Оценка устойчивости изоляции электрооборудования к напряжению.

Технические средства для проверки и оценки выдерживаемой изоляции электрического оборудования. Изоляционные конструкции необходимо использовать для изоляции частей всего электрооборудования, находящихся под напряжением, от заземленных частей или от других неэквипотенциально находящихся под напряжением тел, чтобы обеспечить нормальную работу оборудования. Диэлектрическая прочность отдельного изоляционного материала выражается как средняя напряженность электрического поля пробоя по толщине (единица измерения – кВ/см). Изоляционная структура электрооборудования, такая как изоляция генераторов и трансформаторов, состоит из различных материалов, а форма конструкции также чрезвычайно сложна. Любое локальное повреждение изоляционной конструкции приведет к потере изоляционных характеристик всего оборудования. Таким образом, общая изоляционная способность оборудования обычно может быть выражена только испытательным напряжением (единица измерения: кВ), которое оно может выдержать. Испытательное напряжение изоляции может указывать уровень напряжения, которое может выдержать оборудование, но оно не эквивалентно фактической прочности изоляции оборудования. Конкретным требованием для координации изоляции энергосистемы является согласование и формулирование испытательного напряжения изоляции различного электрооборудования, чтобы указать требования к уровню изоляции оборудования. Испытание изоляции выдерживаемым напряжением является разрушающим испытанием (см. испытание изоляции). Поэтому для некоторого ключевого оборудования, находящегося в эксплуатации, которое не имеет запасных частей или требует длительного времени на ремонт, следует тщательно подумать о том, следует ли проводить испытание изоляции выдерживаемым напряжением.

При работе различного электрооборудования в энергосистеме помимо выдерживания рабочего напряжения переменного или постоянного тока они также будут страдать от различных перенапряжений. Эти перенапряжения не только имеют большую амплитуду, но также имеют форму и длительность сигналов, сильно отличающихся от рабочего напряжения. Их влияние на изоляцию и механизмы, которые могут вызвать ее пробой, также различны. Поэтому для проведения испытаний электрооборудования на выдерживаемое напряжение необходимо использовать соответствующее испытательное напряжение. Испытания изоляции на выдерживаемое напряжение, указанные в китайских стандартах для систем переменного тока, включают: ① кратковременное (1 минута) испытание на выдерживаемое напряжение промышленной частоты; ② долговременное испытание на выдерживаемое напряжение промышленной частоты; ③ испытание на выдерживаемое напряжение постоянного тока; ④ испытание на выдерживаемое ударно-волновое напряжение; ⑤ Испытание на выдерживание ударной волны молнии. Он также предусматривает, что характеристики изоляции электрооборудования напряжением от 3 до 220 кВ при рабочем напряжении промышленной частоты, временном перенапряжении и рабочем перенапряжении обычно проверяются с помощью кратковременного испытания на выдерживаемое напряжение промышленной частоты, при этом испытание на рабочее воздействие не требуется. Для электрооборудования напряжением от 330 до 500 кВ необходимо провести испытание на ударную нагрузку для проверки характеристик изоляции при рабочем перенапряжении. Испытание на длительное выдерживаемое напряжение промышленной частоты — это испытание, проводимое на предмет ухудшения состояния внутренней изоляции и загрязнения внешней изоляции электрооборудования.

Стандарты испытаний изоляции на выдерживаемое напряжение имеют особые правила в каждой стране. Китайские стандарты (GB311.1-83) предусматривают базовый уровень изоляции оборудования передачи и преобразования электроэнергии напряжением 3–500 кВ; Оборудование для передачи и преобразования электроэнергии напряжением 3-500 кВ, выдерживаемое грозовое импульсное напряжение, выдерживаемое напряжение промышленной частоты в течение одной минуты; и оборудование для передачи и преобразования электроэнергии напряжением 330-500 кВ. Импульсное выдерживаемое напряжение для работы электрооборудования. Отдел производства электрооборудования и отдел эксплуатации энергосистемы должны соблюдать стандарты при выборе изделий и значений испытательного напряжения для испытания выдерживаемым напряжением.

