CC BY
77
М.И. Баранов, Г.М. Колиушко, В.И. Кравченко
ПОЛУЧЕНИЕ СТАНДАРТНЫХ КОММУТАЦИОННЫХ АПЕРИОДИЧЕСКИХ
ИМПУЛЬСОВ ВЫСОКОГО И СВЕРХВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ
ДЛЯ НАТУРНЫХ ИСПЫТАНИЙ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ
Приведені результати отримання відповідно до вимог міждержавного ГОСТ 1516.2-97 на модернізованому високовольтному устаткуванні експериментального полігону НДПКІ "Молнія " НТУ "ХЛІ" в двоелектродній повітряній системі "голка-плоскість" стандартних комутаційних аперіодичних імпульсів напруги часової форми 205/1900мкс амплітудою до 2 МВ.
Приведены результаты получения в соответствии с требованиями межгосударственного ГОСТ 1516.2-97 на модернизированном высоковольтном оборудовании экспериментального полигона НИПКИ "Молния " НТУ "ХЛИ" в двухэлектродной воздушной системе "игла-плоскость" стандартных коммутационных апериодических импульсое напряжения временной формы 205/1900мкс амплитудой до 2 МВ.
ВВЕДЕНИЕ
При определении электрической прочности изоляции различных электроэнергетических объектов (например, выключателей, разъединителей, высоковольтных вводов, трансформаторов тока, подвесных изоляторов и воздушной изоляции линий электропередачи и др.) сейчас в соответствии с требованиями межгосударственного ГОСТ 1516.2-97 используются генераторы стандартных коммутационных апериодических импульсов высокого и сверхвысокого напряжения временной формы Тя/гя~(250±50)/(2500±750) мкс, где ТП, тИ ~ соответственно время подъема импульса напряжения до своей амплитуды ит и длительность генерируемого импульса напряжения на уровне 0,5-Пт [1, 2]. Обычно полярность этих импульсов выбирается положительной, для которой твердая, жидкая и газовая изоляция объектов промышленной электроэнергетики имеет наиболее низкие разрядные электрические градиенты и соответственно пониженную электрическую прочность [2, 3]. Поэтому создание подобного испытательного электрооборудования на высокое и особенно сверхвысокое импульсное напряжение сопряжено с весьма большими техническими трудностями, материальными и финансовыми затратами. При разработке, выборе элементной базы и изготовлении таких генераторов главной трудностью является ослабленная электрическая прочность их собственных изоляционных конструкций, испытывающих воздействие указанного импульсного напряжения микро- и миллисекундного временных диапазонов. Кроме того, требуется отметить, что при проведении натурных испытаний различных объектов электроэнергетики на электрическую прочность их изоляции часто требуются генераторы коммутационных импульсов напряжения указанных амплитудновременных параметров (АВП) наружной установки.
1. ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СОЗДАННОГО ГЕНЕРАТОРА СТАНДАРТНЫХ КОММУТАЦИОННЫХ АПЕРИОДИЧЕСКИХ ИМПУЛЬСОВ НАПРЯЖЕНИЯ В НИПКИ "Молния" НТУ "ХПИ" в 2012 году был создан и введен в опытную эксплуатацию генератор коммутационных импульсов напряжения (ГКИН), позволяющий проводить в полевых условиях натур-
ные испытания различных объектов электроэнергетики на воздействие стандартных апериодических импульсов напряжения положительной (отрицательной) полярности временной формы Тп/ти~205/1900 мкс при их амплитуде Пт до 2 МВ. Для его создания нами был использован модернизированный генератор импульсных напряжений ГИН-4 этажерочного типа на номинальное напряжение 4 МВ и номинальную запасаемую электрическую энергию 1 МДж (рис. 1) [4, 5], размещенный на открытом воздухе на исследователь -ско-экспериментальном полигоне НИПКИ "Молния" НТУ "ХПИ" (п. Андреевка, Харьковской обл.).
