Высоковольтные установки. 
Техника высоких напряжений

ИСПЫТАТЕЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Установки высокого напряжения переменного тока предназначены для воспроизведения в лабораторных условиях воздействия напряжения промышленной частоты на изоляцию линий электропередач и высоковольтного оборудования. На таких установках проводятся исследования электрической прочности и стойкости к тепловому пробою внутренней изоляции, а также испытания внешней изоляции в сухом состоянии и в условиях загрязнения и увлажнения.

Требования к испытательному напряжению и параметрам отдельных элементов установки формулируются ГОСТ 1516.2−97. Форма кривой напряжения на испытуемом объекте должна быть практически синусоидальной, и оба полупериода близки друг к другу. Отношение амплитудного значения к действующему должно составить л/2±0,07 (согласно нормам МЭК оно равно /2±0,05), а частота испытательного напряжения 50±5 Гц. При испытаниях внутренней или внешней изоляции трансформаторов и реакторов индуктированным напряжением допускается повышение частоты до 400 Гц.

Такие жесткие требования к форме воздействующего напряжения определяются необходимостью получения сопоставимых результатов испытаний, проводящихся в разных лабораториях. Пробой или перекрытие изоляции происходит при мгновенном значении напряжения, близком к амплитудному. За величину испытательного напряжения в соответствии с ГОСТ 1516.2−97 принимается условно действующее значение напряжения, определенное делением измеренного амплитудного значения на V2, что справедливо лишь для синусоидальной формы кривой. При значительном отличии формы испытательного напряжения от синусоидальной результаты измерений могут иметь существенную погрешность. Кроме того, форма кривой напряжения предопределяет характер образования объемного заряда и его внедрения внутрь промежутка, что в итоге оказывает влияние на разрядное напряжение.

Применение повышенной частоты для испытания трансформаторов и реакторов объясняется тем, что в ряде случаев не удается провести такие испытания на 50 Гц. Вследствие насыщения сердечника при повышенном напряжении индуктивность обмоток понижается и, следовательно, поднять необходимое напряжение на трансформаторе не удается. При увеличении частоты испытательного напряжения (обычно при испытаниях силовых трансформаторов применяется напряжение частотой / = 225 Гц) индуктивное сопротивление обмоток x = aL возрастает пропорционально росту частоты, что значительно снижает требования к мощности испытательной установки. Если испытания проводятся при повышенной частоте, то длительность Т воздействия напряжения на изоляцию трансформатора или реактора сокращается в соответствии с формулой.

где/— Гц; Т — с; Т₅₀ — время приложения испытательного напряжения 50 Гц. Указанное соотношение недостаточно обосновано физически, но подтверждается опытом эксплуатации. При проведении испытаний изоляционных конструкций напряжением промышленной частоты существенное значение имеет мощность испытательной установки, определяемая видом нагрузки. Так, при неэнергоемких испытаниях, например воздушных промежутков или сухой наружной изоляции, действующее значение тока короткого замыкания па стороне высшего напряжения испытательной установки должно составлять не менее 0,3 А (для жидкой и твердой изоляции не менее 0,1 А).

При испытаниях загрязненной и увлажненной изоляции мощность испытательной установки должна быть существенно больше, с тем чтобы уменьшить падение напряжения на внутреннем сопротивлении источника при протекании токов утечки по испытуемому изолятору (снижение напряжения на испытуемом объекте не должно превышать 10%). При таких испытаниях ток короткого замыкания должен составлять не менее 5 А (по МЭК — не менее 6 А).

ГОСТ 1516.2−97 определяет также требования к величине нагрузочной емкости, включенной в высоковольтной части испытательной установки. При испытании изоляции, кроме газовой, суммарная емкость испытуемого объекта и дополнительных элементов, установленных параллельно объекту (делителя напряжения, измерительного шарового разрядника), а также специальной добавочной емкости должна быть не менее 500 пФ (по МЭК — не менее 1000 пФ). Это требование также определяется необходимостью создания при испытаниях таких же условий развития перекрытия или пробоя изоляции, как и в реальных условиях эксплуатации. При перекрытии внешней или пробое внутренней изоляции на стадии перехода от стримера к лидеру от источника напряжения за очень короткое время должен поступить значительный заряд. В реальных условиях заряд поступает из емкости ошиновки подстанции, подключенной параллельно аппарату, в котором развивается разряд. При испытаниях аппарата в лаборатории источник напряжения промышленной частоты не может обеспечить необходимых условий развития лидера, поскольку обладает значительной индуктивностью, а в некоторых случаях отделен от объекта защитным резистором. Поэтому для правильного воспроизведения условий развития разряда и подключается специальная емкость параллельно испытуемому объекту, если недостаточна емкость самого объекта и измерительных устройств.

