Меню

Изоляция электрического оборудования высокого напряжения

Испытание изоляции высоковольтного оборудования в условиях эксплуатации

высоковольтное оборудование

Статья посвящена современным методам диагностики при техническом обслуживании по фактическому состоянию с целью выявления ослабленных участков для прогнозирования ремонтов и замены высоковольтного оборудования.

При техническом обслуживании по фактическому состоянию (CBM — Condition Based Maintenance), основан-ном на прогнозировании запаса надежности, используются данные результатов проверки и контроля диагно-стических параметров электрооборудования через фиксированные интервалы времени. Эти интервалы выбираются по статистическим данным в соответствии с конкретной ситуацией и определенным типом электрооборудования. Преимущества такого подхода — оптимизация затрат на техническое облуживание и обеспечение высоких уровней надежности и безопасности.

Стратегии технического обслуживания

Для достижения оптимального баланса между затратами и эффективностью работы используются следующие стратегии технического обслуживания:

  • Работа до возникновения отказа (техническое обслуживание на основе события);
  • Запланированное техническое обслуживание по текущему состоянию, основанное на прогнозиро-вании запаса надежности (CBM);
  • Обслуживание на основе планово-предупредительного принципа.

Деградация (старение) изоляции

Имеются несколько основных причин для деградации изоляции:

  • Воздействие электрического напряжения (перенапряжение, удары молний, частичные разряды);
  • Тепловое напряжение (условия нагрузки);
  • Механическое усилие (вытягивание, изгиб, осадка фундамента);
  • Химическая коррозия (воздействие воды, соли, масла и загазованности);
  • Внешнее воздействие (загрязненная внешняя среда, доступ воды).

Старение изоляции, особенно вызываемое доступом воды, является постепенным процессом деградации, когда соответствующие факторы взаимодействуют друг с другом с образованием так называемых водяных древовид-ных структур в изоляции.

Стандарты на испытания высоковольтной изоляции

Разрушающие высоковольтные испытания оборудования на постоянном или переменном токе

Традиционные высоковольтные испытания изоляции на постоянном токе — простейший путь получения сведений общего характера о состоянии изоляции. Такая проверка изоляции может выполняться в виде простейшего испытания по типу «годен/не годен».

Согласно новому европейскому документу по гармонизации стандартов CENELEC HD 620 S1 — 1996 для кабелей с синтетической изоляцией испытание на постоянном токе не должно использоваться применительно к пластиковой изоляции кабеля; а рекомендуется лишь испытание на переменном токе частотой 0,1 или 50 Гц. Статистика результатов испытаний в условиях эксплуатации более чем 15000 кабелей с полиэтиленовой изоляцией показала, что

68% от общего числа зарегистрированных отказов происходило в течение 12 минут,

89% — в течение 30 минут,

95% через 45 минут, 100% через 60 минут. Фактическое время испытания и напряжение могут определяться поставщиком и пользователем кабеля и зависят от стратегии испытания, кабельной системы, состояния изоляции, а также выбранного метода испытания.

Неразрушающая диагностика оборудования — новая стратегия технического обслуживание по фактическому состоянию, основанная на прогнозировании запаса надежности (CBM)

Испытание сопротивления изоляции

Для проведения испытаний сопротивления изоляции используется источник постоянного тока. В этом случае определяется изменение тока утечки, что указывает на ухудшение характеристик или повреждение изоляции. В электроэнергетике, нефтехимической и других крупных отраслях промышленности диагностические испытания изоляции обычно выполняются применительно к электродвигателям и генераторам в пределах от 500 до 5000 В.

Диагностическое испытание тока релаксации (IRC-испытание)

Неразрушающая диагностика кабеля с использованием IRC-анализа может предоставить важную информацию о старении и деградации полимерной изоляции.