Испытание выдерживаемого напряжения промышленной частоты

Используется для проверки и оценки способности изоляции электрооборудования выдерживать напряжение промышленной частоты. Испытательное напряжение должно быть синусоидальным, а частота должна соответствовать частоте энергосистемы. Обычно указывается, что испытание выдерживаемым напряжением в течение одной минуты используется для проверки способности изоляции выдерживать кратковременное напряжение, а испытание выдерживаемым напряжением в течение длительного времени используется для проверки постепенного разрушения внутри изоляции, например, частичного разряда. повреждения, диэлектрические потери и термические повреждения, вызванные током утечки. На внешнюю изоляцию наружного силового оборудования влияют атмосферные факторы окружающей среды. В дополнение к испытанию на выдерживаемое напряжение промышленной частоты на сухой поверхности также требуется испытание на выдерживание напряжения в искусственно смоделированной атмосферной среде (например, во влажном или грязном состоянии).

Синусоидальное напряжение переменного тока может быть выражено через пиковое значение или эффективное значение. Отношение пикового значения к эффективному значению равно квадратному корню из двух. Форма волны и частота испытательного напряжения, фактически приложенного во время испытания, неизбежно будут отклоняться от стандартных правил. Китайские стандарты (GB311.3-83) предусматривают, что диапазон частот испытательного напряжения должен составлять от 45 до 55 Гц, а форма испытательного напряжения должна быть близка к синусоидальной. Условия заключаются в том, что положительная и отрицательная полуволны должны быть абсолютно одинаковыми, а пиковое значение и эффективное значение должны быть одинаковыми. Коэффициент равен ±0,07. Обычно так называемое значение испытательного напряжения относится к эффективному значению, которое делится на его пиковое значение.

Источник питания, используемый для испытания, состоит из высоковольтного испытательного трансформатора и устройства регулирования напряжения. Принцип действия испытательного трансформатора такой же, как и у обычного силового трансформатора. Его номинальное выходное напряжение должно соответствовать требованиям испытаний и оставлять место для свободы действий; выходное напряжение испытательного трансформатора должно быть достаточно стабильным, чтобы не вызывать изменения выходного сигнала из-за падения напряжения предразрядного тока на внутреннем сопротивлении источника питания. Напряжение значительно колеблется, чтобы избежать трудностей с измерением или даже повлиять на процесс разряда. Поэтому испытательный источник питания должен иметь достаточную мощность, а внутреннее сопротивление должно быть как можно меньшим. Как правило, требования к мощности испытательного трансформатора определяются тем, какой ток короткого замыкания он может выдавать при испытательном напряжении. Например, для испытания небольших образцов твердой, жидкой или комбинированной изоляции в сухом состоянии ток короткого замыкания оборудования должен составлять 0,1А; для испытания самовосстанавливающейся изоляции (изоляторов, рубильников и т.п.) в сухом состоянии необходим ток короткого замыкания оборудования не менее 0,1А; для испытаний внешней изоляции искусственным дождем ток короткого замыкания оборудования должен быть не менее 0,5А; для испытаний образцов больших размеров ток короткого замыкания оборудования должен составлять 1А. Вообще говоря, испытательные трансформаторы с более низким номинальным напряжением в основном используют систему 0,1 А, которая позволяет постоянно пропускать ток 0,1 А через высоковольтную катушку трансформатора. Например, мощность испытательного трансформатора 50 кВ установлена ​​равной 5 кВА, а мощность испытательного трансформатора 100 кВ — 10 кВА. Испытательные трансформаторы с более высоким номинальным напряжением обычно используют систему 1 А, которая позволяет постоянно пропускать ток 1 А через высоковольтную катушку трансформатора. Например, мощность испытательного трансформатора 250 кВ составляет 250 кВА, а мощность испытательного трансформатора 500 кВ — 500 кВА. Из-за габаритов испытательного оборудования с более высоким напряжением, эквивалентная емкость оборудования также больше, и испытательный источник питания должен обеспечивать больший ток нагрузки. Номинальное напряжение одного испытательного трансформатора слишком велико, что вызовет некоторые технические и экономические трудности при изготовлении. Самое высокое напряжение одного испытательного трансформатора в Китае составляет 750 кВ, а в мире очень мало одиночных испытательных трансформаторов с напряжением, превышающим 750 кВ. Чтобы удовлетворить потребности в испытаниях переменного напряжения силового оборудования сверхвысокого и сверхвысокого напряжения, несколько испытательных трансформаторов обычно соединяются последовательно для получения высокого напряжения. Например, три испытательных трансформатора на 750 кВ соединены последовательно для получения испытательного напряжения 2250 кВ. Это называется последовательным испытательным трансформатором. При последовательном соединении трансформаторов внутреннее сопротивление увеличивается очень быстро и значительно превышает алгебраическую сумму импедансов нескольких трансформаторов. Поэтому количество трансформаторов, соединенных последовательно, часто ограничивается тремя. Испытательные трансформаторы также могут быть подключены параллельно для увеличения выходного тока или соединены в форме △ или Y для трехфазной работы.