Рис. 1. Общий вид генератора импульсных напряжений ГИН-4 на номинальное напряжение 4 МВ и номинальную запасаемую электрическую энергию 1 МДж, входящего в состав созданного ГКИН на напряжение Пт до 2 МВ [4, 5]
Все низкоомные зарядные резисторы Кз~500 Ом в количестве 32 штук электрических цепей всех высоковольтных каскадов генератора ГИН-4 (рис. 2) при этом были заменены на высокоомные, каждый из которых имел активное сопротивление Яэ~30 кОм (рис. 3) [6]. Данный ГКИН, общий вид которого приведен на рис. 4, содержит в своем составе: мощный генератор ГИН-4 с модернизированными зарядными цепями обеих электрических полярностей на постоянное зарядное напряжение П3 до ±125 кВ и собственным разрядным сопротивлением КР1^440 кОм;
© М.И. Баранов, Г.М. Колиушко, В.И. Кравченко
нагрузочную емкость СН~\Ъ,Ъ нФ на номинальное импульсное напряжение 3 МВ; формирующий резистор Кф~4,28 кОм на номинальное импульсное напряжение 2,5 МВ; дополнительный разрядный резистор КР1~32,1 кОм на номинальное импульсное напряжение 2,5 МВ; токоограничивающий резистор К^4,59 кОм на номинальное импульсное напряжение 2,5 МВ; омический делитель импульсного напряжения ОДН-2 собственной разработки на номинальное напряжение 2,5 МВ.
Рис. 2. Электрическая схема замещения модернизированного генератора импульсных напряжений ГИН-4, подсоединенного в схеме формирования стандартных коммутационных апериодических импульсов напряжения к дополнительному разрядному Кр 1-32,7 кОм, формирующему Кф^4,28 кОм и токоограничивающему К^4,59 кОм резисторам, нагрузочной емкости С#^13,3 нФ и ОИ - двухэлекгродной системе "игла-плоскость" с длинным воздушным разрядным промежутком
Рис. 3. Общий вид основных элементов модернизированного зарядно-разрядного контура (ЗРК) генератора ГИН-4, содержащего в зарядных цепях положительной и отрицательной полярностей своих высоковольтных каскадов 32 штуки высокоомных резисторов Яэ~30 кОм
Рис. 4. Общий вид генератора для формирования на активно-индуктивной нагрузке стандартного коммутационного апериодического импульса напряжения временной формы 205/1900 мкс амплитудой Пт до 2 МВ (слева видна изоляционная опора с нагрузочной емкостью 13,3 нФ, к верхнему потенциальному электроду которой подсоединены формирующий .^^^4,28 кОм и токоограничивающий Кт^4,59 кОм резисторы)
На рис. 5 представлена электрическая схема замещения разрядной цепи ГКИН, содержащая активное сопротивление Я^107,3 кОм высоковольтного плеча омического делителя импульсного напряжения ОДН-2 изготовления НИПКИ "Молния" НТУ "ХПИ", подключенного к выбранному нами объекту испытаний (ОИ) - двухэлектродной системе "игла-
плоскость" с длинным воздушным разрядным промежутком.
Рис. 5. Принципиальная электрическая схема замещения разрядной цепи ГКИН, формирующего на ОИ - длинном разрядном воздушном промежутке двухэлектродной системы "игла-плоскость" стандартный коммутационный апериодический импульс высокого и сверхвысокого напряжения обеих электрических полярностей временной формы Тя/тй^205/1900 мкс амплитудой Пт до 2 МВ
Генератор ГИН-4 согласно схеме на рис. 2 содержит 16 штук высоковольтных каскадов на 250 кВ, каждый из которых имеет восемь импульсных конденсаторов в металлическом корпусе типа КБМГ-125/1 (номинальное напряжение 125 кВ, номинальная емкость 1 мкФ) разработки НИПКИ "Молния" НТУ "ХПИ" и один неуправляемый двухэлектродный воздушный шаровой разрядник ¥ с диаметром электродов 125 мм [4, 5]. Параллельный заряд данных конденсаторов осуществляется от мощного высоковольтного зарядного устройства ГКИН через цепочки заряд ных Яэ~30 кОм (в количестве 32 штук) и разряд-
НЫХ Др^110 кОм (в количестве 16 штук) резисторов на номинальное напряжение до 500 кВ. Каждый из высоковольтных зарядных резисторов Яъ был выполнен на основе последовательно соединенных и залитых эпоксидным компаундом 100 штук объемных графито-керамических резисторов ТВ0-5-300 Ом, а каждый разрядный резистор Яр - из последовательно соединенных и закрепленных на гетинаксовой пластине 50 штук объемных графито-керамических резисторов ТВ0-10-2,2 кОм.
