ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ АППАРАТ С ЭЛЕГАЗОВОЙ ИЗОЛЯЦИЕЙ ДЛЯ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧ ПОСТОЯННОГО ТОКА Российский патент 1995 года по МПК H02B5/06 H02B7/01 H02B13/35 

Изобретение относится к высоковольтной технике и может быть применено в элегазовых аппаратах преобразовательных подстанций.

Известны элегазовые аппараты для передачи переменного тока [1] состоящие из оболочки, токоведущих элементов, укрепленных в оболочке с помощью опорных литых изоляторов, металлических экранов непосредственно вблизи опорных изоляторов, обеспечивающих более высокую электрическую прочность газовой изоляции, и на поверхности раздела твердой и газовой изоляций.

Условия эксплуатации элегазовых аппаратов для передачи постоянного тока еще мало изучены по сравнению с их экслуатацией на переменном токе. В настоящее время исследования поведения элегазовых аппаратов при работе на постоянном напряжении ± 500 кВ в Японии и ± 750 кВ в России выявили ряд особенностей, которые отсутствуют при их эксплуатации на переменном токе [2] Исследования показали, что критическим режимом для электрической прочности изоляции элегазовых аппаратов для передачи постоянного тока является изменение полярности постоянного напряжения, т.е. режим реверса мощности преобразовательных подстанций, при котором происходят перекрытия опорного изолятора. Поскольку реверс мощности сопровождается отключением линии передачи и заменой поврежденной секции аппарата, то надежность эксплуатации таких аппаратов на преобразовательных подстанциях оказывается весьма низкой.

Как показали исследования, состояние проводимости элегаза зависит от величины тока микрокороны с металлических поверхностей, расположенных вблизи опорного изолятора, который в процессе эксплуатации может возрастать, так как в результате электродинамических усилий, связанных с внешними короткими замыканиями в электрической системе или с перенапряжениями длительностью в доли секунд, в элегазе появляются свободные металлические частицы, которые при воздействии постоянного напряжения прилипают к металлическим поверхностям экранов и создают ток микрокороны, накапливающий заряды на поверхности опорного изолятора. В этом случае изменение полярности приводит к перекрытию изолятора по его поверхности.

Известен способ контpоля состояния элегаза с помощью инфракрасного излучения, который позволяет фиксировать устойчивые продукты разложения элегаза при возникновении частичного разряда или микрокороны с металлических поверхностей [3] В этом случае реакция такого способа контроля на появление или особенно на исчезновение микрокороны оказывается настолько медленной, что не позволяет прогнозировать электрическую прочность на поверхности изолятора непосредственно перед воспроизведением реверса мощности передачи.

Прототипом изобретения является устройство для прогнозирования пробоя высоковольтного элегазового аппарата [4] содержащее несколько цилиндрических металлических оболочек, заполненных изолирующей средой и соединенных между собой в продольном направлении, основной токопровод, который проходит внутри оболочки и поддерживается в центре с помощью изоляционных распорок, заземляющие провода между оболочкой и землей, через которые проходит ток, возникающий при повышенном частичном разряде между электродом и оболочками, сердечники, надетые на провода для увеличения их индуктивности, и измерители тока частичного разряда, проходящего через провода. Устройство позволяет при номинальном напряжении фиксировать наличие дефектов, которые снижают электрическую прочность рассматриваемого промежутка при воздействии коммутационных или грозовых импульсов с амплитудой, в два и более раза превышающей номинальное напряжение.

Особенность устройства заключается в том, что измеряется высокочастотная составляющая тока частичного разряда. Именно поэтому и вводятся индуктивные катушки с сердечником. Однако, как показали исследования, накопление зарядов на поверхности изоляторов осуществляется низкочастотной составляющей тока частичного разряда, которая отражает движение заряда от дефекта до поверхности изолятора. Высокочастотная составляющая фиксирует смещение электронов непосредственно у острия дефекта. Накопление зарядов на поверхности изоляторов в большой степени осуществляется особенно при постоянном напряжении источниками микрокороны, в которых отсутствуют частичные разряды (непрерывная микрокорона, которая может быть фиксирована лишь прибором измерения постоянного тока). Введение индуктивности между измерительным кабелем и оболочкой исключает возможность измерения постоянного тока. Таким образом, устройство не позволяет прогнозировать состояние электрической прочности изоляции непосредственно перед изменением полярности постоянного напряжения номинальной величины (реверс мощности).

Задачей изобретения является повышение надежности высоковольтного элегазового аппарата для передачи постоянного тока путем осуществления контроля величины постоянной составляющей тока микрокороны в эксплуатационных режимах передачи.

