаратов и трансформаторов тока
330
Наибольшее рабочее
Класс
Действующее
напряжение, к В
550
257
500
750
525
787
680
900
830
–
800
950
800
950
900
1050
1250
1700
900
1050
740
900
Междуфазная изоляция, как и изоляция относительно земли, подлежит в
общем случае испытанию. Импульс грозового перенапряжения, набегающий
по одной фазе, наводит на двух других фазах напряжение того же знака, что
уменьшает разность потенциалов между фазами. Вместе с тем следует считаться с влиянием рабочего напряжения, знак которого может быть противоположен знаку наведенного импульсного напряжения. Опыт показывает, что наведенное импульсное и рабочее напряжения в значительной мере компенсируются, поэтому в качестве расчетного междуфазного грозового перенапряжения
принимается то же значение, что и для изоляции относительно земли.
Для междуфазной изоляции электрооборудования 3…220 кВ определяющими являются импульсные испытательные напряжения, поэтому расчетные
внутренние перенапряжения для нее не были установлены. В настоящее
время для электрооборудования высших классов напряжения в качестве расчетного значения внутренних перенапряжений для междуфазной изоляции
принято 3,5 Uнаиб.,раб (табл. 1 и 3).
16.2. Испытательные трансформаторы
Особенностью испытательных трансформаторов по сравнению с силовыми являются малая мощность и ограниченное время включения. Вследствие
этого они в большинстве случаев не имеют конструктивных элементов, служащих для охлаждения (ребер, труб для циркуляции масла). Изоляция испытательных трансформаторов испытывается напряжением (1,1…1,2)Uном и
имеет сравнительно малый запас электрической прочности.
Получили распространение испытательные трансформаторы трех типов:
в изолирующем корпусе, в металлическом корпусе с одним вводом и в металлическом корпусе с двумя вводами.
258
Примером трансформатора в изолирующем корпусе может служить трансформатор типа ТВО-140. Изолирующий корпус представляет собой цилиндр из
бакелизированной бумаги, который снабжен двумя фланцами-электродами. Внутри корпуса располагается магнитопровод с обмотками. Трансформаторы такого
типа предназначаются для установки в закрытых помещениях.
Испытательные трансформаторы с металлическим корпусом, снабженные одним вводом с фарфоровой покрышкой, могут устанавливаться как в
закрытых помещениях, так и на открытом воздухе. Примером могут служить
трансформаторы типа ИОМ-100 мощностью от 25 до 100 кВ∙А и типа
ИОМ-500 мощностью 500 кВ∙А (ток 1 А). Наибольшее напряжение, на которое
рассчитан трансформатор такого типа, составляет 1200 кВ. Высота наружной
части ввода этого трансформатора составляет более 9 м при общей высоте
трансформатора 15,5 м.
Проблема вывода напряжения удачно решается в конструкциях трансформаторов с металлическим баком и двумя вводами. У таких трансформаторов средняя точка обмотки высокого напряжения электрически соединена
с баком, поэтому вводы рассчитываются на напряжение 0,5Uном и имеют
умеренные размеры и массу. Сами трансформаторы устанавливаются на
опорной изоляционной конструкции, также рассчитанной на напряжение
0,5Uном. При обычной схеме испытаний один из вводов заземляется.
Для получения высоких испытательных напряжений применяется каскадное включение трансформаторов, при котором обмотки высокого напряжения трансформатора включаются последовательно, а питание каждого последующего трансформатора осуществляется через предыдущий. На рис. 1
показана схема соединения обмоток наиболее распространенного в настоящее
время каскада, состоящего из трех трансформаторов на напряжение 750 кВ.
259
Рис. 1. Схема соединений обмоток трансформаторов каскада 3x750 кВ
Поскольку опорно-изоляционная конструкция каскада трансформаторов
имеет значительную высоту, для более равномерного распределения напряжения по ней на металлические рамы, связывающие между собой опорные изоляторы, подаются определенные потенциалы от элементов каскада. При этом,
чтобы предотвратить коронирование металлических конструкций и соединений, на них устанавливаются экраны, радиус которых увеличивается с ростом
потенциала.
Номинальный ток большинства испытательных трансформаторов составляет 1 А. Однако при испытаниях загрязненных и увлажненных изоляторов предразрядные токи достаточно велики и могут вызывать снижение
напряжения, достигающее 5…10 %Uном, поэтому в настоящее время выпускаются испытательные трансформаторы с номинальным током до 3 А.