Первая секция высоковольтных конденсаторов нижнего этажа генератора ГИН-4 содержала управляемый трехэлектродный воздушный разрядник - три-гатрон ¥1 [7] с диаметром основных шаровых электродов 125 мм, который управляется путем подачи на его управляющий электрод высоковольтного микросекунд-ного импульса напряжения амплитудой до ±10 кВ от генератора пусковых импульсов (ГПИ) разработки НИПКИ "Молния" НТУ "ХПИ" [8]. Примененный генератор ГИН-4 в разрядной цепи ГКИН характеризуется следующими собственными электрическим параметрами: "емкостью в разряде" СУ=0,125 мкФ; индуктивностью Ьр^80 мкГн; активным сопротивлением Я/^4,5 Ом, определяемым последовательно включенными при срабатывании генератора ГИН-4 его девятью успокоительными (демпфирующими) резисторами Яу^0,5 Ом. Изоляционная несущая конструкция генератора ГИН-4 выполнена на основе 576 шгук фарфоровых опорных изоляторов К0400С [4, 5].
Нагрузочная емкость Сн~ 13,3 нФ разрядной цепи ГКИН выполнена на основе 30 штук последовательно включенных высоковольтных импульсных конденсаторов типа ИК-100-0,4 (номинальное напряжение 100 кВ, номинальная емкость 0,4 мкФ) [9], которые были размещены на изоляционной опоре высотой 11 м (по 3 штуки на ее каждой из десяти секций), собранной из 52 штук фарфоровых опорных изоляторов ОНС-110/1000 (рис. 6). Формирующий резистор Яф^4,28 кОм длиной 8,5 м выполнен из 40 штук последовательно включенных резистивных цепочек, каждая из которых была собрана из двух объемных графитокерамических резисторов ТВ0-60 номиналом 51 и 56 Ом. Дополнительный разрядный резистор ЯР1^32,7 кОм длиной 10 м в нашем случае выполнен из 50 штук последовательно соединенных резистивных цепочек, каждая из которых состоит из двух объемных графито-керамических резисторов ТВ0-60 номиналом 100 и 560 Ом. Токоограничивающий резистор Ят^4,59 кОм длиной 9 м, обеспечивающий протекание в разрядной цепи ГКИН при электрическом пробое воздушного промежутка ОИ апериодического импульса тока амплитудой до 440 А, по аналогии с формирующим резистором Яф был выполнен из 90 штук последовательно включенных объемных графито-керамическихрезисторов ТВ0-60-51 Ом.
Высоковольтное плечо примененного омического делителя импульсного напряжения ОДН-2 (рис. 7) было выполнено на основе девяти последовательно соединенных резистивных секций общей длиной 12,6 м, каждая из которых была изготовлена на основе двух параллельных резистивных цепочек с применением 20 штук объемных графито-керамических резисторов
ТВО-10-2,4 кОм. Измеренное общее активное сопротивление высоковольтного плеча делителя составило Яд^ 107,3 кОм. Низковольтное плечо нашего омического делителя импульсного напряжения ОДН-2 было выполнено из двух маломощных графито-
керамических резисторов ТВО-2-2 Ом с общим активным сопротивлением 4 Ом. При расчетном коэффициенте деления в ОДН-2 Кд^26825 с учетом согласованного подключения омического делителя импульсного напряжения ОДН-2 к ОИ и цифровому осциллографу его масштабный коэффициент в проводимых экспериментах был примерно равным 2^^53650.
