CC BY
89
УДК 621.315
Л.Г. Сидельников
ОАО «ТестСервис», г . Пермь
Л.А. Ковригин
Пермский государственный технический университет
НАПРЯЖЕНИЕ ВОЗНИКНОВЕНИЯ И ГАШЕНИЯ ЧАСТИЧНЫХ РАЗРЯДОВ В КАБЕЛЯХ НА СРЕДНЕЕ НАПРЯЖЕНИЕ
Экспериментально определены напряжения возникновения частичных разрядов в кабельных линиях с пропитанной бумажной, поливинилхлоридной и полиэтиленовой изоляцией.
При исследовании частичных разрядов (ЧР) в изоляции считалось достаточным определить напряжение порога ионизации, так как некоторые изоляционные материалы настолько чувствительны к внутренним разрядам, что в них вообще нельзя допускать разрядов [1]. Срок службы изоляции, в которой допускаются частичные разряды, зависит от отношения рабочего напряжения к напряжению порога ионизации. Обычно порог ионизации определяли по возрастанию тангенса угла диэлектрических потерь [2].
В настоящее время система OWTS (Oscillating Wave Test System) позволяет определять напряжение зажигания и гашения частичных разрядов в кабельных линиях с использованием затухающей колебательной волны. Такая волна создается путем разряда кабеля на кашку индуктивности (рис. 1).
Вначале испытуемый кабель отключается с двух сторон. Затем с одной стороны к токопроводящей жиле кабеля подключаются катушка индуктивности L и ЭВМ. От высоковольтного источника постоянного напряжения через ограничительное сопротивление R заряжается емкость кабеля C до некоторого напряжения. После замыкания высоковольтного электронного ключа K образуется контур LC, колебания в котором затухают из-за диэлектрических потерь в изоляции, активного сопротивления катушки и высоковольтного электронного ключа.
Зарядное напряжение повышают на определенную ступень и повторяют измерение. При таком пошаговом повышении напряжения будет определено напряжение зажигания частичных разрядов: чем меньше шаг, тем точнее определяется напряжение.
Рис. 1. Схема создания затухающей колебательной волны в кабельной линии:
Я - ограничительное сопротивление; К - высоковольтный электронный ключ;
Ь - катушка индуктивности; С - емкость кабельной линии
Напряжение гашения частичных разрядов определяется по другой методике. На рис. 2 показаны затухающая синусоида и частичные разряды. В некоторый момент времени, которое соответствует напряжению иг, частичные разряды прекращаются. Это напряжение есть напряжение гашения частичных разрядов.
Рис. 2. Определение напряжения гашения частичных разрядов:
ЧР - частичные разряды; Пг - напряжения гашения ЧР
Многочисленные измерения системой ОШТ8 кабельных линий в г. Перми и Пермской области позволили построить кривые вероятности возникновения и гашения частичных разрядов. Статистическая обработка экспериментальных результатов производилась по формулам [3], представленным далее.
Среднее арифметическое значение X , дисперсию Б и среднее квадратичное отклонение £ определяли как:
1 п 1 п ______
х = -Ё х, Б=т—Ё(х - х)2> £ = 4Б, (1)
Пі=1 (п -1) і=1
где п - число измерений, хі - значения измеряемых величин. Асимметрию А и эксцесс Е определяли по формулам:
1 п 1 п
А = —3------Ё(X -X)3, Е = —---------Ё(хі -х) . (2)
£ (п -1) ІҐ, і }’ £ (п -1) І=і
Собственная дисперсия асимметрии БА и эксцесса БЕ определяются по формулам:
Ба = в{п- 2) , Ве = 24(/п - 2)(п - 3) . (3)
(п + 1)(п + 3) (п +1) (п + 3)(п + 5)
Было исследовано 106 трехфазных линий (318 измерений) с кабелями с пропитанной бумажной изоляцией на напряжение 6 кВ
(ААШв), 70 линий с кабелями с пропитанной бумажной изоляцией на напряжение 10 кВ (ААШв, АСБ), 11 линий с кабелями с поливинилхлоридной изоляцией 6 кВ (ВВГ) и 10 линий с кабелями со сшитой полиэтиленовой изоляцией на напряжение 35 кВ (АПвВнг).