Большое значение имеет скорость подъема напряжения на испытуемом образце. Для правильной оценки величины разрядного или пробивного напряжения изоляции необходимо, чтобы нарастание испитательного напряжения производилось плавно. С другой стороны, для сокращения времени на проведение испытаний целесообразно иметь возможность быстрого подъема напряжения вблизи нуля, т. е. при напряжениях, значительно меньших разрядного напряжения. Поэтому ГОСТ 1516.2−97 допускает произвольную скорость подъема напряжения до 1/3 испытательного (причем указанное напряжение может быть приложено даже толчком). Дальнейшее повышение напряжения должно быть плавным и быстрым, но позволяющим при напряжении более ¾ испытательного производить отсчет показаний измерительного прибора. После достижения требуемого значения напряжение должно быть снижено до нуля либо при значении, равном или меньшем 1/3 испытательного, произведено отключение. Источником высокого напряжения испытательной установки переменного тока, принципиальная схема которой показана на рис. 4.1, служит испытательный трансформатор 72. Питание на него подается от сети -220 В с помощью автоматического выключателя QF и двух контакторов КМ и КМ2. Управление контакторами производится кнопками управления SB 1 — SB4 (рис. 4.1,6). Нормально разомкнутый контакт КМ 1 в цепи катушки контактора КМ2 задаст необходимую последовательность их работы. Включение контактора КМ2 после КМ 1 обеспечивает возможность контроля с помощью вольтметра PV напряжения, подаваемого на первичную обмотку испытательного трансформатора 72. Питание схемы управления установкой осуществляется через блокировочные дверные контакты SB5, замыкающиеся при закрывании двери в ограждении установки. При входе на испытательную площадку установки блок-контакты SB5 размыкают цепи питания соленоидов КМ и КМ2, что предотвращает возможность их включения при открытой двери ограждения. Включение установки производится следующим образом: при замкнутых контактах SB5 замыкание кнопки управления SBI (контакты кнопки управления SB2 нормально замкнуты) приводит к срабатыванию контактора КМ1. Его замкнувшиеся главные контакты подключают к источнику регулятор напряжения Т (автоматический выключатель QF включается предварительно). Одна пара вспомогательных контактов КМ готовит цепь управления контактором КМ2, а другая осуществляет блокирование кнопки управления SB 1, и контактор остается включенным при отпущенной кнопке. При замыкании кнопки управления SB3 происходит срабатывание контактора КМ2, блокирующего своими вспомогательными контактами кнопку SB3 и подающего через главные контакты напряжение на первичную обмотку испытательного трансформатора.

Рис. 4.1. Принципиальные схемы: а — установки переменного тока; б — ее управления Отключение установки производится контакторами и автоматическим выключателем QF. Контакторы КМ и КМ2 обесточиваются при размыкании нормально замкнутых контактов кнопок управления SB2 и SB4. Следует отметить, что отключение контактора КМ2 происходит при нажатии любой кнопки SB2 или SB4.

Основными элементами испытательной установки переменного тока (см. рис. 4.1, а) являются испытательный трансформатор Т2 и регулятор напряжения Т1. Защитный резистор R предназначен для ограничения тока короткого замыкания и защиты трансформатора при крутых срезах напряжения после пробоя испытуемой изоляции. Минимальное допустимое значение сопротивления резистора устанавливается заводом-изготовителем.

Введение

защитного резистора нежелательно при влагоразрядных испытаниях, когда падение напряжения на R от тока утечки по изолятору может быть сравнимо с падением напряжения на испытуемом объекте ИО. Современные трансформаторы на напряжение 100−200 кВ, как правило, допускают возможность проведения таких испытаний без защитного резистора.