Рис. 6. Общий вид созданной и установленной на существующей изоляционной опоре нагрузочной емкости С#^13,3 нФ на номинальное импульсное напряжение 3 МВ, примененной в разрядной цепи описываемого ГКИН
Рис. 7. Общий вид делителя ОДН-2 на номинальное напряжение 2,5 МВ, подсоединенного в разрядной цепи ГКИН к двухэлектродной системе "игла-плоскость"
Заметим, что на рис. 7 двухэлектродная система "игла-плоскость" имела воздушный промежуток длиной 3 м. Причем, верхний круглый заостренный стальной электрод 0 25 мм данной двухэлектродной системы был размещен по центру ее нижнего плоского электрода, выполненного из тонкой оцинкованной стали с габаритными размерами 5x5 м2.
2. НЕКОТОРЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ПОЛУЧЕНИЯ В РАЗРЯДНОЙ ЦЕПИ СОЗДАННОГО ГКИН КОММУТАЦИОННЫХ АПЕРИОДИЧЕСКИХ ИМПУЛЬСОВ НАПРЯЖЕНИЯ На рис. 8 приведена осциллограмма полного стандартного коммутационного апериодического импульса напряжения 7}/ги=205/1900 мкс положительной полярности при его амплитуде U^r622 кВ, полученная в разрядной цепи ГКИН на двухэлектродной системе "игла-плоскость" с длиной воздушного промежутка в 3 м (см. рис. 7). При измерении АВП формируемых ГКИН на используемом ОИ импульсов напряжения был применен омический делитель импульсного напряжения ОДН-2 с экранированной кабельной линией передачи полезного электрического сигнала длиной до 60 ми запоминающий цифровой осциллограф Tektronix TDS 1012, размещенный вдали от ГКИН в заглубленном экранированном измерительном бункере.
Рис. 8. Осциллограмма полного коммутационного апериодического импульса напряжения положительной полярности на двухэлектродной системе "игла-плоскость" с длиной воздушного промежутка в 3 м (и3=±32 кВ; Пт~622 кВ; Гл=205 мкс; тя=;1900 мкс; масштаб по вертикали - 268 кВ/клетка; масштаб по горизонтали - 250 мкс/клетка)
На рис. 9 представлена осциллограмма нарастающей части полного стандартного коммутационного апериодического импульса напряжения положительной полярности амплитудой Пт~966 кВ (7^-205 мкс) на двухэлектродной системе "игла-плоскость" согласно рис. 7 с длиной воздушного промежутка в 3 м. Из данных рис. 9 следует, что на фронте генерируемого с помощью мощного ГКИН стандартного коммутационного апериодического импульса сверхвысокого напряжения (Пт~966 кВ) временной формы Тя/ти=205/1900 мкс наблюдается пикообразный всплеск длительностью до 7 мкс.
Отметим, что этот всплеск напряжения обусловлен особенностями работы генератора ГИН-4 из-за наличия в нем массивного металлического экрана (крыши) площадью до 60 м2 и быстрого заряда его паразитной емкости от разряда импульсных конденсаторов С~1 мкФ всех каскадов при срабатывании разрядников ¥1 и ¥, установленных в ЗРК данного генератора импульсных напряжений.
На рис. 10 показана осциллограмма срезанного станд артного коммутационного апериодического им -пульса сверхвысокого напряжения положительной по-
лярности при пробое на его нарастающей части воздушного промежутка длиной 3 м в используемой согласно рис. 7 двухэлектродной системе "игла-плоскость". Атмосферный воздух при этом характеризовался следующими зафиксированными параметрами: температурой ~19 °С; давлением ~741 мм рт. ст.; относительной влажностью ~76 %. В этом случае импульсное напряжение среза составляло £/<^1030 кВ, а время среза - 7С^110 мкс. Кроме того, важно отметить, что из-за наличия в разрядной цепи созданного ГКИН высокоомного токоограничивающего резистора ¥^4,59 кОм после электрического среза на промежутке ОИ генерируемого им -пульса напряжения на его кривой отсутствуют какие-либо колебания (см. рис. 10).