а б
Рис. 3. Гистограмма и плотность распределения напряжения (амплитудное значение) возникновения (а) и гашения (б) частичных разрядов в кабельных линиях на напряжение 6 кВ
На рис. 3 представлены гистограмма и плотность распределения напряжения (амплитудные значения) возникновения и гашения частичных разрядов в линиях с кабелями с пропитанной бумажной изоляцией на напряжение 6 кВ.
В таблице представлены результаты статистической обработки измерений напряжения возникновения и гашения частичных разрядов, из которой видно, что среднее значение напряжения возникновения частичных разрядов (5,8 кВ) больше, чем среднее значение напряжения гашения частичных разрядов (4,99 кВ). Это обусловлено тем, что в пропиточном составе в месте ЧР возникает полость, которая затекает после разряда.
Результаты статистической обработки измерений напряжения (амплитудное значение ит) возникновения и гашения частичных разрядов в кабельных линиях на напряжение 6 кВ (кабели с пропитанной бумажной изоляцией)
№ п/п Параметр Обозна- чение Возникновение ЧР Г ашение ЧР
1 Число измерений п 318 318
2 Среднее арифметическое х, кВ 5,80 4,99
3 Дисперсия Б 2,01 3,10
4 Среднее квадратичное отклонение £ кВ 1,42 1,76
5 Асимметрия А 0,42 - 0,20
6 Эксцесс е - 0,11 - 0,80
7 Собственная дисперсия асимметрия Оа 0,0185 0,0185
8 Собственная дисперсия эксцесса Ое 0,0720 0,0720
9 3<Ол 0,41 0,41
10 5<Бе 1,34 1,34
11 Нормальный закон распределения А < ЗТДА 0,42 > 0,41; нет 0,2 < 0,41; да
12 Нормальный закон распределения |е| < 5,0 0,11 <1,34; да 0,8 < 1,34; да
Согласно критерию Чебышева можно принять гипотезу о нормальности распределения при выполнении соотношений:
\Л\ < 3^, |е| < 5^. (4)
Учитывая, что 3^ БЛ = 0,41 и 5^ БЕ = 1,34, получим:
1) возникновение разряда Л =0,42 > 0,41 = 3ТБ7 (по асимметрии закон отличается от нормального) и Е = 0,11 < 1,34 =5д/БЕ (по эксцессу закон нормальный);
2) гашение разряда Л = 0,20 < 0,41 = 3д/БЛ (по асимметрии закон нормальный) и Е = 0,80 < 1,34 =5д/БЕ (по эксцессу закон нормальный).
Отклонение закона распределения напряжения возникновения частичных разрядов от нормального обусловлено тем, что подъем напряжения осуществляется не плавно, а ступенями через 0,5 кВ, так как при меньших ступенях резко возрастает трудоемкость измерения. На затухающей синусоиде напряжение гашения ЧР регистрируется более четко за 1 измерение.
Для практических целей удобнее пользоваться эффективным напряжением. На рис. 4 представлена кривая распределения напряжения возникновения и гашения частичных разрядов в кабельных линиях на напряжение 10 кВ с бумажной пропитанной изоляцией и 35 кВ с полиэтиленовой изоляцией.
Рис. 4. Плотность распределения напряжения (действующее значение) возникновения 1а, 2а и гашения 1б, 2б частичных разрядов в кабельных линиях на напряжение: 1 - 10 кВ с бумажной пропитанной изоляцией;
2 - 35 кВ с полиэтиленовой изоляцией
Как отмечалось выше, у кабелей с бумажной пропитанной изоляцией напряжения гашения частичных разрядов ниже, чем напряжения возникновения частичных разрядов; у кабелей с полиэтиленовой изоляцией наблюдается обратная зависимость: напряжения гашения частичных разрядов выше, чем напряжение возникновения частичных разрядов. Это обусловлено тем, что в полиэтилене как материале, имеющем высокое удельное объемное сопротивление, накапливаются объемные заряды, особенно вблизи неоднородностей, что снижает напряжение на неоднородностях и, следовательно, повышает порог гашенияЧР.