Вольтметр PV служит для контроля напряжения на испытательном трансформаторе Т2. Представляется целесообразным устанавливать его на выходных зажимах регулятора напряжения Т, отделенного от Т2 контактами КМ2. Такая установка вольтметра позволяет определить положение регулятора напряжения при разомкнутых контактах КМ2 и исключить возможность включения напряжения толчком на первичную обмотку испытательного трансформатора. Кроме того, такое включение вольтметра даст возможность приблизительно оценить разрядное напряжение после пробоя или перекрытия изоляции и отключения высокого напряжения с помощью реле максимального тока К А, что особенно важно в случае повреждения изоляции, когда повторение опыта оказывается невозможным.

Изменение напряжения на низковольтной обмотке испытательного трансформатора осуществляется с помощью регулятора напряжения. Регулятор должен обладать достаточной мощностью, т. е. малой реактивностью, давать при всех возможных режимах работы испытательного трансформатора неискаженную форму кривой напряжения, а также плавно изменять напряжение, поскольку резкие скачки сопровождаются неустановившимися режимами, приводящими к снижению точности измерений и нарушению условий испытаний. Регулятор напряжения должен быть снабжен устройством, допускающим включение толчком напряжения, равного примерно 30−50 % от испытательного, а затем плавное повышение его со скоростью 2−3% в секунду.

В регуляторах малой мощности обычно изменение напряжения производится вручную, а регуляторы большой мощности часто снабжаются устройствами полуавтоматического регулирования.

Для регулирования напряжения в установках большой мощности широко применяются автотрансформаторы различной конструкции. Если первичное напряжение подводится к зажимам А, Б (рис. 4.2, а), то с выхода вторичной цепи а, б снимается напряжение U₂=U_iw₁lw_l, где щ и w₂ — число витков первичной и вторичной обмотки (между точками а, б). Контакты а, б выполняются роликовыми, что позволяет плавно регулировать величину напряжения на выходе трансформатора с точностью, определяемой напряжением на одном витке.

Рис. 4.2. Принципиальные схемы: а — регулировочного автотрансформатора; б — образования короткозамкнутого витка Для получения неискаженной формы кривой испытательного напряжения необходимо обеспечить плавный переход ролика 2 (рис. 4.2, б) с витка на виток обмотки автотрансформатора без разрывов во вторичной цепи. Для этого ролик должен одновременно касаться, по крайней мере, двух соседних витков, образуя при этом короткозамкнутый виток 1 (рис. 4.2, б). Необходимость уменьшения тока в этом витке ограничивает мощность регулятора. Обычно роликовые контакты 2 выполняются из графита и движутся по зачищенному от изоляции участку обмотки автотрансформатора. Максимальная мощность регулировочных трансформаторов обычно не превышает 50−100 кВА (при мощности более 10 кВА трансформаторы, как правило, изготавливаются в баках, заполненных трансформаторным маслом).

Рис. 4.3. Принципиальная схема расположения вторичной обмотки регулирующего трансформатора: а — рядом с первой первичной; 6 — между ними; в — рядом со второй первичной; г — график изменения напряжения на вторичной обмотке Плавное регулирование напряжения под нагрузкой в установках большой мощности можно производить с помощью трансформатора, принципиальная схема расположения обмоток которого приведена на рис. 4.3. В этом трансформаторе напряжение сети подается на две первичные обмотки, соединенные встречно-параллельно. Создаваемые этими обмотками магнитные потоки направлены навстречу друг другу. Вторичная обмотка в процессе регулирования может перемещаться по отношению к первичным так, как показано на рис. 4.3. Когда магнитный поток, создаваемый первой первичной обмоткой, будет полностью охватывать вторичную, в ней будет индуктироваться напряжение +U (рис. 4.3, а), когда вторичную обмотку будет полностью охватывать магнитный поток, создаваемый второй первичной обмоткой -U (рис. 4.3, в) и когда вторичная обмотка будет находиться по середине между ними — 0. Следовательно, регулирующий трансформатор с передвижными обмотками дает возможность получить на выходе напряжение, плавно изменяющееся от +U до -U (рис. 4.3, г). Для обеспечения регулирования напряжения от 0 до II, что имеет физический смысл, для установок высокого напряжения промышленной частоты перемещение вторичной обмотки по отношению к первичным ограничивается положением, показанным на рис. 4.3, б.