Контроль тангенса угла потерь tg

Информация о величине tg δ позволяет оценить общее состояние кабеля независимо от его длины. Анализ результатов испытаний в условиях эксплуатации за последние 15 лет позволяет различать находящееся в эксплуатации оборудование с «небольшим», «умеренным» и «сильным» старением. Испытание на tg δ выявляет карбонизацию, ионизацию или корону при повышенном уровне напряжения. В случае пластиковой изоляции -измерение tg δ на сверхнизких частотах (СНЧ) является идеальным средством обнаружения участков деградации, вызываемых водяными древовидными структурами.

Измерение частичных разрядов и обнаружение дефектов с помощью динамической рефлектометрии

Диагностика частичных разрядов является хорошо зарекомендовавшим себя методом неразрушающего испытания изоляции. При проведении лабораторных испытаний измерение частичного разряда является хорошо известным обычным испытанием. Требуемые при этом уровни частичного разряда зависят от типа объекта диагностики. В случае высоковольтных кабелей такие уровни находятся в диапазоне от нескольких до 100 нКл.

Для проверки в условиях эксплуатации точное значение уровня частичных разрядов менее важно по сравнению с положением (локализацией) их источника. Амплитуда частичных разрядов зависит от типа дефекта изоляции и расстояния, вызывающего затухание. Одним из наиболее важных индикаторов оценки состояния изоляции кабеля является уровень напряжения начала частичного разряда. Для локализации таких дефектов в кабелях используется классический метод динамической рефлектометрии.

высоковольтное оборудование
Рис. 1. Установка для испытания кабеля с измерением частичного разряда и локализацией дефекта с использованием метода динамической рефлектометрии

Рис. 2: Калибровка при использовании метода
частичных разрядов в соответствии с IEC 60270

Практически наиболее эффективные процедуры диагностики

СНЧ измерения на частоте 0,1 Гц являются очень эффективным вследствие очень высокой скорости роста электрической древовидной структуры в месте дефекта. При этом для определения поврежденного участка изоля-ции с помощью СНЧ требуется очень незначительное время, что является существенным преимуществом по сравнению с испытаниями на частоте сети.

Читайте также:  Для тушения электроустановок находящихся под напряжением применяют огнетушители тест

Длительность проведения испытания

Длительность проведения испытания и величина выдерживаемого напряжения являются наиболее важными параметрами при выполнении оценки состояния изоляции. Десять циклов испытаний на частоте 0,1 Гц занима-ют 100 секунд; этого времени, в основном, достаточно для анализа и локализации дефектов оборудования, связанных с частичными разрядами!

Разрушающее или неразрушающее испытание?

Напряжение до 1,7 Uo или 2,0 Uo может быть неразрушающим, если изоляция является все еще новой.

Рис. 3: Сбор данных и локализация дефекта в кабеле на расстоянии 673,7 м методом динамической рефлектометрии

На таком уровне термин «диагностика» при проведении испытания в условиях эксплуатации использовался в течение последних 15 лет.

Метод СНЧ (VLF truesinus®) успешно использовался для оценки состояния изоляции кабелей с применением неразрушающей системы измерения tg δ и частичного разряда PD. При этом необходимо, чтобы СНЧ источник высокого напряжения не имел высших гармоник и имел чрезвычайно низкий уровень шума для получения до-стоверных результатов при выполнении измерения частичных разрядов в условиях эксплуатации. Метод ча-стичных разрядов в твердых диэлектриках является наиболее эффективным при обнаружении мест дефектов, особенно в муфтах и в концевых заделках!

Рекомендуемая последовательность при неразрушающих испытаниях высоковольтного оборудования

Высоковольтная диагностика на СНЧ, включая измерение тангенса дельта

  • Стратегическое планирование, создание базы данных для классификации оборудования по тангенсу дельта, как НОВОЕ, ПОВРЕЖДЕННОЕ или ДЕФЕКТНОЕ для планирования ремонта, замены или обновления;
  • Техническое обслуживание и диагностическая проверка каждый год или с периодом в пять лет;
  • Проверка рабочих характеристик после ремонта;
  • Снятие с эксплуатации оборудования или системы, которая не может больше надежно эксплуати-роваться.