Рис. 9. Осциллограмма нарастающей части полного коммутационного апериодического импульса напряжения положительной полярности на двухэлектродной системе "игла-плоскость" с длиной воздушного промежутка 3 м (Цз=±51 кВ; ит~966 кВ; 7^205 мкс; масштаб по вертикали - 268 кВ/клетка; масштаб по горизонтали - 50 мкс/клетка)
:
:
■ 1 1 1 1 1 1 VI 1 1 1 1 1 1 1 1 1111 +1111 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1-
; <
:
;
Рис. 10. Осциллограмма срезанного коммутационного апериодического импульса напряжения положительной полярности при электрическом пробое воздушного промежутка длиной 3 мв двухэлектродной системе "игла-плоскость" (и3=±60 кВ; и<~1030 кВ; Г<~110 мкс; масштаб по вертикали - 268 кВ/клетка; масштаб по горизонтали - 50 мкс/клетка)
ВЫВОДЫ
В НИПКИ "Молния" НТУ "ХПИ" на основе модернизированного сотрудниками отдела №6 генератора ГИН-4 в 2012 году был создан мощный стационарный генератор стандартных коммутационных апериодических импульсов напряжения положительной (отрица-
тельной) полярности, способный формировать на активно-индуктивной нагрузке испытательные импульсы напряжения временной формы 7У%~205/1900 мкс с амплитудой ^ до 2 МВ. Данный генератор наружной установки может быть использован для проведения на открытом воздухе натурных испытаний электрической прочности твердой, жидкой и газовой изоляции основных объектов промышленной электроэнергетики к воздействию на них коммутационных перенапряжений амплитудой от сотен до 2000 кВ.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Межгосударственный стандарт ГОСТ 1516.2-97. Электрооборудование и электроустановки переменного тока на напряжение 3 кВ и выше. Общие методы испытаний электрической прочности изоляции. Минск: Изд-во стандартов, 1997. - 31 с.
2. Бейер М., Бёк В., Мёллер К. и др. Техника высоких напряжений: теоретические и практические основы ее применения / Пер. с нем. под ред. В.П. Ларионова,- М.: Энер-гоатомиздат, 1989. - 556 с.
3. ТОСТ 17512-82. Электрооборудование и электроустановки на напряжение 3 кВ и выше. Методы измерения при испытаниях высоким напряжением, - М.: Изд-во стандартов, 1982. - 32 с.
4. Пекарь И.Р., Фертик С.М. Мощная высоковольтная электроразрядная установка на 4 МВ и 1 МДж // Сб. докл. межвуз. конф.: "Электрофизическая аппаратура и электрическая изоляция". - М.: Энергия, 1970. - С. 22-26.
5. Баранов М.И., Бочаров В.А., Игнатенко Н.Н. и др. Мощные генераторы импульсных напряжений и токов предельных параметров для тестирования силового электроэнергетического оборудования // Електротехніка і електромеханіка. - 2003. - № 2. - С. 75-80.
6. Баранов М.И., Зиньковский В.М., Зябко Ю.П. и др. Влияние зарядных резисторов генератора импульсных напряжений на длительность формируемых на нагрузке апериодических импульсов сверхвысокого напряжения // Вісник НТУ "ХПІ". Вип. "Техніка та електрофізика високих напруг". Харьков: НТУ "ХПИ", 2012. - № 52 (958). - С. 15-25.
7. Техника больших импульсных токов и магнитных полей/ Под ред. В.С. Комелькова - М.: Атомиздат, 1970. - 472 с.
8. Бочаров В.А., Пекарь И.Р. Малоиндуктивные генераторы импульсных напряжений // Приборы и техника эксперимента. - 1982. -№ 3. - С. 115-117.