Наиболее часто применяется схема с двумя трансформаторами, вторичные обмотки которых соединены последовательно (рис. 4.4). Один из них — обычный, с постоянным коэффициентом трансформации к = и₂11}, а другой — регулировочный, на выходе которого напряжение может изменяться от +U до -U. В результате на выходе схемы напряжение регулируется от 0 до 217.

Рис. 4.4. Принципиальная схема регулятора напряжения с двумя трансформаторами.

Наиболее совершенным устройством для регулирования напряжения является двигатель-генератор, состоящий из синхронного трехфазного генератора, смонтированного на одном валу с двигателем постоянного или переменного токов. Регулирование напряжения осуществляется изменением возбуждения генератора. Этот способ питания обеспечивает плавность регулирования и синусоидальность кривой напряжения. Преимущество питания трансформатора от двигателягенератора заключается в полной независимости напряжения испытательной цепи от параметров питающей сети. Это обстоятельство имеет большое значение при производстве точных измерений. При наличии двигателя постоянного тока имеется возможность регулировать в определенных пределах частоту испытательного напряжения. Синхронный двигатель обеспечивает строгое постоянство частоты в соответствии с частотой питающей сети. Однако высокая по сравнению с другими регуляторами стоимость и сложность обслуживания двигателя-генератора ограничивают его применение только для питания мощных испытательных установок.

Одним из основных элементов высоковольтных установок промышленной частоты является испытательный трансформатор 72 (рис. 4.1). Большей частью испытания изоляции проводятся путем приложения напряжения относительно земли. Поэтому в основном испытательные трансформаторы изготовляются однофазными с одним заземленным концом обмотки высшего напряжения. Характерными особенностями испытательных трансформаторов являются высокий коэффициент трансформации (100−500), ограниченное время включения, малая мощность и, как следствие, значительная индуктивность рассеяния. Кроме того, изоляция этих трансформаторов испытывается напряжением (1,1−1,2)С/"_0 М и, таким образом, имеет существенно меньшие запасы электрической прочности, чем изоляция силовых трансформаторов.

Одно из основных требований, предъявляемых к испытательным трансформаторам — отсутствие собственных частичных разрядов внутри трансформатора вплоть до номинального напряжения. Кроме того, параметры обмоток должны быть такими, чтобы исключалось возникновение резонансов на промышленной частоте в контурах, образованных индуктивностью рассеяния и емкостью обмотки и объекта.

При испытаниях изоляции часто происходят разряды вблизи амплитудного значения, сопровождающиеся срезом напряжения и приводящие к короткому замыканию на зажимах обмотки высшего напряжения испытательного трансформатора. Эта обмотка должна изготовляться так, чтобы распределение напряжения по ее длине было относительно равномерным не только в установившемся режиме, но и при воздействии срезов или импульсов. Преимущественно обмотки высшего напряжения выполняются слоевыми. Существенная емкость между слоями обеспечивает более равномерное распределение напряжения по длине обмотки при крутых срезах. Изоляция между слоями обмотки выполняется из кабельной бумаги и цилиндров из изолирующего материала.

В мощных испытательных трансформаторах применяется более компактная секционированная дисковая обмотка. Обмотка выполняется обычно по принципу конденсаторного ввода с радиальным регулированием электрического поля. Отдельные секции обмотки соединяются при помощи разрезанных по образующей металлических цилиндров и проводников, причем секции, имеющие более высокий потенциал, постепенно удаляются от сердечника трансформатора и обмотки низкого напряжения.

Для того чтобы импульс напряжения нс передавался с обмотки высшего напряжения на обмотку низшего напряжения по емкостным связям, между этими обмотками располагают разрезной проводящий защитный экран, который соединяется с сердечником и землей. Этот экран выполнен из листового металла и располагается в изолирующем цилиндре.