16.3. Методы испытания изоляции повышенным напряжением
промышленной частоты
Принципиальная схема испытания изоляции напряжением промышленной частоты приведена на рис. 2. Испытательный трансформатор Т (или
каскад последовательно соединенных трансформаторов) присоединяется к
объекту испытаний (Об) через защитное сопротивление Rзащ. С помощью защитного сопротивления ограничивается до номинального значения ток при
разряде на объекте, а также уменьшается крутизна среза напряжения на выводах трансформатора. Последнее важно для выравнивания распределения
260
напряжения вдоль обмотки трансформатора при срезе и как следствие – для
уменьшения перенапряжений на его изоляции. Параллельно объекту включается измерительный шаровой разрядник ИР, который может использоваться
для измерения напряжения на объекте, градуировки делителя напряжения ДН
или калибровки вольтметра V, включенного на стороне низшего напряжения
трансформатора. С целью устранения колебаний в цепи при разрядах между
шарами ИР и уменьшения эрозии рабочих поверхностей шаров включается
сопротивление R .
Рис .2. Принципиальная схема испытания изоляции напряжением частотой 50 Гц
Напряжение на объекте испытания изменяется с помощью регулятора
РН. В качестве регулятора напряжения используются автотрансформаторы,
индукционные регуляторы и двигатель-генераторные установки. Изменение
напряжения на выходе автотрансформатора осуществляется ступенчато с помощью перемещения скользящих контактов по обмотке. Индукционные регуляторы выполняются в виде трансформатора со взаимно перемещающимися
обмотками. Они не имеют скользящих контактов и обеспечивают плавную регулировку напряжения. Двигатель-генераторные установки применяются для
питания трансформаторов на напряжения 500 кВ и выше, а также трансформаторных каскадов. Регулирование напряжения генератора производится путем
изменения тока возбуждения. Двигатель-генераторные установки обеспечивают плавное регулирование, независимость испытательного напряжения от колебаний напряжения сети и синусоидальную форму кривой питающего
напряжения.
Суммарное действующее напряжение высших гармоник в испытательном напряжении не должно превышать 5% основной гармоники. Контроль
261
формы напряжения производится с помощью делителя напряжения и осциллографа, которые могут использоваться также для измерения напряжения на
объекте. Допускается отклонение частоты испытательного напряжения от номинальной 50 Гц не более чем на 10%.
Во время испытания скорость подъема напряжения до 1/3 испытательного может быть произвольной, допускается даже включение указанного
напряжения толчком. Затем напряжение плавно и быстро со скоростью, позволяющей, однако, производить (при напряжении более 3/4 испытательного) отсчет показаний по прибору V, доводится до испытательного. После испытания
напряжение быстро снижается до 1/3 испытательного и отключается. При разрядах на объекте испытательный трансформатор отключается защитным автоматическим выключателем.
При испытаниях внутренней изоляции испытательное напряжение на
объекте выдерживается в течение 1 минуты. Для классов изоляции 220 кВ и
ниже, если основная изоляция состоит из твердых органических материалов
(кроме бумажно-масляной изоляции) или кабельных масс, длительность выдержки испытательного напряжения должна составлять 5 минут. Изоляция
считается выдержавшей испытание, если во время его не наблюдалось полного разряда на объекте или недопустимых повреждений. Наличие последних
устанавливается по комплексу косвенных признаков: потрескивание внутри
аппарата, изменение показаний приборов во время испытания, существенное
изменение тангенса угла диэлектрических потерь после испытания и т.д.
Испытания внешней изоляции в сухом состоянии и под дождем производятся методом трехкратного приложения напряжения при плавном подъеме. В
соответствии с этим методом напряжение на объекте повышается до испытательного значения и сразу же, без выдержки, снижается. Испытание повторяется 3 раза с интервалами между приложениями напряжения не менее 1 минуты. Значение испытательного напряжения устанавливается с учетом атмосферных условий во время испытания.
262
Дождь должен иметь стандартные параметры: капельную структуру,
угол падения 45°, силу 3 мм/мин (±10 %), удельное сопротивление воды
100 Ом∙м(±10 %).