Процедура:

  • Измерение тангенса дельта вплоть до 2Uo в виде 3 шагов по напряжению; Uo; 1,5Uo, 2Uo. Время проверки не должно превышать 10 минут.

Высоковольтное СНЧ испытание с измерением тангенса дельта и частичных разрядов

  • Проверка рабочих характеристик;
  • Прогнозирование технического обслуживания;
  • Уменьшение числа вынужденных простоев;
  • Увеличение надежности системы;
  • Стратегическое планирование; обнаружение опасных дефектов типа водяных древовидных струк-тур; плохих соединений, муфт или законцовок; пользователь подготавливается заменять муфты или секции кабеля.

Уровни испытательного напряжения в кабельных системах и сетях

  • Диагностический уровень СНЧ напряжения: макс. 2Uo
  • Уровень СНЧ напряжения испытания: макс. 3Uo

Процедура:

СНЧ испытания рекомендуются для проверки рабочих характеристик оборудования. Измерение тангенса дельта и частичных разрядов — до максимального уровня напряжения проверки 2Uo или 3Uo при 0,1 Гц в зависимости от возраста изоляции. Запись значений тангенса дельта при Uo, 1,5Uo и 2Uo. Время (длительность) испытаний должно быть как можно меньше.

В случае более жестких требований к надежности пользователь может принять решение определять значения тангенса дельта и частичных разрядов при 3Uo с некоторым риском возможного пробоя во время процедуры испытания. При этом регистрируется уровень частичных разрядов и величина пКл при 3 Uo.

Заключение

За последние десять лет практика и режимы испытаний оборудования в условиях эксплуатации претерпели значительные изменения. Стала применяться аппаратура измерения тангенса угла потерь на СНЧ и частичных разрядов с использованием новых диагностических методов. Стали применяться новые критерии при испыта-ниях кабельных сетей, особенно, в случае твердых диэлектриков. Они требуют использования новой методоло-гии и новых процедур испытаний на основе СНЧ. Эти новые диагностические методы являются полезными инструментами для достижения общего повышения надежности сети. Стратегии, основывающиеся на примене-нии приоритетной структуры испытаний, будут снижать общую стоимость технического обслуживания, и по-вышать срок службы оборудования.

Источник



Изоляция электрических установок

Изоляция электрических установок разделяется на внешнюю и внутреннюю.

К внешней изоляции установок высокого напряжения относят изоляционные промежутки между электродами (проводами линий электропередачи (ЛЭП), шинами распределительных устройств (РУ), наружными токоведущими частями электрических аппаратов и т.д.), в которых роль основного диэлектрика выполняет атмосферный воздух. Изолируемые электроды располагаются на определенных расстояниях друг от друга и от земли (или заземленных частей электроустановок) и укрепляются в заданном положении с помощью изоляторов.

К внутренней изоляции относится изоляция обмоток трансформаторов и электрических машин, изоляция кабелей, конденсаторов, герметизированная изоляция вводов, изоляция между контактами выключателя в отключенном состоянии, т.е. изоляция герметически изолированная от воздействия окружающей среды корпусом, оболочкой, баком и т.д. Внутренняя изоляция как правило представляет собой комбинацию различных диэлектриков (жидких и твердых, газообразных и твердых).

изоляция силового трансформатора

Важной особенностью внешней изоляции является ее способность восстанавливать свою электрическую прочность после устранения причины пробоя. Однако электрическая прочность внешней изоляции зависит от атмосферных условий: давления, температуры и влажности воздуха. На электрическую прочность изоляторов наружной установки влияют также загрязнения их поверхности и атмосферные осадки.

Особенностью внутренней изоляции электрооборудования является старение, т.е. ухудшение электрических характеристик в процессе эксплуатации. Вследствие диэлектрических потерь изоляция нагревается. Может произойти чрезмерный нагрев изоляции, который приведет к ее тепловому пробою. Под действием частичных разрядов, возникающих в газовых включениях, изоляция разрушается и загрязняется продуктами разложения.

