О методе определения параметров наиболее опасных для изоляции импульсных перенапряжений

ИЗВЕСТИЯ

ТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА

Том 180 1971

О МЕТОДЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ НАИБОЛЕЕ ОПАСНЫХ ДЛЯ ИЗОЛЯЦИИ ИМПУЛЬСНЫХ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ

И. И. КАЛЯЦКИЙ, В. Ф. ПАНИН

Для выбора целесообразных уровней высоковольтной изоляции энергетических систем необходимы данные по электрической прочности изоляции при импульсных перенапряжениях различной формы. Особый интерес представляют формы перенапряжений, при которых импульсная прочность изоляции минимальна.

Возможность установления форм наиболее опасных импульсных перенапряжений появилась в связи с установлением авторами аномального уменьшения импульсной прочности изолирующих сред в определенных областях скорости нарастания импульсного напряжения [1—4].

Согласно данным [1—4] наиболее опасными для изоляции следует рассматривать импульсы, крутизны которых лежат в области критических (для изоляционных конструкций в воздухе критическая крутизна составляет около 7 кв/мксек, в трансформаторном масле — около 150 кв/мксек, для изоляции из твердых диэлектриков — около 30 кв/мксек.).

Типичные формы импульсных перенапряжений — пульсирующие колебательные и апериодические импульсы. Параметрами импульсных перенапряжений, непосредственно связанными со скоростью нарастания напряжения при определенной кратности перенапряжений, являются частота пульсаций и колебаний, а также длительность фронта. Следовательно, для оценки форм импульсных перенапряжений, которые могут представлять наибольшую (при прочих равных условиях) опасность для изоляционных конструкций в различных изолирующих средах и на разные классы напряжения, необходим расчет частот пульсирующих и колебательных импульсных перенапряжений, а также длительностей фронта апериодических импульсов.

При указанном подходе к решению вопроса фронт импульсного напряжения, при котором имеют место минимальные разрядные градиенты, должен располагаться вдоль линий критической крутизны. Следовательно, длительности фронта и частоты колебаний (пульсаций) опасных импульсов определяются видом изоляции и классом напряжения (рис. 1).

В интересах систематичности подхода целесообразно допустить разделение используемой изоляции на три вида: изоляция в газообразной, твердой и жидкой изолирующих средах. Подобное разделение обусловливает определенную идеализацию подхода к решению воп-

178

0,3 итг

Линия Крит Кругпизнб?

аяи/г^

роса. Во-тервых, для диэлектриков одного вида имеются различия в протекании предпробивного процесса, обусловленные различиями в химическом составе, структуре и т. п. Во-вторых, практическая изоляция часто является комбинацией нескольких сред.

Различия в формировании пробоя диэлектриков одного вида носят, по-видимому, более количественный, нежели качественный характер. На это указывает сам факт наличия критических крутизн [3, 4].

В отношении второго момента идеализации следует отметить, что до настоящего времени большинство работ по изучению поведения комбинированной изоляции (в первую очеред^ маслобарьерной) при перенапряжениях различной формы сводится к исследованию простейших однородных конструкций, причем в литературе известны попытки обоснования такой возможности [5 и др.].

При оценке формы опасных импульсов необходимо для любых уровней импульсного напряжения Vа получить выражения для дли- Рис- к методу оценки форм опасных пульси-

трлкнпрти гЬппнтя - яттрпип РУЮЩИХ и апериодических (6) перенапря-

1сльниии фуиша V,}) аисуии жений: Тф1 и Тф2 — длительности фронта опас-

ДИЧескОГО И косоугольного пых перенапряжений для изоляции на разные импульсов, частот колеба- номинальные напряжения

тельного, /,1л и пульсирующего/^ импульсов, соответствующих критической скорости нарастания напряжения акр.

Оценим (стандартным методом [7]) длительность фронта косоугольного импульса, имеющего амплитуду V а — V р и время разряда ^ (рис. 2).

Согласно рис. 2

=

где 1Х и  моменты времени, в которые косоугольная .волна достиг тигает значений 0,3£/й и 0,9иа.

Так как пробой производился в среднем на уровне 0,7^ (рис. 2), то0,3£/д = 0,21£/д = 0,63^7^ , где И'а — полная амплитуда экспо-

ненциального импульса (с постоянной времени т'), на фронте которого осуществлялся пробой.

Для 1Х имеем ! '

1-е =0,21, Л (2|'

откуда • '

и = -^'1п0,79,

12:

179

и, соответственно,

¿2 = -т'1п0,37.

Выразим х' через Для £ = имеем

=0,7,

откуда

т' = .

1,205

Тогда

Рис. 2. К выводу отношения -Ф

^ = —1п0,79, 1,205

— 1п 0,37

1,205

Подставим (7) и (8) в (1) и, решив полученное уравнение относительно Тф, получим

1,06.