Объект считается выдержавшим испытание, если не произошло ни одного полного перекрытия. В случае одного перекрытия испытание повторяется, но
при шести приложениях напряжения. Если при повторном испытании не произошло ни одного полного перекрытия, то изоляция считается выдержавшей
испытание.
16.4. Испытание изоляции повышенным выпрямленным напряжением
В целях уменьшения габаритов и мощности испытательного оборудования при испытании объектов с большой емкостью (силовые кабельные
линии конденсаторы), в руководящих документах разрешается испытание
повышенным выпрямленным напряжением. Величина испытательного
напряжения при этом испытании увеличивается в 1,41 раза, схема испытания приведена на рис. 3. Методика испытания аналогичная испытанию повышенным напряжением промышленной частоты.
Рис. 3. Схемы испытания выпрямленным напряжения:
1 – регулятор напряжения; 2 – вольтметр; 3 – испытательный трансформатор; 4 – токоограничивающее сопротивление; 5 – высоковольтный выпрямитель; 6 – киловольтметр; 7 – объект испытания
263
16.5. Испытание изоляции повышенным выпрямленным
напряжением, наложенным на рабочее напряжение.
Указанный вид испытания нашел широкое распространение для испытания внешней изоляции распределительных сетей 6…10 кВ. Как известно
эти сети имеют большую протяженность и большое количество изоляционных элементов на ТП, ЗТП, КТП, ВЛ. Поэтому индивидуальные испытания
этих элементов требуют больших трудозатрат и являются мало эффективным мероприятием.
При испытании изоляции линии повышенным выпрямленным напряжением ток утечки составляет примерно 2 мА/км. Испытательные трансформаторы ИОМ-100/25 с обмоткой ВН на 100 кВ имеют силу тока на высокой стороне, равную 0,25 А. Протяженность испытываемого участка линии
ограничивается
этим
током и
для
типовых
трансформаторов
ИОМ-100/25 составляет не более 120 км. Обычно же протяженность распределительных
сетей,
питающихся
гот
шин
одной
подстанции
110/35/10 кВ, равна 250…300 км. Поэтому у трансформатора выводятся дополнительно три вывода на 25 кВ, что позволяет обмотку ВН при испытательном напряжении включить в параллельный режим работы и тем самым
увеличить ток при 25 кВ до 0,5 А. На соответствующую мощность испытательной установки выбирается регулятор напряжения.
Вместо трансформатора НТМИ-10 применяются три трансформатора
НОМ-10. Так как при кратковременном режиме можно допустить двукратную перегрузку обмотки ВН НОМ-10 без сокращения срока службы, то
применение последних позволяет увеличить мощность промежуточного
звена установки. Высоковольтное выпрямительное устройство собирается
из блоков кремниевых выпрямителей Д-1008.
Модернизация установки позволяет увеличить протяженность испытуемой сети до 250 км и практически одновременно проверять изоляцию
всех линий, отходящих от одной подстанции 110/35/10 кВ. Благодаря этому
не требуется обесточивать потребителей на период испытания и сокращается
264
время на оперативные переключения. Подготовка к испытанию в данном
случае сводится ж выводу из схемы трансформатора НТМИ-10.
Применение трансформаторов НОМ-10 позволяет получить нулевую
точку с нормальной изоляцией, через которую подается повышенное выпрямленное напряжение в испытуемую сеть. Создание искусственной нулевой точки с помощью НОМ-10 в испытательной установке позволяет проводить испытания с любой точки распределительной сети независимо от типов
ячеек КРУН. Трансформатор напряжения с ослабленной изоляцией
(НТМИ-10) на период испытания выводят из схемы, а изоляция контролируется через НОМ-10, рис.4.
Чтобы контролировать испытательное напряжение, с высокой стороны
включен делитель напряжения, собранный из цепочки последовательно соединенных активных сопротивлений. Для испытания, как показывает опыт,
удобны трансформаторные пункты, расположенные ближе к подстанции. В
качестве соединительного применяется провод марки ППВ-6 или ППВ-9,
который пофазно подключают к нижним губкам высоковольтных предохранителей после отключения разъединителя ТП.