9. Берзан В.П., Геликман Б.Ю., Гураевский М.Н. и др. Электрические конденсаторы и конденсаторные установки: Справочник,- М.: Энергоатомиздат, 1987. - 256 с.
Bibliography (transliterated): 1. Mezhgosudarstvennyj standart GOST
1516.2-97. 'Elektrooborudovanie i 'elektroustanovki peremennogo toka na napryazhenie 3 kV i vyshe. Obschie metody ispytanij 'elektricheskoj prochnosti izolyacii. Minsk: Izd-vo standartov, 1997. - 31 s. 2. Bejer M., Bek V., Meller K. i dr. Tehnika vysokih napryazhenij: teoreticheskie i prakticheskie osnovy ee primeneniya / Per. s nem. pod red. V.P. Larionova.- M.: 'Energoatomizdat, 1989. - 556 s. 3. GOST 17512-82. 'El-ektrooborudovanie i 'elektroustanovki na napryazhenie 3 kV i vyshe. Metody izmereniya pri ispytaniyah vysokim napryazheniem.- M.: Izd-vo standartov, 1982. - 32 s. 4. Pekar' I.R., Fertik S.M. Moschnaya vysokovol'tnaya 'elektrorazryadnaya ustanovka na 4 MV i 1 MDzh // Sb. dokl. mezhvuz. konf.: "'Elektrofizicheskaya apparatura i 'elektrich-eskaya izolyaciya". - M.: 'Energiya, 1970. - S. 22-26. 5. Baranov M.I., Bocharov V.A., Ignatenko N.N. i dr. Moschnye generatory impul'snyh napryazhenij i tokov predel'nyh parametrov dlya testirovaniya silovogo 'elektro'energeticheskogo oborudovaniya // Elektrotehnika i elektromehanika. - 2003. -№ 2. - S. 75-80. 6. Baranov M.I., Zin'kovskij V.M., Zyabko Yu. P. i dr. Vliyanie zaryadnyh rezistorov generatora impul'snyh napryazhenij na dlitel'nost' formiruemyh na nagruzke aperiodicheskih impul'sov sverhvysokogo napryazheniya // Visnik NTU "HPI". Vip. "Tehnika ta elektrofizika visokih naprug". Har'kov: NTU "HPI", 2012. - № 52 (958). - S. 15-25. 7. Tehnika bol'shih impul'snyh tokov i mag-nitnyh polej/ Pod red. V.S. Komelkova.- M.: Atomizdat, 1970. - 472 s. 8. Bocharov V.A., Pekar' I.R. Maloinduktivnye generatory impul'snyh napryazhenij // Pribory i tehnika 'eksperimenta. - 1982. - № 3. - S. 115-117. 9. Berzan V.P., Gelikman B.Yu., Guraevskij M.N. i dr. 'El-ektricheskie kondensatory i kondensatornye ustanovki: Spravochnik.-M.: 'Energoatomizdat, 1987. - 256 s.
Поступила 11.01.2013
Баранов Михаил Иванович, д.т.н., с.н.с.,
Колиушко Георгий Михайлович, к.т.н., с.н.с.,
Кравченко Владимир Иванович, д.т.н., проф.
НИПКИ "Молния"
Национального технического университета "Харьковский политехнический институт".
61013, Харьков, ул. Шевченко, 47
тел. (057) 707-68-41, e-mail: eft@kpi.kharkov.ua
Baranov M.I., Koliushko G.M., Kravchenko V.I.
Generation of standard switching aperiodic impulses of high and superhigh voltage for full-scale tests of electrical power objects.
Results of generation of standard switching aperiodic impulses of 205/1900-^s upto-2-MV voltage in a double-electrode “needle-plane” air system are presented. The impulse generation complies with requirements of intergovernmental State Standard
1516.2-97, rebuilt high-voltage equipment of the experimental ground of NTU "KhPI" Reseach & Design Institute "Molniya" used.
Key words - switching impulses of high and superhigh voltage, full-scale tests, electrical power objects.