Для закрытых помещений используются трансформаторы с изолирующим корпусом. Они представляют собой бакелитовый или стеклопластиковый цилиндр с двумя фланцами — выводами в виде экранов. Внутри цилиндра располагается магнитный сердечник с обмотками. Иногда в этом цилиндре размещается дополнительная катушка индуктивности для компенсации реактивной мощности при испытании объектов с большой емкостью. Примером такого трансформатора может служить трансформатор типа ТВО-140 с максимальным напряжением 140 кВ, используемый в передвижных испытательных лабораториях.

Зарубежные фирмы выпускают трансформаторы и на более высокие напряжения 350 и 550 кВ. При осуществлении принудительной циркуляции масла внутри корпуса мощность этих трансформаторов достигает 75 кВА. При кратковременном их включении мощность может быть увеличена в два-четыре раза.

Наиболее надежными и распространенными для наружных установок являются трансформаторы с металлическим корпусом, бумажно-масляной изоляцией и одним ребристым фарфоровым проходным изолятором. В настоящее время широко используются трансформаторы типа ИОМ (испытательный, однофазный, масляный) на напряжение до 100 кВ с током до 1 А, а также трансформаторы, рассчитанные на напряжение 300 и 500 кВ с током 1 А.

Рис. 4.5. Принципиальные схемы: а — соединения обмоток; б — расположения на магнитном проводе трансформатора с двумя выводами Зарубежными фирмами разработано множество разновидностей таких трансформаторов с напряжением до 1,2 МВ. Однако экономически выгодным оказывается применение трансформатора с одним проходным изолятором только на напряжения до 600 кВ. Конструкция проходного изолятора и изоляция испытательного трансформатора существенно упрощаются, если для вывода высокого напряжения из бака использовать два проходных изолятора 7 (рис. 4.5). Обмотка низшего напряжения 1 располагается на одном стержне сердечника 4 и изолируется от него на половину номинального напряжения. Обмотка высшего напряжения 2 состоит из двух частей, расположенных па обоих стержнях магиитопровода. При этом средняя точка обмотки соединяется с магнитопроводом и баком 3 трансформатора, который при заземлении одного из концов обмотки высшего напряжения оказывается под потенциалом относительно земли, равным половине напряжения трансформатора. Поэтому бак изолируется от земли с помощью опорных изоляторов. Расположение обмотки высшего напряжения на двух стержнях сердечника уменьшает связь с обмоткой низшего напряжения, которая размещается на левом стержне, что увеличивает рассеяние магнитного потока. Для усиления электромагнитной связи между обмоткой низшего напряжения 1 и правой половиной отмотки высшего напряжения 2 применяются специальные обмотки связи 5. Они располагаются на обоих стержнях магнитопровода, имеют одинаковое число витков и встречно соединяются одна с другой. Уравнительный ток, протекающий по обмоткам связи, создает магнитный поток, который в левой половине сердечника направлен против основного, созданного обмоткой питания, магнитного потока, а в правой половине совпадает с ним. В результате увеличивается магнитный поток в правой половине сердечника, что существенно снижает индуктивность рассеяния трансформатора (е_к= 10−15%).

Между обмотками высокого и низкого напряжений располагают разрезной проводящий защитный экран, соединенный с баком и сердечником. Он препятствует передаче импульсов напряжения, возникающих при пробое или перекрытии испытуемой изоляционной конструкции, с высоковольтной обмотки на низковольтную. Обмотка низкого напряжения 6 используется при соединении трансформаторов в каскад с последовательным питанием.

Для получения очень высоких испытательных напряжений применяют каскадное включение трансформаторов, обмотки высшего напряжения которых соединяются последовательно, а питание каждого последующего трансформатора осуществляется через предыдущий. Первичная обмотка и обмотка питания следующего трансформатора должны быть изолированы относительно друг друга на полное напряжение трансформатора. В целях упрощения изоляции их располагают на разных стержнях магнитопровода. Уравнительная обмотка существенно улучшает связь первичной обмотки не только с обмоткой высшего напряжения, но и с обмоткой, питающей последующий трансформатор каскада, и тем самым снижает индуктивность рассеяния установки.

Рис. 4.6. Принципиальная схема каскада трансформаторов с последовательным питанием.