Рис.4. Схема испытания изоляции оборудования распределительных сетей
под рабочим напряжением:
ТV1 – регулировочный автотрансформатор PHO; SA – автоматический выключатель АП-50-2МТ, PV – вольтметр Э-59/1, РА1 – амперметр Э-30,
265
PV1 – вольтметр Э-378, отградуированный в киловольтах, TV2 – испытательный трансформатор НОM-100/25; VD1,…,VD4 – выпрямительное
устройство, набранное из диодов Д-1008А, С – конденсатор КС2-6,3-75-2УЗ;
QS – однофазный разъединитель РВО-10/400; VД5,…, VД8 – диоды
Д226А; R1,…,R32 (МЛТ) – делитель напряжения, FV – разрядник
Р350; PV2 – киловольтметр (на базе микроамперметра М-24); PV3, PV4,
PV5 – вольтметры Э 377 TV3 TV4 TV5, – трансформаторы напряжения
НОМ-10.
Выпрямленное испытательное напряжение принято равным 20 кВ. С
учетом наложения амплитуды напряжения сети оно составляет 28 кВ, что
приближается к предельному значению внутренних перенапряжений в сети 10 кВ. При опытных измерениях зарегистрированы кратности перенапряжений 4…4,5, а при многолетних замерах
в действующих сетях –
3…3,1. Следовательно, принятый уровень испытательного напряжения
вполне достаточен.
Продолжительность приложения испытательного напряжения 20 кВ
равна 1 минуте. Однако дефекты начинающие являться уже при напряжении 8 кВ. Поэтому до достижения принятого уровня 20 кВ длительность
испытаний колеблется в пределах 4...16 ч в зависимости от состояния сети. При испытаниях характерен пробой дефектных элементов на одной фазе
и редко – на двух, за исключением пробоев изоляции кабельных вставок и
силовых трансформаторов. Поэтому линии отключаются при испытаниях
очень редко. Чтобы ограничить ущерб, наносимый потребителям, принята следующая методика проведения испытаний. Их планируют заранее, о
чем своевременно предупреждают всех потребителей. На этот период создают две бригады: одна проводит испытания и отыскивает места повреждений, выполняет оперативные переключения на ТП, отпайках, вторая –
заменяет поврежденные при испытаниях изоляционные элементы. Бригады оснащаются средствами радиосвязи, запасом материалов и оборудования, приборами поиска мест повреждений.
266
16.6. Испытательные напряжения грозовых импульсов
Испытательные напряжения грозовых импульсов установлены для координации электрической прочности изоляции электрооборудования с воздействующими на нее грозовыми перенапряжениями, ограниченными защитными разрядниками. Испытания проводятся стандартными импульсами 1,2/50 мкс (полными импульсами), а также импульсами, срезанными при
предразрядном времени 2…3 мкс (срезанными импульсами).
При определении требований к изоляции за основу берется расчетное
значение грозовых перенапряжений Uрасч. Для полных импульсов расчетное
значение перенапряжения Uрасч.п связано с остающимся напряжением вентильных разрядников 3…220 кВ соотношением:
Uрасч.п = 1,1Uост + 15,
(5)
где Uост – остающееся напряжение, кВ, соответствует току координации.
Увеличение расчетного перенапряжения полного импульса по сравнению
с остающимся напряжением разрядника учитывает возможность повышения
напряжения на электрооборудовании, удаленном от разрядника, за счет колебаний в цепи разрядник – соединительная проводка – оборудование.
На подстанциях напряжением 330 кВ и выше удаление разрядников от аппаратов и измерительных трансформаторов значительно больше, чем от силовых трансформаторов, поэтому расчетное перенапряжение полного импульса на
зажимах силовых трансформаторов принимается равным 1,1Uост, а на зажимах аппаратов – равным 1,2Uост.
Для осуществления координации изоляции электрооборудования с характеристиками вентильных разрядников при малых временах воздействия установлено расчетное перенапряжение срезанного импульса Uрасч.ср. Для электрооборудования 3…15 кВ оно принято на 20 % выше, а для электрооборудования
на все другие классы напряжения – на 25 % выше, чем для полного импульса:
Uрасч.ср = (1,2…1,25) Uрасч.п
(6)
267
При определении испытательного напряжения грозовых импульсов для
внутренней изоляции учитывается возможность накопления скрытых дефектов в изоляции при многократном воздействии грозовых перенапряжений,
т.е. так называемый кумулятивный эффект. Для этого расчетное значение
грозового перенапряжения увеличивается на 10%. Таким образом, испытательное напряжение внутренней изоляции электрооборудования оказывается
равным 1,1Uрасч. При испытании трансформаторов без возбуждения импульсное испытательное напряжение повышается на 0,5Uном.
