Наше деловое партнерство www.banwar.org

КІМ Є. Д., д.т.н., член експертної ради НП "ЕЛЕКТРОСЕТЬІЗОЛЯЦІЯ"

Пропонується ввести в широку практику застосування дугозащітной арматури, починаючи з ПЛ 35, 110 кВ, замінити алюмінієві екрани полімерних ізоляторів на сталеві з дугоотводящім елементом.

Статистика пошкоджуваності лінійної ізоляції в мережах Росії

"Фірма ОРГРЕС" з 50-х років веде аналіз причин технологічних порушень в роботі енергосистем Росії, що призвели до відключення повітряної лінії (ПЛ) електропередачі [1]. У табл.1 наведені узагальнені дані порушень працездатності окремих елементів ПЛ, звідки можна бачити, що значна частка відмов ПЛ обумовлена ​​пошкодженням ізоляторів. У свою чергу, пошкодження ізоляторів пов'язують з грозовим перенапруженням.

Таблиця 1. Узагальнені дані причин відмов ПЛ "Фірми ОРГРЕС"

Найменування елемента ПЛ Потік відмов у% від загальної кількості З урахуванням грозових перенапруг Без урахування грозових перенапруг Опори 9 13 Проводи і троси 37 52 Ізолятори 23 31 Арматура 3 4 Грозові перенапруги 28 0

Характерні сліди теплового впливу силової дуги на лінійні ізолятори показані на рис. 1.

Більш детальні результати обстеження відмов ізоляторів призводить інститут "Енергомережпроект". Згідно [2] в 1997-2007 роки на ПЛ 110-500 кВ було зареєстровано 2808 випадків пошкодження гірлянд ізоляторів, що склало 29,7% від загальної кількості пошкоджень елементів ПЛ, причому 80% пошкоджень гірлянд ізоляторів сталося на ВЛ 110 кВ.

У цій роботі дано такі співвідношення між причинами і обсягом ушкодження гірлянд ізоляторів:

- атмосферні перенапруги - 29,3%;
- розстріл ізоляторів - 17,5%;
- дефекти виготовлення і монтажу ізоляторів - 17,3%;
- старіння ізоляторів - 7,9%;
- забруднення ізоляції, в тому числі птахами - 8,3%;
- сторонні впливи і недоліки експлуатації - 7,3%.

Таким чином, найчастіше відмови (близько 38%) високовольтної лінійної ізоляції відбуваються внаслідок електричного перекриття при грозових перенапруженнях і через забруднення.

У табл. 2 зведені дані руйнувань ізоляторів на ВЛ110кВ Східних електричних мереж, що входять до складу ВАТ "Іркутська ЕСК", за січень-грудень 2015р. [3]. Потрібно відзначити, що за цей період на лініях більш високого класу напруги дефектні ізолятори встановлені не були, що в загальному узгоджується з висновком [2] про те, що руйнування ізоляторів в більшості випадках спостерігаються на ВЛ 110 кВ.

Табл. 2. Узагальнені дані пошкоджень ізоляторів на ПЛ 110 кВ Східних електричних мереж, що входять в ВАТ "Іркутська ЕСК" за січень-грудень 2015р.

Ізоляція Загальна кількість перекриттів Число перекриттів з ефектом пошкодження Загальна кількість пошкоджених ізоляторів Гроза Зволоження Гроза Зволоження Скло 16 13 + 8 * 2. 3 + 3 * 15 Полімер 4 3 7 Примітка: * - імовірно

До наведених в табл. 2 відмов ізоляторів відносяться тільки ті, які були виявлені безпосередньо після перекриття ізоляції, що, по суті, є "сьогоднішнім" додатковим підтвердженням значимості взаємозв'язку між ушкодженням ізоляторів і електричними впливами. У зведеному документі [3] зазначено, що пошкодження верхнього та нижнього екранів ідентифікувалися як відмова полімерних ізоляторів (див. Рис.1).

За спостережуваний період 1997 - 2004 рр. на ПЛ 220-500 кВ було встановлено 176 розчеплення гірлянд внаслідок пошкодження скляних, фарфорових і полімерних лінійних ізоляторів [2]. Виконані в "СібНІІЕ" лабораторні дослідження [4] показують, що в грозові періоди при перекритті гірлянди, в якій знаходиться "залишок" ізолятора, існує ймовірність протікання крізь внутрішню ізоляцію цього "залишку" струму блискавки і подальшого супроводжуючого струму короткого замикання мережі. Згодом, в замкнутому просторі "залишку" створюється екстремальне тиск, що може привести до механічного руйнування шапки ізолятора, відчеплення гірлянди (рис. 2).