Для проведения испытаний выдерживаемым напряжением промышленной частоты на образцах с большой электростатической емкостью, таких как конденсаторы, кабели и генераторы большой мощности, устройство электропитания должно быть как высоковольтным, так и большой емкости. Возникнут трудности с реализацией такого типа устройства электропитания. Некоторые отделы внедрили оборудование для последовательных резонансных испытаний высокого напряжения промышленной частоты (см. Оборудование для последовательных резонансных испытаний высокого напряжения переменного тока).

Испытание на выдерживаемое напряжение грозового импульса

Способность изоляции электрооборудования выдерживать грозовое импульсное напряжение проверяют путем искусственного моделирования формы и пиковых значений тока молнии. По фактическим результатам измерений грозового разряда считается, что форма волны молнии представляет собой униполярную биэкспоненциальную кривую с длиной волны в несколько микросекунд и хвостом волны в десятки микросекунд. Большинство молний имеют отрицательную полярность. Стандарты различных стран мира калибруют стандартную ударную волну молнии как: видимое время фронта волны T1 = 1,2 мкс, также известное как время напора волны; кажущееся пиковое время полуволны T2=50 мкс, также известное как время хвоста волны (см. рисунок). Допустимое отклонение между пиковым значением напряжения и формой волны, генерируемой реальным испытательным устройством, и стандартной волной составляет: пиковое значение ±3%; время напора волны, ±30%; пиковое время полуволны, ±20%; стандартная форма волны молнии обычно выражается как 1,2/50 мкс.

Испытательное напряжение грозового импульса генерируется генератором импульсного напряжения. Преобразование нескольких конденсаторов генератора импульсного напряжения из параллельного режима в последовательное достигается за счет множества зазоров запальных шаров, то есть несколько конденсаторов соединяются последовательно, когда зазоры запальных шаров контролируются для разряда. Скорость нарастания напряжения на испытуемом устройстве и скорость падения напряжения после пикового значения можно регулировать величиной сопротивления в цепи конденсатора. Сопротивление, влияющее на головку волны, называется сопротивлением головки волны, а сопротивление, влияющее на хвост волны, называется сопротивлением хвоста волны. Во время испытания заданное время набега волны и время пика полуволны стандартной импульсной волны напряжения получают путем изменения значений сопротивления резистора головы волны и резистора хвоста волны. Изменяя полярность и амплитуду выходного напряжения выпрямленного источника питания, можно получить необходимую полярность и пиковое значение волны импульсного напряжения. Благодаря этому можно реализовать генераторы импульсного напряжения в диапазоне от сотен тысяч вольт до нескольких миллионов вольт или даже десятков миллионов вольт. Высшее напряжение генератора импульсного напряжения, разработанного и установленного в Китае, составляет 6000 кВ.

Испытание напряжения грозового импульса

Содержимое включает в себя 4 пункта. ①Испытание на ударное напряжение: обычно используется для несамовосстанавливающейся изоляции, такой как изоляция трансформаторов, реакторов и т. д. Цель состоит в том, чтобы проверить, могут ли эти устройства выдерживать напряжение, указанное в классе изоляции. ② Испытание на удар при ударе 50 %: обычно в качестве объектов используется самовосстанавливающаяся изоляция, такая как изоляторы, воздушные зазоры и т. д. Цель – определить величину напряжения U при вероятности пробоя 50%. Используя стандартное отклонение между этим значением напряжения и значением пробоя, можно также определить другие вероятности пробоя, например, значение напряжения пробоя 5%. U обычно рассматривается как выдерживаемое напряжение. ③ Испытание на пробой: Цель состоит в том, чтобы определить фактическую прочность изоляции. В основном осуществляется на заводах по производству электрооборудования. ④Испытание кривой «напряжение-время» (тестирование кривой «вольт-секунда»): кривая напряжение-время показывает взаимосвязь между приложенным напряжением и повреждением изоляции (или пробоем фарфоровой изоляции) и временем. Кривая вольт-секунда (кривая V-t) может служить основой для рассмотрения координации изоляции между защищаемым оборудованием, таким как трансформаторы, и защитным оборудованием, таким как разрядники.