Испытательное напряжение грозовых импульсов для внешней изоляции
определяется исходя из того, что стандартное оборудование может работать на высоте до 1000 м над уровнем моря и при температуре окружающего
воздуха до 35°С. С учетом возможных при этом изменений плотности воздуха
испытательное напряжение внешней изоляции определяется как Uраcч/0,84.
Испытательные напряжения электрооборудования при грозовых импульсах приведены в табл. 3. Испытательные напряжения внешней изоляции, указанные в табл. 3, приведены к нормальным атмосферным условиям. При отклонении условий испытания от нормальных необходимо внести поправки в
значение испытательных напряжений.
Таблица 3 - Испытательные
(полных/срезанных).
грозовых
импульсов
Максимальное значение грозового импульса, кВ, для изоляции
изоляторов , испытываемых отдельно
силовых
трансформаторов
аппаратов,
трансформаторов
напряжения и тока, реакторов
внешней
Трансформаторов напряжения
шунтирующих реакторов
силовых
трансформаторов
внутренней
аппаратов
и трансформаторов тока
Набольшее
рабочее
Класс
Действующее напряжение, кВ
напряжения
268
3
3,6
42/50
44/50
42/50
44/52
6
7,2
57/70
60/70
57/70
60/73
10
12
75/90
80/90
75/90
80/100
15
17,5
100/120
108/120
100/120
105/125
20
24
120/150
130/150
120/150
125/158
35
40,5
180/225
200/225
185/230
195/240
110
126
425/550
480/550
460/570
480/600
150
172
585/760
550/600
550/600
660/760
635/785
500/625
660/825
220
252
835/1090
750/835
750/835
950/1090
900/1130
690/860
950/1190
330
363
1100/1300
1050/1150
1200/1300
1200/1300
1150/1350
1000/1250
1200/1400
500
525
1500/1800
1550/1650
1675/1800
1675/1800
1600/1950
1450/1800
1600/1950
750
787
2100/2600
2175/2300
2300/2500
2300/2500
2100/2600
1900/2350
2100/2600
Принципиальная схема ГИН показана на рис. 5. Конденсаторы С
заряжаются через защитное и зарядное сопротивления (Rзащ и Rз). Поскольку Rзащ>>Rз, конденсаторы практически одновременно заряжаются до одинаковых напряжений Uо. Если теперь на искровой промежуток ИП1 подать от
вспомогательной установки управляющий импульс напряжения Uупр, то произойдет пробой этого промежутка. В результате потенциал точки 3 станет
равным Uо, а точки 4 – равным 2 Uо. Потенциал точки 5 остается примерно равным нулю, поскольку конструктивная емкость Сп схемы в точке 5 (иногда
называемая «паразитной») не успевает сколько-нибудь существенно зарядиться
через сопротивление R3. Таким образом, на ИП2 оказывается напряжение около
2Uо. Под действием этого напряжения промежуток ИП2, имеющий большее, чем
ИП1, расстояние между шарами, также пробивается. Потенциал точки 5 становится равным 2Uо, а точки 6 – равным 3Uо. Пробивается следующий промежуток
и т. д. Под действием напряжения nUо (n – число конденсаторов ГИН) пробивается отсекающий промежуток ИПо и на объекте испытания возникает импульс высокого напряжения.
269
Рис. 5. Принципиальная схема генератора импульсных напряжений
В каждую ступень ГИН включено небольшое демпфирующее сопротивление Rд. Назначение его: успокаивать колебания в цепи С – ИП – Сп – земля.
Полярность импульса напряжения на объекте определяется схемой
включения выпрямителя В. Значение напряжения импульса регулируется путем изменения зарядного напряжения конденсаторов. При этом подлежат регулированию также и расстояния между электродами искровых промежутков. Регулирование осуществляется дистанционно. Для этого один из шаров
каждого искрового промежутка выполняется подвижным, например, крепится к изоляционному валу электродвигателя, реверсивный пуск которого
может производиться с пульта управления ГИН.
Пуск ГИН может осуществляться и без управляющего импульса, подаваемого на ИП1. Если промежуток ИП1 установить на пробивное напряжение,
равное заданному Uо, то ГИН будет «самостоятельно» срабатывать каждый
раз, как только напряжение на конденсаторах достигнет значения Uо.