Техническая задача решается в высоковольтном аппарате с элегазовой изоляцией для электропередачи постоянного тока, содержащем оболочку, токоведущие элементы, опорный изолятор и металлические экраны, благодаря тому, что металлические экраны, расположенные на наружном торце изолятора и вблизи изолятора на внутренней поверхности оболочки кабелем, выведенным на наружную поверхность оболочки, через многозвенный фильтр переменной составляющей тока микрокороны с измерительным прибором постоянного тока с чувствительностью не менее 10^-9 А.

Для решения технической задачи измерения большей части тока микрокороны, направленного с металлических экранов к поверхности опорного изолятора, осевые размеры трех изолированных от оболочки экранов должны удовлетворять следующим условиям. Осевой размер экрана, расположенного у оболочки со стороны выпуклой поверхности изолятора, должен быть больше на 30-40% осевого размера этого опорного изолятора. Осевой размер экрана, расположенного у оболочки с другой (вогнутой) стороны опорного изолятора, должен быть не мене 30-40% размера газового промежутка между токопроводом и оболочкой. Третий экран в виде проводящей цилиндрической поверхности, плотно прижатой к наружному торцовому кольцу изолятора, изолирован от оболочки и должен иметь такой же осевой размер, что и осевой размер указанной торцовой поверхности изолятора. Если осевой размер экрана, расположенного со стороны выпуклой поверхности изолятора, более чем в два раза превышает осевой размер остальных двух экранов, то достаточно изолировать от оболочки лишь экран с выпуклой поверхности изолятора.

Сущность изобретения заключается в том, что аппарат с возможностью контроля величины постоянной составляющей тока микрокороны в процессе эксплуатации обладает высокой надежностью, так как величина тока микрокороны, измеренная с помощью заявленных электродов в соответствующей измерительной цепи, однозначно характеризует состояние изоляции газоизолированного аппарата, ее электрическую прочность и позволяет предотвратить аварийную ситуацию, связанную с реверсом мощности передачи постоянного тока.

Изменение полярности преобразовательной подстанции не ведет к перекрытию по поверхности опорного изолятора аппарата, если измеряемая согласно изобретению, величина тока микрокороны меньше 1 ˙ 10^-9 А. В процессе эксплуатации этот ток может на порядок и более превышать допустимую величину 1 ˙ 10^-9 А. Это связано с тем, что из-за вибраций токопровода и воздействия электродинамических условий, обусловленных внешними короткими замыканиями, происходит выпадение металлических частиц из токопровода и узлов экранирования у токопровода на экраны оболочки, где они образуют коронирующие микровыступы.

Кроме того, воздействие коммутационных импульсов перенапряжений с амплитудой, вдвое превышающей номинальное постоянное напряжение, и длительностью порядка 0,1 с приводит к движению и те более крупные проводящие частицы, которые неподвижны при номинальном напряжении, что резко повышает ток микрокороны. Изменение полярности напряжения преобразовательной подстанции в таком отрезке времени, когда ток микрокороны превышает величину 1 ˙ 10^-9 А ведет к перекрытию опорного изолятора элегазового аппарата и отключению линии передачи.

Возможность прогнозирования состояния электрической прочности элегазового аппарата в процессе эксплуатации на постоянном токе достигается измерением постоянной составляющей тока микрокороны в заявленном аппарате. Благодаря возможности такого прогнозирования достигается высокая надежность эксплуатации аппарата на постоянном токе, так как предотвращаются аварийные ситуации, связанные с изменением полярности напряжения на преобразовательной подстанции. При использовании заявленного аппарата изменение полярности преобразовательной подстанции производится только после снижения измеренного тока микрокороны до допустимого значения. Это достигается выдержкой постоянным номинальным напряжением в течение нескольких десятков часов. На это время необходима блокировка реверса мощности передачи при величинах измеряемого тока, превышающих 10^-9 А.

Решение технической задачи повышения надежности элегазового аппарата для передачи постоянного тока путем создания возможности измерения величины постоянной составляющей тока микрокороны в аппарате в процессе его эксплуатации позволяет сделать вывод о существенности отличительных признаков изобретения.

На чертеже приведена схема заявленного аппарата.