Класс напряжения (Ц) - это номинальное линейное действующее напряжение на приемнике электроэнергии, на генераторе напряжение в 1,15 выше (ираб.тах = 1,15'ин - наибольшее рабочее напряжение) за счет падения напряжения в линии. Например, со стороны приемника электроэнергии на изоляцию кабеля на линейное напряжение ил = 10 кВ в нормальном режиме работы, т.е. без смещения нейтрали,
воздействует фазное напряжение иф = 10/л/э = 5,8 кВ; со стороны генератора Ц, = 1,15 • 10/>/3 = 6,6 кВ. В России сети от 3 до 35 кВ работают с изолированной нейтралью. В таких сетях при однофазном замыкании на землю не происходит отключения линии, так как не возникает короткого замыкания, однако на неповрежденных фазах напряжение возрастает до линейного или, более точно, до 101,15 =11,5 кВ. На рис. 4 заштрихованной областью показана доля кабельных линий с пропитанной бумажной изоляцией на напряжение 10 кВ, в которых не возникают ЧР при фазном наибольшем рабочем напряжении 6,6 кВ. При однофазном замыкании на землю, когда напряжение на неповрежденных фазах возрастает до 11,5 кВ, во всех кабелях в изоляции идут процессы ионизации.
Для кабелей с полиэтиленовой изоляцией на напряжение 35 кВ
наибольшее рабочее действующее напряжение равно 1,15 • 35/л/3 = 23 кВ. На рис. 4 видно, что кривая 2а лежит ниже этого предела, т.е. во всех кабелях при нормальной работе есть ЧР.
На рис. 5 показана плотность распределения напряжения (действующее значение) возникновения и гашения частичных разрядов в кабельных линиях на напряжение 6 кВ с поливинилхлоридной изоляцией. Так же, как и у кабелей с пропитанной бумажной изоляцией,
напряжение гашения частичных разрядов ниже, чем напряжения возникновения частичных разрядов. Это обусловлено низким удельным объемным сопротивлением изоляции.
Разница между напряжением возникновения и гашения частичных разрядов у кабелей с поливинилхлоридной изоляцией меньше, чем у кабелей с пропитанной бумажной изоляцией, так как изоляция твердая и пустоты не изменяют геометрической формы.
О 2 4 6 г^ф, кВ
Рис. 5. Плотность распределения напряжения (действующее значение) возникновения 1 и гашения 2 частичных разрядов в кабельных линиях на напряжение 6 кВ с поливинилхлоридной изоляцией
На рис. 5 заштрихованной областью показана доля кабельных линий с поливинилхлоридной изоляцией на напряжение 6 кВ (фазное
наибольшее рабочее действующее напряжение 1,15 • б/>/3 = 4,0 кВ), где нет частичных разрядов. Сравнивая рис. 4 и 5, можно сделать вывод, что вероятность возникновения частичных разрядов у кабелей с поливинилхлоридной изоляцией меньше, чем у других. Однако кабели с поливинилхлоридной изоляцией можно эксплуатировать только на напряжение до 6 кВ из-за больших диэлектрических потерь.
Выводы
1. В кабелях с пропитанной бумажной изоляцией напряжение возникновения частичных разрядов больше, чем напряжение их
гашения, из-за образования полостей в пропиточном составе в месте действия частичного разряда. После прекращения ЧР полость заполняется пропиточным составом.
2. В кабелях с полиэтиленовой изоляцией напряжение возникновения частичных разрядов меньше, чем напряжение их гашения, за счет поляризации диэлектрика, особенно около неоднородностей. Полиэтилен по отношению к бумажной пропитанной изоляции имеет намного большее удельное объемное электрическое сопротивление, поэтому объемный электрический заряд дольше сохраняется в изоляции.
3. Сравнение кабелей с бумажной пропитанной, поливинилхлоридной и полиэтиленовой изоляцией показывает, что наибольший порог возникновения частичных разрядов имеют кабели с поливинилхлоридной изоляцией, но такие кабели можно применять на напряжение не более 6 кВ из-за больших диэлектрических потерь в изоляции.
Библиографический список
1. Вайда Д. Исследование повреждений изоляции. - М.: Энергия, 1968. - 400 с.
2. Койков С.Н., Цикин А.Н. Электрическое старение твердых диэлектриков и надежность диэлектрических деталей. - Л.: Энергия, 1968. - 185 с.
3. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике. - М.: Наука, -1978. - 832 с.
Получено 08.07.2009