Дугозащітние і екранують пристрої

Як відомо, силова дуга є наслідком короткого замикання мережі, струм якого протікає по искровому каналу, що утворився при перекритті ізоляції під дією грозових перенапруг або ж при робочій напрузі в умови критичного забруднення і зволоження. Тепловий ефект дуги на ізоляцію не тільки визначається струмом і тривалістю горіння, а й траєкторією її руху. Потоки плазми можуть мати різне спрямування в залежності від конструкції розрядного проміжку. Для наочності на рис. 3 схематично показані можливі руху потоку заряджених частинок для випадку короткої дуги [5,6] (годиться, що вплив вітру відсутня). Коли поверхні електродів звернені одна до одної і розташовані по одній лінії (рис. 3а), то потоки плазми, що виходять з електродів, спрямовані назустріч один одному і при невеликій відстані між електродами можуть стикатися, утворюючи розширення стовбура дуги. Якщо поверхню одного з електродів повернута в бік (рис. 3б), напруга на дузі в цьому випадку помітно підвищується, і умови її гасіння полегшуються. Можна так розташувати поверхні електродів, щоб потоки плазми не стикалися один з одним (рис. 3в). Тут потоки плазми спрямовані в різні боки і викидаються за межі стовбура дуги. Шлях струму в стовбурі подовжується, а опір плазми суттєво підвищується, що також сприяє загасання дуги.

Вектор швидкості початкового стовбура дуги визначається кулоновской силою і збігається з вектором електричного поля електрода, тому завжди спрямований перпендикулярно до поверхні металу (див. Рис. 3). Подальша доля стовбура буде залежати від співвідношення термодинамічних процесів розширення гарячого газу і сил Лоренца, які долають зарядженими власним магнітним полем частками. Очевидно, чим довше відстань між електродами, тим сильніше позначиться термодинамічний фактор.

З досвіду проведення електричних випробувань змінною напругою відомо, що, в разі ізолюючої підвіски з кільцевих екраном, опорна точка дуги, як правило, хаотично переміщається по поверхні екрану, обвиваючи ізоляцію. Для того щоб зафіксувати геометричне місце розташування опорної точки - підстави розряду, виявиться достатнім зробити розріз таким чином, щоб створити на екрані ділянку з явно вираженою підвищеною напруженістю електричного поля.

Одним з простих і ефективних способів обмеження теплового впливу силової дуги на твердий діелектрик є встановлення рогових розрядників в паралель з об'єктом, що захищається. Разом з тим на ВЛ Росії і країнах СНД практично не зустрічаються ділянки високовольтних ліній, оснащених повсюдно такого роду пристроями. На проблемних по грозоупорності лініях рекомендується застосовувати швидкодіючі комутуючі апарати, а також лінійні розрядники та обмежувачі напруги, що не завжди здійснюється з різних технічних і економічних причин.

Як правило, згідно з чинним основоположного для енергетиків документу ПУЕ-7 (див. Також стандарт [7]) переважно роги розрядні передбачені для відведення електричної дуги від ізолятора в тросових кріпленнях. Застосовувані на ПЛ напругою, починаючи від 330 кВ, захисні кільця - екрани призначені для вирівнювання напруги вздовж натяжних гірлянд ізоляторів і підвісних гірлянд на ПЛ напругою 500 кВ і вище. Такі екрани повинні забезпечувати зниження рівнів радіоперешкод і виключати появу видимої корони на елементах гірлянд в штатному режимі роботи лінії.

Разом з тим у багатьох країнах Європи, як і в інших країнах світу, використання захисних пристроїв, які суміщають в одному об'єкті дві функції: захист від впливу силової дуги і вирівнювання електричного поля по довжині гірлянд ізоляторів, на сьогодні є стандартною практикою [8]. Першим розробником сучасних дугозащітних пристроїв є всесвітньо відома міжнародна кампанія RIBE [9]. Перші зразки у вигляді витягнутих рогів були розроблені ще за часів початку будівництва повітряних ліній електропередач. Широке застосування дугозащітних рогів почалося ще в 1920 р Завдання перших пристроїв полягала, перш за все, в запобіганні руйнують ефектів від імпульсних грозових перенапруг. У міру розвитку електроенергетики, підвищення класу ВЛ по напрузі і потужності, що передається, з впровадженням нових ізоляційних конструкцій і розумінням фізики виникнення силових дуг, накопиченням досвіду робіт послідовно проводилися дослідження щодо вдосконалення захисних пристроїв, збільшення їх номенклатури. Було потрібно передбачити виникнення дуги і при відсутності перенапруг в мережах, вона може бути ініційована перекриттям по поверхні забруднених ізоляторів. Оскільки найбільша концентрація теплової енергії має місце в опорній точці дуги (в місці контакту з електродом), то дуже важливо було цю область як можна швидше і далі віддалити від металевих елементів ізолятора і від самої ізоляційної конструкції.