Аппарат состоит из металлической оболочки 1, токопровода 2, элегаза 3, опорного изолятора 4 и металлических экранов 5-9. Экраны 7, 8 у оболочки 1 и экран 9 вокруг торцовой поверхности опорного изолятора 4 со стороны оболочки 1 выполнены изолированными от оболочки 1. Каждый из изолированных экранов, используется в качестве металлического электрода для измерения тока микрокороны вблизи опорного изолятора. Изолированные кабели 10, 11, 12 осуществляют связь каждого из указанных электродов с многозвенным фильтром 13 переменных составляющих тока, обусловленных наличием высших гармонических составляющих постоянного напряжения. Измерительное устройство 14 с многозвенным фильтром 13 расположены со стороны наружной поверхности оболочки 1. Результаты измерения используются в схеме управления преобразовательной подстанцией для предотвращения реверса мощности передачи в период временного повышения измеряемого тока, т.е. более 10^-9 А.

Для получения остаточно точных сведений о величине постоянной составляющей тока микрокороны металлические экраны должны быть изолированными от оболочки таким образом, чтобы сопротивление в изоляционном промежутке между экраном и оболочкой было на порядок больше входного сопротивления измеряющего ток прибора. Кроме того, размеры экранов, как указано ранее, должны обеспечивать измерение наибольшей части тока микрокороны, которая направлена на поверхность изолятора от этих экранов, для чего осевой размер экрана 8 должен быть на 30% больше осевого размера изолятора, а осевой размер экрана 7 не менее 30% длины промежутка между оболочкой и токопроводом. Размеры экрана 9 полностью определены размерами торцовой поверхности опорного изолятора, которая плотно прижата к внутренней поверхности оболочки и отделяется от нее изолирующим слоем с необходимым, указанным выше для экранов, сопротивлением.

Допустимая величина тока микрокороны определена для аппарата ± 750 кВ экспериментально, причем эта величина является приведенной к осевой длине экранов, т. е. при суммарной осевой длине экранов 1 м допустимая величина тока равна 1 ˙ 10^-9 А. Если суммарная осевая длина экранов 0,5 мм, то допустимая величина суммарного тока микрокороны для такого аппарата равна 0,5 ˙ 10^-9 А.

Указанная допустимая величина тока 10^-9 А означает, что проводимость элегаза вблизи опорного изолятора на порядок меньше, чем проводимость литого эпоксидного опорного изолятора. При таком соотношении электростатистическое поле при постоянном напряжении практически соответствует полю при импульсном воздействии. В тех случаях, когда ток существенно превышает 10^-9 А, т.е. проводимость газа выше проводимости изолятора, скорость накопления заряда на поверхности изолятора оказывается больше скорости его стекания. Эти накопления зарядов особенно резко искажают поле при изменении полярности, если учесть, что время реверса мощности передачи согласно эксплуатационным условиям не должно превышать 5 мин.

Время выдержки постоянным номинальным напряжением для снижения тока микрокороны до 10^-9 А и ниже обусловлено процессами эрозии микрокоронирующих выступов, которые приводят к сглаживанию микровыступов. Как показали исследования, время выдержки элегазовых аппаратов для электропередачи постоянного тока не превышает 100 ч.

Многозвенный фильтр 13 представляет собой цепочку из последовательно соединенных резисторов R, между которыми в точку соединения двух резисторов подключены одним своим выводом конденсаторы С, второй вывод которых соединен с землей. Фильтр предназначен для того, чтобы переменная составляющая измеряемого тока была ниже 1 ˙ 10^-9 А, поэтому число RC-звеньев и соотношение величин сопротивлений R и С определяются величиной пульсации постоянного номинального напряжения, воздействующего на элегазовый аппарат.

Работа заявленного высоковольтного элегазового аппарата остается надежной, особенно при реверсе мощности передачи, если величина контролируемого тока микрокороны не превышает указанной допустимой величины.

Проведены исследования конкретных устройств, выполненных на макетах элегазовых аппаратов постоянного тока на номинальное напряжение ± 200 и ± 750 кВ.

В первом случае диаметры оболочки 1 и токопровода 2 составляли соответственно 250 и 80 мм, осевой размер герметизирующего опорного изолятора 4 составлял 100 мм. Осевой размер изолированных экранов 7, 8, являющихся электродами для измерения величины постоянной составляющей тока микрокороны, составлял 300 мм. Если осевой размер экрана 8 в два и более раза превышает осевой размер экранов 7, 9, то достаточно изолировать от оболочки лишь экран 8, а экраны 7 и 9 могут быть заземлены. Все экраны, являющиеся электродами для измерения тока микрокороны, изолированы от оболочки, а расположенная снаружи оболочки измерительная часть устройства экранирована с помощью заземленного цилиндра от посторонних наводок тока.

При создании макетов были использованы все элементы серийно изготавливаемых комплектных распределительных элегазовых устройств КРУЭ-110 на ПО "Электроаппарат". В качестве измерительного прибора использован серийно изготавливаемый осциллограф с чувствительностью 1 мВ/дел, с входным сопротивлением 1 МОм.