Напряжение U1 = nUо называется суммарным зарядным напряжением
ГИН. Наибольшее суммарное зарядное напряжение, определяемое номинальным напряжением конденсаторов, является одной из паспортных величин ГИН
(nUном). Другой паспортной величиной является наибольшее значение запасаемой в ГИН энергии (nСU2ном/2).
Анализ работы ГИН можно произвести с помощью упрощенной схемы
замещения его при разряде (рис. 6). В этой схеме: С1 = С/п – емкость ГИН
270
в разряде; С2 – емкость объекта испытания, соединительных проводов и оборудования, подключенного параллельно объекту; R1 = ∑Rд + Rф, где Rф – так
называемое «фронтовое» сопротивление, включаемое иногда для увеличения
фронта импульса; R2 – разрядное сопротивление (может быть использовано в
качестве делителя напряжения).
Рис. 6. Упрощенная эквивалентная схема ГИН при разряде
После замыкания ключа S, соответствующего пробою искровых промежутков, в схеме возникает переходный процесс, в результате которого на выходе схемы появляется апериодический импульс U2. Скорость заряда емкости
С2, через сопротивление R1, определяет время возрастания напряжения U2, т.е.
длительность фронта импульса τф. Скорость же разряда емкости С1 на сопротивление R1+R2 определяет в основном длительность импульса τи.
Решение дифференциальных уравнений схемы имеет вид:
u 2  A(e
где A 

t
T1
e

t
T2
),
(7)
nU 0T1T2
CC
R1 R2
; T1  C1 ( R1  R2 )  C 2 R2 ; T2  1 2
.
C 2 R1 (T1  T2 )
C1  C 2 R1  R2
При стандартных грозовых импульсах C1>>C2 и R1>>R2, поэтому постоянные времени приближенно можно определить как
T1  C1 R2 ,
T2  C 2 R1 ,
а значение А :
A  nU 0
C1
R2
 nU 0 ,
C1  C 2 R1  R2
(8)
271
где  
C1
R2
– коэффициент использования ГИН (отношение
C1  C 2 R1  R2
U2max/A при стандартных импульсах равно 0,96).
Длительности импульса и фронта импульса связаны с параметрами схемы ГИН (при импульсах с крутыми фронтами) соотношениями (с учетом индуктивности цепи разряда):
 и  0,7С1 R2  0,7T1 ;
(9)
 ф  2,3С2 R1  2,3T2 .
(10)
Из (9) и (10) следует, что стандартные грозовые импульсы генерируются при Т1 ≈ 71,5 мкс и Т2 ≈ 0,5 мкс.
Испытание электрической прочности внутренней изоляции электрооборудования производится трехударным методом. К объекту прикладываются по
три импульса испытательного напряжения положительной и отрицательной
полярности, сначала полные (1,2/50 мкс), а затем – срезанные при предразрядном времени 2…5 мкс (при испытании внутренней изоляции трансформаторов и реакторов предразрядное время должно быть 2…3 мкс).
Внешняя изоляция испытывается 15-ударпым методом: к объекту прикладываются по 15 импульсов обеих полярностей – как полных, так и срезанных. Испытательные импульсы прикладываются к объекту с интервалами не
менее 1 минуты.
Перед испытанием полными импульсами при напряжении, составляющем 50…60 % испытательного, с помощью делителя напряжения и осциллографа проверяется форма импульса, а также производится градуировка измерительного устройства. Затем напряжение импульса доводится до нормированного значения с точностью ±3%. Испытательное напряжение устанавливается
с учетом атмосферных условий во время испытаний.
При испытании внутренней изоляции полными импульсами параллельно
объекту присоединяется шаровой разрядник, который выполняет функции защитного и должен иметь разрядное напряжение на 15…20% выше испыта272
тельного при испытании трансформаторов и реакторов и на 5…10% выше
испытательного при испытании другого электрооборудования. При регулировании напряжения ГИН можно случайно подать на объект чрезмерно большой
импульс напряжения. В этом случае шаровой разрядник защитит изоляцию.