Читайте также:  Стабилизаторы напряжения 12в регулируемые

Пробой твердой и комбинированной изоляции — явление необратимое, приводящее к выходу из строя электрооборудования. Жидкая и внутренняя газовая изоляция самовосстанавливается, но ее характеристики ухудшаются. Необходимо постоянно контролировать состояние внутренней изоляции в процессе ее эксплуатации, чтобы выявить развивающийся в ней дефекты и предотвратить аварийный отказ электрооборудования.

Внешняя изоляция электроустановок

При нормальных атмосферных условиях электрическая прочность воздушных промежутков относительно невелика (в однородном поле при межэлектродных расстояниях около 1 см ≤ 30 кВ/см). В большинстве изоляционных конструкций при приложении высокого напряжения создается резконеоднородное электрическое поле. Электрическая прочность в таких полях при расстоянии между электродами 1-2 м составляет приблизительно 5 кВ/см, а при расстояниях 10-20 м снижается до 2,5-1,5 кВ/см. В связи с этим габариты воздушных ЛЭП и РУ при увеличении номинального напряжения быстро возрастают.

изоляция воздушной линии электропередачи

Целесообразность использования диэлектрических свойств воздуха в энергетических установках разных классов напряжения объясняется меньшей стоимостью и сравнительной простотой создания изоляции, а также способностью воздушной изоляции полностью восстанавливать электрическую прочность после устранения причины пробоя разрядного промежутка.

Для внешней изоляции характерна зависимость электрической прочности от метеорологических условий (давления p, температуры Т , абсолютной влажности Н воздуха, вида и интенсивности атмосферных осадков), а также от состояния поверхностей изоляторов, т.е. количества и свойства загрязнений на них. В связи с этим воздушные изоляционные промежутки выбирают так, чтобы они имели требуемую электрическую прочность при неблагоприятных сочетаниях давления, температуры и влажности воздуха.

Электрическую прочность вдоль изоляторов наружной установки измеряют в условиях, соответствующих разным механизмам разрядных процессов, а именно, когда поверхности изоляторов чистые и сухие, чистые и смачиваются дождем, загрязнены и увлажнены. Разрядные напряжения, измеренные при указанных состояниях, называю соответственно сухоразрядными, мокроразрядными и грязе- или влагоразрядными.

Основной диэлектрик внешней изоляции — атмосферный воздух — не подвержен старению, т.е. независимо от воздействующих на изоляцию напряжений и режимов работы оборудования его средние характеристики остаются неизменными во времени.

полимерные изоляторы

Регулирование электрических полей во внешней изоляции

При резконеоднородных полях во внешней изоляции возможен коронный разряд у электродов с малым радиусом кривизны. Появление короны вызывает дополнительные потери энергии и интенсивные радиопомехи. В связи с этим большое значение имеют меры по уменьшению степени неоднородности электрических полей, которые позволяют ограничить возможность возникновения короны, а также несколько увеличить разрядные напряжения внешней изоляции.

Регулирование электрических полей во внешней изоляции осуществляется с помощью экранов на арматуре изоляторов, которые увеличивают радиус кривизны электродов, что и повышает разрядные напряжения воздушных промежутков. На воздушных ЛЭП высоких классов напряжений используются расщепленные провода.

Внутренняя изоляция электроустановок

Внутренней изоляцией называются части изоляционной конструкции, в которых изолирующей средой являются жидкие, твердые или газообразные диэлектрики или их комбинации, не имеющие прямых контактов с атмосферным воздухом.

Целесообразность или необходимость применения внутренней изоляции, а не окружающего нас воздуха обусловлена рядом причин. Во-первых, материалы для внутренней изоляции обладают значительно более высокой электрической прочностью (в 5-10 раз и более), что позволяет резко сократить изоляционные расстояния между проводниками и уменьшить габариты оборудования. Это важно с экономической точки зрения. Во-вторых, отдельные элементы внутренней изоляции выполняют функцию механического крепления проводников, жидкие диэлектрики в ряде случает значительно улучшают условия охлаждения всей конструкции.