Можливість управління дугою "природним" шляхом можна простежити, спостерігаючи за поведінкою дуги, що виникла між паралельними стрижневими електродами. Припустимо, дуга утворилася в середньому межелектродном ділянці через коротке замикання (рис. 4). При цьому индуктируется магнітне поле, обумовлене струмом, що протікає I. Вектор магнітної індукції B при прийнятої на малюнку полярності електродів направлений перпендикулярно до площини контуру, утвореного електродами і дугою. По стовбуру дуги рухаються заряджені частинки під дією сили Fел електричного поля E в дузі, при цьому вони відчувають поперечну силу Fм магнітного поля B, величини і напрямки яких визначаються законом Лоренца:

Оскільки в розглянутому прикладі прийнято, що заряди рухаються від лівого позитивного електрода до правого з негативною полярністю, то магнітна сила, згідно векторному добутку швидкості і магнітної індукції, буде спрямована вгору, таким чином, віддаляючи дугу від джерела струму. Можна показати, що при зміні полярності електродів дуга також зміститься в тому ж напрямку.

Вище розглянутий позитивний ефект був реалізований при розробці так званих "багатосторонніх пристроїв дугового захисту" в зв'язку з впровадженням длінностержневих фарфорових ізоляторів. Ще в 1940 році були створені рогові розрядники, пересічні рогові розрядники, спіральні рогові розрядники та дугозащітние кільця. Ці пристрої, як і раніше знаходять застосування в мережах з невеликими струмами короткого замикання.

Розроблено цілий ряд пристроїв для різних за матеріалами і конструкції ізоляторів, а також різних за напругою ПЛ від 35 до 400 кВ [9,10]. При їх розробці дотримувалися наступних основних положень:

- захисні пристрої виготовляються цілком із сталі з цинковим покриттям товщиною не менше 100 мкм, виконаним гарячим способом;
- електричні характеристики ізолюючої підвіски в комплекті з захисними пристроями відповідають нормованим характеристикам, в тому числі по короні і рівню радіоперешкод;
- при грозових перенапруженнях вище критичних величин перекриття відбувається між захисними пристроями;
- в разі перекриття ізоляції уздовж її забрудненої і зволоженою поверхні підставу дуги миттєво переміщається від крайніх електродів ізоляції до відкритого краю захисного пристрою;
- опорна точка силовий дуги, що виникає слідом за перекриттям, фіксується на передбаченому для цього ділянці захисного пристрою;
- дуга в своєму розвитку не перетинає тіло ізолятора.

Особлива увага приділялася явищу ерозії металу з поверхні наконечника, на якій встановлюється підставу дуги. У зв'язку з цим передбачена лінійка виробів однієї конструкції, але для різних за величиною очікуваних струмів короткого замикання ПЛ. Тому при виборі захисного пристрою рекомендують скористатися наведеною на рис. 7 залежністю між перетином робочого елемента пристрою і струмом. Для відносно великих струмів короткого замикання, 40 кА і більш, з метою економії матеріалу була розроблена спеціальна конструкція, яка відрізняється тим, що до наконечника приварений додатковий сталевий елемент кулястої форми, але з великим перетином (див. Рис.5).

Для ефективності роботи дугозащітних пристроїв важливе значення має просторове їх розташування в залежності від конструкції опори і від типу гірлянди ізоляторів. Загальна рекомендація зводиться до того, щоб мінімізувати термічна дія дуги на ізолятор, при цьому уникнути можливості контакту дуги з сусідніми фазами і з елементами опори. Найбільш важливі з рекомендованих схем наведені на рис. 7. Очевидно, що для натяжна гірлянди опорні точки повинні бути спрямовані вгору у відкритий простір.

Слід зазначити, що, відповідно до затвердженого в лютому 2017 Положенням ПАТ "Россеті" "Про єдину технічну політику в електромережевого комплексі", на ВЛ 220 кВ і вище гірлянди ізоляторів повинні бути забезпечені захисною арматурою.