Схема включения обмоток при каскадном соединении трех трансформаторов на 750 кВ каждый приведена на рис. 4.6. Корпуса трансформаторов 74, Т2, 73, находящихся под разными потенциалами по отношению к земле, устанавливаются на опорных изоляционных конструкциях. Для принудительного выравнивания напряжения по высоте этих конструкций применены специальные экраны (на рис. 4.6 обозначены пунктирной линией), соединенные с корпусами и выводами трансформаторов. Экраны выполнены из листового металла с большими радиусами закругления, что снижает напряженность электрического поля на их поверхности и гем самым увеличивает начальное напряжение короны и разрядное напряжение с экрана на землю или на соседний экран. Как видно из рис. 4.6, вся изоляция элементов установки, в том числе и изоляция между экранами, рассчитана на воздействие напряжения, равного половине номинального напряжения одного трансформатора. Для уменьшения площади, занимаемой каскадом, в некоторых случаях трансформаторы размещают вертикально один над другим.

В испытательных установках на очень высокие напряжения изза большой емкости испытуемых объектов, а также собственной емкости на землю трансформаторов и экранов каскада значительно возрастает потребляемая реактивная мощность. Поэтому первый трансформатор каскада, поскольку он осуществляет питание всех остальных, становится чрезмерно громоздким. Второй трансформатор каскада Г2 (рис. 4.6), через который осуществляется питание трансформатора 73, также должен быть рассчитан на большую мощность, чем трансформатор 73. Таким образом, все трансформаторы каскада оказываются неодинаковыми по мощности и габаритам. Изготовление разных трансформаторов является технически нецелесообразным и экономически невыгодным. В некоторых случаях используют одинаковые трансформаторы, однако в первую ступень каскада устанавливают два параллельно соединенных трансформатора. При этом оказывается, что в наиболее тяжелых условиях работает вторая ступень. Если допустить номинальную нагрузку для второй ступени, то первая и последняя ступени каскада оказываются недогруженными. Для того чтобы трансформаторы всех ступеней каскада были одинаково нагружены, применяют схему с параллельным питанием (рис. 4.7). В этой схеме трансформатор второй ступени каскада Г2 питается через изолирующий трансформатор Г4, а трансформатор 73 — через два изолирующих трансформатора 73 — Гб, соединенных последовательно.

Следует отметить, что каскад трансформаторов можно использовать и при проведении испытаний в трехфазных схемах, например, при измерении потерь на корону на опытной линии электропередачи. Для этого каждый отдельно взятый трансформатор каскада должен быть подключен через свой регулятор напряжения к соответствующей фазе трехфазной сети питания.

Рис. 4.7. Каскад трансформаторов с параллельным питанием.

Каскады трансформаторов обычно работают на емкостную нагрузку, которая может быть весьма значительной. В этих случаях для снижения требуемой мощности трансформаторов каскада и регулятора напряжения иногда применяют компенсирующие реакторы, установленные параллельно испытуемому объекту или последовательно с ним. Включив реактор на выходе каскада, можно существенно уменьшить мощность трансформатора и регулятора. Однако в этом случае конструкция реактора окажется сложной, поскольку она должна быть рассчитана на полное напряжение каскада. При включении реактора на низковольтной стороне существенно снижается мощность регулятора, однако остается большой необходимая мощность трансформаторов каскада. При использовании компенсирующих реакторов достигается наиболее близкая к синусоиде форма испытательного напряжения. Однако недостатком таких схем становится необходимость изменения индуктивности реактора при замене испытуемого объекта.

Каскад трансформаторов занимает сравнительно большую площадь, обладает значительной реактивностью, обусловленной последовательным соединением реактивностей трансформаторов, а также низким коэффициентом полезного действия, поскольку суммарная мощность трансформаторов значительно превышает номинальную мощность установки. Указанные недостатки каскадного включения ограничивают число трансформаторов в нем до двух или трех единиц.

Основные технические данные ряда испытательных трансформаторов и каскадов трансформаторов, выпускавшихся ранее, приведены в табл. 4.1.

Таблица 4.1.

Характерис гики испытательных трансформаторов и каскадов.