Элементы внутренней изоляции в высоковольтных конструкциях в процессе эксплуатации подвергаются сильным электрическим, тепловым и механическим воздействиям. Под влиянием этих воздействий диэлектрические свойства изоляции ухудшаются, изоляция “стареет” и утрачивает свою электрическую прочность.

Механические нагрузки опасны для внутренней изоляции тем, что в твердых диэлектриках, входящих в ее состав, могут появиться микротрещины, в которых затем под действие сильного электрического поля возникнут частичные разряды и ускорится старение изоляции.

разрушение изоляции

Особая форма внешнего воздействия на внутреннюю изоляцию обусловлена контактами с окружающей средой и возможностью загрязнения и увлажнения изоляции при нарушении герметичности установки. Увлажнение изоляции ведет к резкому уменьшению сопротивления утечки и росту диэлектрических потерь.

Внутренняя изоляция должна обладать более высоким уровнем электрической прочности, чем внешняя изоляция , т.е. таким уровнем, при котором пробой полностью исключаются в течение всего срока службы.

Необратимость повреждения внутренней изоляции сильно осложняет накопление экспериментальных данных для новых видов внутренней изоляции и для вновь разрабатываемых крупных изоляционных конструкций оборудования высокого и сверхвысокого напряжения. Ведь каждый экземпляр крупной дорогостоящей изоляции можно испытать на пробой только один раз.

Диэлектрические материалы должны также:

обладать хорошими технологическими свойствами, т.е. должны быть пригодными для высокопроизводительных процессов изготовления внутренней изоляции;

удовлетворять экологическим требованиям, т.е. не должны содержать или образовывать в процессе эксплуатации токсичные продукты, а после отработки всего ресурса они должны поддаваться переработке или уничтожению без загрязнения окружающей среды;

Читайте также:  Тиристорные регуляторы напряжения овен

не быть дефицитными и иметь такую стоимость, при которой изоляционная конструкция получается экономически целесообразной.

изоляция электродвигателяВ ряде случаев к указанным выше требованиям могут добавляться и другие, обусловленные спецификой того или иного вида оборудования. Например материалы для силовых конденсаторов должны иметь повышенную диэлектрическую проницаемость, материалы для камер выключателей — высокую стойкость к термоударам и воздействиям электрической дуги.

Длительная практика создания и эксплуатации различного высоковольтного оборудования показывает, что во многих случаях весь комплекс требований наилучшим образом удовлетворяется при использовании в составе внутренней изоляции комбинации из нескольких материалов, дополняющих друг друга и выполняющих несколько различные функции.

Так, только твердые диэлектрические материалы обеспечивают механическую прочность изоляционной конструкции. Обычно они имеют и наиболее высокую электрическую прочность. Детали из твердого диэлектрика, обладающего высокой механической прочностью, могут выполнять функцию механического крепления проводников.

Использование жидких диэлектриков позволяет в ряде случаев значительно улучшить условия охлаждения за счет естественной или принудительной циркуляции изоляционной жидкости.

Источник

Высоковольтная изоляция

высоковольтая изоляция

Изоляция и электричество – два неразрывных понятия. Основным назначением диэлектриков, материалов любой изоляции считается обеспечение прохождения электрического тока исключительно по тем цепям и в том направлении, которое предусматривает схема. Изоляция исключает вероятность:

  • потерь электроэнергии;
  • коротких замыканий сети;
  • поражений электрическим током.

Главной характеристикой любого диэлектрика принято считать электрическую прочность, характеризующуюся минимальной величиной напряженности электрического поля, при которой происходит пробой диэлектрика. Существуют твердые, жидкие и газообразные диэлектрики, обладающие разной электрической прочностью, например для:

  • слюды или кварца она может составлять 10⁶- 10⁷ В/см;
  • жидкого диэлектрика колеблется в широких пределах и зависит от степени очистки;
  • воздуха при нормальных условиях примерно 3х10⁴ В/см.