В ряде случаев пробой осуществляется на уровнях, отличных

ХгЬ

от 0>7¿7' В связи с этим были определены значения —для интер-

¿Р

вала уровней (0,5 — 0,9) 1)а, который обычно используется в такого

рода измерениях. В указанном интервале значения

тф

составляют

1,07 — 1,027, т. е. близки к значению-— для уровня 0,7и'а. Поэтому

в дальнейшем использовано соотношение (9).

Представляло интерес сравнить мгновенные скорости косоугольного и полного экспоненциального импульсов

U

при различных —В табл. 1 приведены отношения

U

& эк

для двух U.

мгновенных значений напряжения (0,7и 0,96^) и ряда значений ут?-'

а

Таблица 1

Отношение мгновенных скоростей нарастания напряжения косоугольной и полной

- Лкос имгн и«

экспоненциальном волн ( ^^ )для различных значений -д— и Ц7

^мгн иа Ua 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9

0,7 0,9 0,966 2,45 0,937 2,23 0,932 2,02 0,923 1,76 0,922 1,43

В [6] сообщается, что развитие разряда в длинных воздушных промежутках определяется средней крутизной (близкой к стандартной), но не мгновенными скоростями нарастания напряжения. В связи с этим указанные отношения (табл. 1) следует считать удовлетворительными.

Свяжем длительность фронта, соответствующую критической крутизне, с частотами пульсирующих и колебательных импульсов. Нарастание напряжения на фронте пульсирующей волны с амплитудой U и частотой /с05 , без учета затухания, достаточно полно характеризуется выражением

4r

Согласно рис. 3 можно составить уравнение, анологичное (1), где

arc cos

t

¿2 =

2~/cos

arc cos

2 ТС '_/cos

Используя выражения (11), (12) и (1), получим

0,355

*Ф

/

cos

Фронт колебательного импульса (рис. 4), без учета затухания, хорошо воспроизводится выражением

и = ¿/й-5т2к-/ып^. '

Решение, аналогичное случаю пульсирующей волны, дает следующее соотношение между длительностью фронта и частотой затухающих синусоидальных колебаний

0,225

/sill

(15) 181

Рис. 4. К выводу соотношения

На рис.5 сопоставлены импульсы различной формы, но с одинаковыми амплитудами V а и длительностью фронта Как следует из рис. 5, различие в мгновенных скоростях нарастания напряжения пульсирующего, колебательного и косоугольного импульсов еще меньше, чем в случае косоугольной и экспоненциальной волн.

0,9 иа

0}Ъйо

ÍA

Рис. 5. Сопоставление косоугольного импульса с импульсами другой формы

Так как среднее значение крутизны в опыте определялось как [2 — 4], то, принимая во внимание (9), получим среднее значение

tv

критической крутизны

откуда

Якр —

Uа  1,06

ч

¿/«•1,06

а

кр

Подставим (17) в (13) и (15), получим

0,334-аКр

cos

/с /sin =

Ua 0,212- аКр 'Ja

Если в (17), (18), (19) вместо U а подставить значение уровня допустимых перенапряжений для высоковольтной конструкции соответствующего класса напряжения, то можно оценить параметры ХФ j /cos, /sin перенапряжений, которые могут представлять опасность для данной конструкции.

Поскольку в области критических крутизн имеется уменьшение импульсной прочности, опасными становятся перенапряжения, меньшие допустимых ГОСТом.

Расчет Тф, /соз и /^¡п для опасных перенапряжений требует, таким образом, оценки допустимых уровней перенапряжений с учетом аномального уменьшения прочности изолирующих сред в области <акр. Указанная оценка и расчет параметров опасных перенапряжений произведен в [8].

ЛИТЕРАТУРА

1. И. И. Каляцкий, В. Ф. Панин, Изв. вузов СССР — Энергетика, № 6, 1966.

2. В. Ф. Панин. Изв. ТПИ, т. 139, 1965.

3. А. А. Воробьев, И. И. Каляцкий, В. Ф. Панин. Изв. ТПИ, т. 152,

1966.

4. В. Ф. Панин. Изв. ТПИ, т. 159, (в печати).

5. П. Г. Тот ев. Изв. вузов СССР — Энергетика, № 3, 1963.

6. И. С. Стеко льников, А. В. Ш к и л е в. ДАН АН СССР, 151, № 5, 1963.

7. ГОСТ-1516-60, «Трансформаторы, аппараты и изоляторы высокого напряжения», М., 1960.

8. И. И. Каляцкий, В. Ф. Панин. Приближенная оценка параметров импульсных перенапряжений, наиболее опасных для высоковольтной изоляции, (настоящий сборник).