Для аппарата ± 750 кВ диаметры оболочки и токопровода, размеры герметизирующего изолятора и экранов примерно в 4 раза больше соответствующих размеров аппарата на номинальное напряжение ± 200 кВ.

Многозвенный фильтр переменных составляющих измеряемого постоянного тока для аппарата на номинальное напряжение ± 200 кВ был выполнен из трех RC-звеньев, соединенных последовательно. Каждое звено имеет сопротивление R, равное 100 кОм, и емкость С, равную 5 мкФ. Фильтр для аппарата на ± 750 кВ выполнен из пяти таких же звеньев.

Оба аппарата были подключены на соответствующее номинальное напряжение, при этом измеренный в первые часы испытаний ток микрокороны составлял примерно 1 ˙ 10^-5 А, что явилось результатом естественных дефектов, приобретаемых элементами аппаратов в процессе монтажа, в частности оседанием различных проводящих микрочастиц. Подобная величина тока микрокороны непосредственно после монтажа имеет место и у японских исследователей для изолятора ± 500 кВ. Как было уже описано, такие же дефекты могут появиться и в условиях длительной эксплуатации аппарата по разным, указанным выше, причинам.

При испытаниях указанных макетов аппаратов величина тока микрокороны изменялась также в зависимости от полярности подключаемого напряжения. После подключения аппаратов на соответствующее номинальное напряжение и измерения тока микрокороны, превышающего значение 1 ˙ 10^-9 А, были проведены изменения полярности напряжения, соответствующие реверсу мощности передачи постоянного тока, то каждый раз приводило к перекрытию опорного изолятора.

Испытуемые аппараты после включения на номинальное напряжение были оставлены в нормальном режиме, при этом контролировалась величина тока микрокороны. Через несколько десятков часов ток снизился до величины менее 1 ˙ 10^-9 А. После этого были успешно проведены изменения полярности воздействующего напряжения. Надежная работа аппаратов сохранялась при любых изменениях полярности напряжения. Таким образом, величина тока микрокороны высоковольтного элегазового аппарата для передач постоянного тока должна контролироваться, так как она является важнейшей характеристикой для прогнозирования его электрической прочности при проведения реверса мощности передачи.

Техническим преимуществом заявленной конструкции аппарата является возможность предотвращения перекрытий изоляции при реверсе мощности передачи постоянного тока, что гарантирует его высокую надежность в эксплуатации. Эта задача решена благодаря возможности измерения тока микрокороны в процессе эксплуатации заявляемого устройства с помощью изолированных от оболочки экранов на наружном торце опорного изолятора и непосредственно у оболочки вблизи опорного изолятора и соответствующей измерительной схемы. Величина тока микрокороны, как показали эксперименты, является надежным критерием состояния электрической прочности изоляции аппарата, работающего на постоянном напряжении, позволяющим координировать проведение коммутаций при реверсе мощности в таких условиях, когда сохраняется надежная работа аппарата и всей электрической системы постоянного тока.

Использование: в электрогазовых аппаратах преобразовательных подстанций. Сущность изобретения: в высоковольтном аппарате с элегазовой изоляцией для электропередач постоянного тока, содержащем оболочку, токоведущие элементы, опорный изолятор и металлические экраны, металлические экраны, расположенные на наружном торце изолятора и вблизи изолятора на внутренней поверхности оболочки, выполнены изолированными от оболочки и соединены измерительным кабелем, выведенным на наружную поверхность оболочки, через многозвенный фильтр переменной составляющей тока микрокороны с измерительным прибором постоянного тока с чувствительностью не менее 10^-9 . 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ АППАРАТ С ЭЛЕГАЗОВОЙ ИЗОЛЯЦИЕЙ ДЛЯ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧ ПОСТОЯННОГО ТОКА, содержащий оболочку, токоведущие элементы, опорный изолятор и металлические экраны, отличающийся тем, что металлические экраны, расположенные на наружном торце изолятора и у изолятора на внутренней поверхности оболочки, выполнены изолированными от оболочки и соединены измерительным кабелем, выведенным на наружную поверхность оболочки через многозвенный фильтр переменной составляющей тока с измерительным прибором постоянного тока с чувствительностью не менее 10^-9А. 2. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что экран, расположенный со стороны выпуклой поверхности опорного изолятора, выполнен с осевым размером, на 30% превышающим осевую длину изолятора, а экран, расположенный со стороны вогнутой поверхности изолятора, выполнен с осевым размером, составляющим не менее 30% длины промежутка между токопроводом и оболочкой.