Оптимізація захисних екранів для лінійних полімерних ізоляторів

Актуальність застосування захисних пристроїв зросла в зв'язку з розширенням застосування композитних ізоляторів на повітряних лініях високої і надвисокої роздільної напружень. Як зазначається в роботі [11], надійність сьогоднішнього покоління композитних ізоляторів, виготовлених відповідно до новітніми технологіями, включаючи жорсткий контроль якості і відстеження, можна порівняти з керамічними ізоляторами. При цьому підкреслюється, що для досягнення належного рівня надійності велике значення має обґрунтованість вибору конструкції ізоляторів. Вибрані ізолятори за своїми електричним і механічним параметрам повинні відповідати реальним експлуатаційним навантаженням, що виникають протягом усього прогнозованого терміну служби. При цьому велика увага приділяється технічним рішенням з вирівнювання потенціалу по довжині ізолятора і зниження максимальної напруженості електричного поля за допомогою застосування захисної арматури. Спостережуване на практиці електричне старіння полімерних ізоляторів найчастіше бере початок під захисною оболонкою на потрійний кордон "Накінечники - стеклопластіковий стрижень - повітря" з боку високого потенціалу [11]. На процеси погіршення ізоляції істотно впливає присутність коронирующим області поблизу цього слабкого ділянки конструкції.

На відміну від керамічної або скляної ізолятора нежорсткий полімерний корпус композитного ізолятора здатний витримувати механічний удар, створюваний тепловим впливом дуги. Крім того, будь-які збитки, викликаний високою температурою, є не таким значним, якщо своєчасно спрацювала коммутирующая система захисту. Тому основна проблема пов'язана не стільки з можливим термічним ушкодженням силового вузла, скільки з можливим порушенням адгезійного шару, що може покласти початок розгерметизації конструкції. Крім того, місця оплавлення металевих деталей ізоляційної підвіски, включаючи екранну арматуру (див. Рис.1), можуть служити джерелами корони і радіоперешкод. Ще в 1992 році, CIGRE WG B2.03, грунтуючись на накопичених в той час дослідах, рекомендував, починаючи з ПЛ 220 кВ, застосування відповідного коронного кільця з боку високої напруги, головним чином через потенційну можливість порушення вимоги за рівнем високочастотних електромагнітних завад [12]. Таким чином, до захисних пристроїв для полімерних ізоляторів повинні бути висунуто жорсткіші вимоги, що стосуються вирівнювання електричного поля в порівнянні з тими, що прийняті для ізоляторів зі скла або фарфору.

Сучасні обчислювальні технології надають можливість моделювати тривимірне електричне поле високовольтних ізоляційних конструкцій з урахуванням впливу металевих елементів опори і впливу сусідніх фаз. Багатьма авторами були розроблені цільові програмні засоби, виконані комплексні чисельні дослідження різних високовольтних об'єктів, що дозволило відкоригувати раніше прийняті технічні рішення на більш якісному рівні [13-15].

Результати пошуку оптимальних рішень безпосередньо залежать від обґрунтованості критеріїв оптимальності. В даний час на основі багаторічних спільних робіт, виконаних дослідними інститутами STRI (Swedish Test Research Institute) і EPRI (Electric Power Research Institute, USA), прийняті наступні гранично допустимі значення напруженості електричного поля [16]:

- 1,8 кВ / мм на поверхні захисної арматури;
- 0,42 кВ / мм уздовж поверхні оболонки завдовжки 10 мм від краю оконцевателей;
- 0,35 кВ / мм на кордоні Накінечники - оболонка - повітря.

Слід Зазначити, что для обґрунтування критичних параметрів були вікорістані результати АНАЛІЗУ великих Даних досвіду ЕКСПЛУАТАЦІЇ полімерних ізоляторів. Було проведено комплекс експериментальних досліджень, виконаних на зразках і на повномасштабних моделях ізоляторів різних за класом напруги і за конструктивним виконанням. Встановлювалися напруги початку видимої корони з одночасним вимірюванням рівнів радіоперешкод згідно IEC 61284. Досліди проводилися як в сухому стані, так і після окроплення поверхні ізолятора водою із заданою провідністю за новою методикою "Water Drop Corona Induced". Експериментальні дані зіставлялися з результатами чисельних досліджень.

В роботі [16] були виконані розрахунки поля ізоляторів в комплекті з використовуваними на сьогодні стандартними захисними пристроями RIBE. Приклад розрахунку поля ізолятора класу 400 кВ в кольоровому відображенні ілюструє рис. 8. За малюнком візуально можна провести якісний аналіз розподілу поля по поверхні досліджуваного об'єкта, в даному випадку, на поверхнях захисної арматури. Там же приведена фотографія початковій корони, по якій можна прогнозувати місця опорної точки дуги і вектор стовбура дуги в початковий момент розвитку, що узгоджується з результатами розрахунку. За результатами досліджень були сформульовані рекомендації з розробки нових і оптимізації існуючих конструкцій з урахуванням наведених критеріїв. Наголошується на необхідності у зваженому підході при виборі захисних пристроїв для полімерних ізоляторів і доцільність проведення випробувань на корону відповідно до IEC 61284.