Помимо испытаний полной волной грозовых импульсов, иногда электрооборудование с обмотками, такое как трансформаторы и реакторы, также необходимо испытывать усеченными волнами со временем усечения от 2 до 5 мкс. Усечение может происходить в начале или в конце волны. Генерация и измерение этой усеченной волны, а также определение степени повреждения оборудования являются относительно сложными и трудными задачами. Из-за быстрого процесса и большой амплитуды испытание грозовым импульсным напряжением предъявляет высокие технические требования к испытаниям и измерениям. Подробные процедуры, методы и стандарты испытаний часто оговариваются для справки и внедрения при проведении испытаний.

Испытание рабочего импульсного перенапряжения

Путем искусственного моделирования формы импульсного перенапряжения срабатывания энергосистемы проверяют способность изоляции электрооборудования выдерживать рабочее импульсное напряжение. В энергосистемах существует множество типов рабочих сигналов и пиков перенапряжения, которые связаны с параметрами линии и состоянием системы. Как правило, это затухающая колебательная волна с частотой от десятков Гц до нескольких килогерц. Его амплитуда связана с напряжением системы, которое обычно выражается в несколько раз больше фазного напряжения, вплоть до 3–4 раз больше фазного напряжения. Ударные волны при эксплуатации действуют дольше, чем ударные волны молнии, и оказывают различное воздействие на изоляцию энергосистемы. Для энергосистем напряжением 220 кВ и ниже можно использовать кратковременные испытания выдерживаемым напряжением промышленной частоты для приблизительной проверки состояния изоляции оборудования при рабочем перенапряжении. Для систем и оборудования сверхвысокого и сверхвысокого напряжения напряжением 330 кВ и выше рабочее перенапряжение оказывает большее влияние на изоляцию, и кратковременные испытания напряжением промышленной частоты больше не могут использоваться для приблизительной замены испытаний рабочим импульсным напряжением. Из данных испытаний видно, что для воздушных зазоров более 2 м нелинейность рабочего напряжения разряда значительна, то есть выдерживаемое напряжение увеличивается медленно при увеличении расстояния зазора и даже ниже, чем кратковременная частота сети. напряжение разряда. Поэтому изоляцию необходимо проверять, моделируя рабочее импульсное напряжение.

Для длинных промежутков, изоляторов и внешней изоляции оборудования предусмотрены две формы испытательного напряжения для имитации рабочего перенапряжения. ① Непериодическая волна экспоненциального затухания: аналогична ударной волне молнии, за исключением того, что время напора волны и время полупика намного длиннее, чем длина волны удара молнии. Международная электротехническая комиссия рекомендует, чтобы стандартная форма рабочего импульсного напряжения составляла 250/2500 мкс; когда стандартная форма сигнала не может соответствовать исследовательским требованиям, можно использовать 100/2500 мкс и 500/2500 мкс. Непериодические волны экспоненциального затухания также могут генерироваться генераторами импульсного напряжения. Принцип генерации ударных волн молнии в основном тот же, за исключением того, что сопротивление напора волны, сопротивление хвоста волны и сопротивление зарядки должны быть увеличены во много раз. В лабораториях высокого напряжения обычно применяется комплект генераторов импульсного напряжения, оснащенный двумя комплектами резисторов, как для формирования грозового импульсного напряжения, так и для формирования рабочего импульсного напряжения. Согласно нормативам, допустимое отклонение формы формируемого рабочего импульсного напряжения от стандартной формы составляет: пиковое значение ±3%; волновой напор, ±20%; время полупика, ±60%. ② Волна ослабленных колебаний: длительность полуволны 01 должна составлять 2000–3000 мкс, а амплитуда полуволны 02 должна примерно достигать 80 % от амплитуды полуволны 01. Затухающая волна колебаний индуцируется на стороне высокого напряжения с помощью конденсатора для разряда стороны низкого напряжения испытательного трансформатора. Этот метод в основном используется при испытаниях рабочей волной силовых трансформаторов на подстанциях, при этом сам тестируемый трансформатор используется для генерации тестовых сигналов для проверки его собственной способности выдерживать напряжение.