Очевидно, что изоляция высоковольтных цепей достаточно сложная задача.

Два типа высоковольтной изоляции

Условно высоковольтную изоляцию принято делить на два типа: внешнюю и внутреннюю. Внешняя изоляция представлена воздушными промежутками:

  • между контактами высоковольтных вводов;
  • шинами высоковольтных проводов и т.д.

Изолируемые проводники расположены на определенном расстоянии друг от друга и заземленных предметов. Изоляция воздушных зазоров и их величины рассчитываются с учетом электрической прочности воздуха и возможных изменений ее величин. При атмосферных изменениях, загрязнениях возможны пробои, однако этот тип изоляции восстанавливает свои свойства после устранения причин пробоя.

Внутренняя изоляция не связана с атмосферой, под ней подразумевают диэлектрические среды:

  • в высоковольтных кабелях;
  • обмоток силовых трансформаторов подстанций;
  • между токоведущими частями в высоковольтном оборудовании и пр.

Данный вид изоляции представлен различными видами диэлектриков, среди которых нашлось место:

  • вакуумной и газовой изоляции;
  • жидкой и твердой разновидностям;
  • бумажно-масляной изоляции;
  • маслобарьерной изоляции.

Вакуум идеален, но трудно реализуем практически. В качестве газовой изоляции используется воздух, азот или элегаз (шестифтор – SF₆). Последний газ наиболее перспективен, поскольку при повышении давления его электрическая прочность стремится к величине твердых диэлектриков, кроме того для элегаза характерны прекрасные дугогасящие свойства и высокая, на порядок выше нежели у воздуха скорость восстановления изоляционных свойств.

Твердая изоляция бывает неорганического (стекло, электрофарфор, слюда) и органического (бумага, картон, гетинакс) происхождения. Кроме того эта группа представлена синтетическими материалами (фторопласт, полиэтилен, компаунды). Жидкие изоляторы – это в основном углеводороды минерального и растительного происхождения (конденсаторное, трансформаторное, касторовое и другие масла).

Бумажно-масляная изоляция представлена многослойной бумажной изоляцией, пропитанной минеральным маслом (трансформаторным, кабельным, конденсаторным), отличается высокой прочностью, низкими потерями и невысокой ценой. Маслобарьерная изоляция в своей основе имеет минеральное масло, увеличивают электрическую прочность специальные барьеры из электрокартона или бумаги.

Главным недостатком внутренней изоляции считается ее старение, снижение свойств в процессе эксплуатации. Сопротивление изоляции со временем ухудшается, разогрев от диэлектрических потерь повышает риск пробоя изоляции. Пробой твердых и полимерных изоляторов имеет необратимый характер.

Причины старения и способы предупреждения аварий

Основными составляющими причин старения внутренней изоляции можно назвать:

  • электрическую – поляризацию, рост диэлектрических потерь, снижение сопротивления;
  • механическую – трещины и разрушения диэлектрика, усталость материала;
  • химическую – окисление, появление радикалов;
  • тепловую – ускоряющую химических реакции.

Для предотвращения аварийных ситуаций высоковольтное оборудование нуждается в регулярных высоковольтных испытаниях.

Смотрите также другие статьи :

Основную угрозу для кабеля СПЭ представляют повреждения оболочки, вероятность которых не исключена при работах по прокладке и монтажу кабельных линий. Такие дефекты в силовых кабелях могут не проявлять себя сразу, но существенно снижать их ресурс.

Большинство крупных электрических соединений между потребителями энергии и источниками осуществляется при помощи кабельных линий. Чаще всего это система параллельных друг другу кабелей, муфт и крепежей. Повреждение даже в самой малой степени чревато как минимум экономическими потерями.

Источник