После испытания изоляции полными импульсами обеих полярностей
производятся испытания срезанными импульсами. Срез импульса можно осуществить с помощью шарового разрядника. Для этого его пробивное напряжение устанавливается равным испытательному при срезанном импульсе. При
отключенном объекте напряжение импульсов увеличивается до появления
пробоев срезающего разрядника. При этом с помощью осциллографа контролируется предразрядное время. Затем подключается объект и производится его
испытание требуемым числом срезанных импульсов.
Внутренняя изоляция считается выдержавшей испытания, если во время
испытаний не обнаружены повреждения. Внешняя изоляция считается выдержавшей испытания, если в каждой серии из 15 импульсов произошло не
более двух полных разрядов.
16.7. Испытательные напряжения коммутационных импульсов
Испытательные напряжения коммутационных импульсов установлены
для электрооборудования классов напряжения 330 и 500 кВ (табл. 4). Испытания проводятся стандартными импульсами. Изоляция аппаратов, изоляторов и измерительных трансформаторов испытывается апериодическими импульсами 250/2500 мкс. Для испытания внутренней изоляции силовых
трансформаторов применяются колебательные импульсы 100/1000 мкс.
273
Таблица 4 - Испытательные напряжения коммутационных импульсов.
Действующее
напряжение, кВ
Максимальное значение коммутационного импульса, кВ
Внутренняя Воздушные
Внутренняя
изоляция
промежутки
Наиболь и внешняя
между фа- между фазами
Класс шее раизоляция
зами силосиловых
бочее относительвых транс- трансформано земли
форматоров
торов
330
363
950
1425
1200
500
525
1300
1950
1750
Внутренняя и
внешняя изоляция между контактами выключателей и разъединителей
1245
1730
Испытательные напряжения коммутационных импульсов для изоляции
относительно земли установлены на 15% выше амплитудного значения верхнего предела пробивного напряжения при промышленной частоте вентильных разрядников, используемых для ограничения внутренних перенапряжений. Этот интервал учитывает возможность уменьшения кратковременной
прочности внутренней изоляции в условиях эксплуатации, отличие формы испытательного импульса от возможных воздействий в эксплуатации, снижение
разрядных напряжений внешней изоляции при работе оборудования на высоте 1000 м и при температуре 35 °С.
Испытательные напряжения коммутационных импульсов для внутренней
изоляции между фазами силовых трансформаторов приняты в 1,5 раза выше,
чем относительно земли, а для внешней междуфазной изоляции – на 15%
выше расчетной кратности внутренних перенапряжений между фазами
(3,5 Uф,наиб.,раб).
При определении испытательных напряжений для изоляции между контактами выключателей и разъединителей учтено рабочее напряжение на другом контакте с полярностью, противоположной полярности импульса.
274
16.8. Генерирование коммутационных импульсов
и методы испытания изоляции
Для получения апериодических коммутационных импульсов с длительностью фронта до 1000 мкс применяются генераторы импульсных напряжений. Увеличение длительности фронта достигается включением большого
фронтового сопротивления и дополнительной емкости, параллельной объекту
испытания. Следует иметь в виду, что ГИН в режиме генерирования коммутационных импульсов имеет низкий коэффициент использования.
Для генерирования колебательных коммутационных импульсов может
быть использована схема, показанная на рис. 7. Испытательный трансформатор возбуждается от двух встречно включенных колебательных контуров.
Для этого предварительно от выпрямительной установки заряжаются до одинакового напряжения батареи конденсаторов с емкостями C1 и С2. Пуск схемы осуществляется управляющим импульсом напряжения, вызывающим пробой шарового разрядника. При этом начинается колебательный разряд в контурах C1 – L1 и С2 – L2. Собственные частоты контуров выбираются существенно
различными, и на обмотку низшего напряжения подается колебательный затухающий импульс, плавно нарастающий с нуля. Соответственно сходный по
форме импульс генерируется в обмотке высшего напряжения испытательного трансформатора (рис. 8).
Рис. 7. Схема генерирования колебательных коммутационных импульсов
275
Рис. 8. Форма колебательного коммутационного импульса
Соотношение между собственными частотами колебательных контуров
обычно принимается равным f2 = (3…5)f1,. При этом длительность фронта
импульса определяется в основном более высокой частотой и составляет приблизительно 0,4/f2.
Методика проведения испытаний внутренней и внешней изоляции коммутационными импульсами целиком соответствует методу испытания изоляции
полными грозовыми импульсами.
276