Висновки, рекомендації

Видається виправданим введення в практику організації лінійної ізоляції обов'язкового застосування дугозащітних пристроїв на ділянках ліній ПЛ 35-110 кВ.

Екранна арматура для полімерних ізоляторів повинна бути виготовлена ​​зі сталі і забезпечувати дугоотводящую функцію.

Доцільно розробити нормативні документи, що регламентують технічні умови по розробці, вибору і експлуатації пристроїв захисту ізоляторів від теплового впливу силової дуги, одночасно забезпечують вирівнювання електричного поля.
література

1. Л.В. Яковлєв, Р.С. Каверіна, Л.А. Дубініч. Комплекс робіт н пропозицій щодо підвищення надійності ПЛ на стадії проектування і експлуатації / Третя Російська з міжнародною участю. Н-П конференція "ЛЕП 2008: Додати Проектування, будівництво, досвід експлуатації та науково - технічний прогрес". Новосибірськ. 2008., С.28-51

2. Е.Н. Єфімов, Л.В. Тимашова, Н.В. Ясінська, С.Ю. Батя. Оцінка пошкоджуваності компонентів повітряних ліній електропередачі напругою 110-750 кВ в 1997-2007 рр. в Росії / Четверта Російська науково-практична конференція з міжнародною участю: ЛЕП-2100: Проектування, будівництво, досвід експлуатації та науково - технічний прогрес. Збірник доповідей. 15-17 вересня 2010 р С159-1662.

3. Зведені дані про аварійні відключення ВАТ "ІЕСК" за січень-грудень 2015р. https://www.google.com.ua/search?q=Сводные+данные+об+аварийных+отключениях+ОАО+"ИЭСК"+за+январь-декабрь+2015г .

4. Е.В. Яншин, А.Г. Тарасов, М.Ч. Ігтісамов. Оцінка небезпеки механічного руйнування "залишків" / Четверта Російська науково-практична конференція з міжнародною участю: ЛЕП-2100: Проектування, будівництво, досвід експлуатації та науково - технічний прогрес. Збірник доповідей. 15-17 вересня 2010 р С167-177

5. Д.А. Брега, С.І. Планка, Е.В. Цегельник. Моделювання процесу переміщення опорного плями дуги по стінці каналу плазмотрона / Національний аерокосмічний університет ім. Н.Є. Жуковського "ХАІ". Відкриті інформаційні та комп'ютерні інтегровані технології № 57, 2012. С.110-116

6.Електріческая дуга змінного струму і її гасіння

http://leg.co.ua/knigi/oborudovanie/elektricheskaya-duga-peremennogo-toka-i-ee-gashenie-4.html

7. Стандарт організації ВАТ "ФСК ЄЕС". СТО 56947007-29.120.20.066-2010. Захисна арматура для ВЛ. Технічні вимоги

8. Arcing Horns & Corona Rings / INMR: Independent T & D Information. September 22, 2014

9. RIBE. Power ars protection and corona control fittings. Online-Catalogue. Pfad: Arcing rings and grading rings / Introduction / General / Gedruckt am: 16. Januar 2012

10. PFISTERER (LAPP). OVERHEAD LINES. Innovative Solutions for Distribution and Transmission Lines
http://www.pfisterer.com/fileadmin/pfisterer/downloads_en/Overhead_Lines_AI_en.pdf

11. F. Schmuck, J. Seifert, I. Gutman, A. Pigini: "Assessment of the condition of overhead line composite insulators", Paris, CIGRE-2012, B2-214

12. Protecting Composite Insulators from Corona / INMR. November 4, 2013

13. Nihal Mohan. Optimum Corona Ring Design for High Voltage Compact Transmission Lines Using Gaussian Process Model / A Thesis Presented in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree Master of Science. ARIZONA STATE UNIVERSITY August 2012. P127

14. Doshi, T .; Gorur, RS; Hunt, J .; , "Electric Field Computation of Composite Line Insulators up to 1200 kV AC", IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, vol. 18, no. 3, pp. 861-867, June 2011

15. S. Ilhan, A. Ozdemir. 380 kV Corona Ring Optimization for ac Voltages, IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation Vol. 18, No. 2; April 2011P408-417

16. AJ Philips, AJ Maxwell, CS Engelbrecht, I. Gutman: "Electric Field Limits for the Design of Grading Rings for Composite Line Insulators", IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 30, No. 3, June 2015 року, pp 1110-1118