Содержание испытания на рабочее импульсное перенапряжение включает 5 пунктов: ① испытание на выдерживаемое рабочее импульсное напряжение; ② Испытание на пробой при 50% рабочем импульсе; ③ испытание на поломку; ④ тест кривой напряжения и времени (тест вольт-секундной кривой); ⑤ Испытание кривой волнового напора рабочего импульсного напряжения. Первые четыре испытания аналогичны соответствующим требованиям при испытании на грозовое импульсное напряжение. Испытание № 5 необходимо для определения эксплуатационных ударно-разрядных характеристик, поскольку напряжение разряда длинного воздушного зазора под действием рабочих ударных волн будет меняться с изменением напора ударной волны. При определенной длине напора волны, например 150 мкс, напряжение разряда низкое, и этот напор волны называется критическим напором волны. Критическая длина волны незначительно увеличивается с увеличением длины зазора.

Испытание выдерживаемого напряжения постоянного тока

Используйте источник постоянного тока для проверки характеристик изоляции электрооборудования. Цель: ① определить способность высоковольтного электрооборудования постоянного тока выдерживать напряжение постоянного тока; ② из-за ограничения мощности испытательного источника переменного тока используйте высокое напряжение постоянного тока вместо высокого напряжения переменного тока для проведения испытаний на выдержку напряжения на оборудовании переменного тока большой емкости.

Испытательное напряжение постоянного тока обычно генерируется источником питания переменного тока через выпрямительное устройство и фактически представляет собой униполярное пульсирующее напряжение. Существует максимальное значение напряжения U на пике волны и минимальное значение напряжения U на впадине волны. Так называемое значение испытательного напряжения постоянного тока относится к среднему арифметическому значению этого пульсирующего напряжения, то есть, очевидно, мы не хотим, чтобы пульсация была слишком большой, поэтому коэффициент пульсации S испытательного напряжения постоянного тока не должен превышать 3. %, то есть напряжение постоянного тока делится на положительную и отрицательную полярности. Различные полярности имеют разные механизмы воздействия на различные изоляции. При тестировании должна быть указана одна полярность. Обычно для испытания используется полярность, которая строго проверяет характеристики изоляции.

Обычно для генерации высокого напряжения постоянного тока используется одноступенчатая полуволновая или двухполупериодная схема выпрямителя. Из-за ограничения номинального напряжения конденсатора и высоковольтного кремниевого стека эта схема обычно может выдавать напряжение 200–300 кВ. Если требуется более высокое напряжение постоянного тока, можно использовать каскадный метод. Выходное напряжение каскадного генератора постоянного напряжения может в 2n раз превышать пиковое напряжение силового трансформатора, где n представляет собой количество последовательных соединений. Падение напряжения и величина пульсаций выходного напряжения этого устройства зависят от количества последовательностей, тока нагрузки и частоты сети переменного тока. Если последовательностей слишком много и ток слишком велик, падение напряжения и пульсация достигнут недопустимого уровня. Это каскадное устройство генерации постоянного напряжения может выдавать напряжение около 2000-3000 кВ и выходной ток всего лишь десятки миллиампер. При испытаниях в искусственной среде ток перед разрядом может достигать нескольких сотен миллиампер или даже 1 ампер. В это время следует добавить тиристорное устройство стабилизации напряжения для улучшения качества выходного напряжения. Требуется, чтобы при длительности 500 мс и амплитуде 500 мА при прохождении импульса предразрядного тока один раз в секунду вызванное падение напряжения не превышало 5%.

При профилактическом испытании изоляции оборудования энергосистемы (см. Испытание изоляции) высокое напряжение постоянного тока часто используется для измерения тока утечки и сопротивления изоляции кабелей, конденсаторов и т. д., а также проводится испытание изоляции на выдерживаемое напряжение. Испытания показали, что при частоте в диапазоне от 0,1 до 50 Гц распределение напряжения внутри многослойной среды в основном распределяется в зависимости от емкости. Таким образом, испытание на выдерживаемое напряжение с использованием сверхнизкой частоты 0,1 Гц может быть эквивалентно испытанию на выдерживаемое напряжение промышленной частоты, что позволяет избежать использования выдерживаемого напряжения с большим напряжением. Сложность оборудования для испытания выдерживаемого напряжения переменного тока также может отражать состояние изоляции испытуемого оборудования. В настоящее время испытания концевой изоляции двигателей проводятся сверхнизкочастотным выдерживаемым напряжением, которые считаются более эффективными, чем испытания выдерживаемым напряжением промышленной частоты.

Weshine Electric Manufacturing Co., Ltd.