CC BY
54
УДК 621.315:537.311
В А. ТАРАСОВ, Г.М. МИХЕЕВ, С.Н. БАТАЛЫГИН
ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРОФОРЕТИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ НА РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ПРИМЕСЕЙ В ЖИДКИХ ДИЭЛЕКТРИКАХ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ АППАРАТОВ
Введение. В условиях непрерывно нарастающей степени изношенности основного электрооборудования электроэнергетических систем всё большее значение имеет не только диагностика, но и проектирование и создание новых совершенных устройств, которые отвечали бы требованиям не только сегодняшнего, но и завтрашнего дня. В этой связи выявление узких и слабых мест высоковольтных устройств является весьма актуальным [4]. Эта статья посвящена работе одного из устройств РПН типа РНОА-110/1000, устанавливаемого на силовых автотрансформаторах 220кВ и выше. Как известно, почти все силовые трансформаторы снабжаются регулировочными ответвлениями и специальными переключателями, позволяющими изменять число витков обмотки и тем самым осуществлять регулирование напряжения, так как в электрической сети оно является одним из факторов, который обеспечивает качество электроэнергии, получаемой потребителем.
В статье рассмотрены причины осаждения углеродосодержащих примесей на поверхности бакелитового цилиндра РПН, что в некоторых условиях работы силового трансформатора ведет к пробою изоляции и его отключению. Показано, что эти явления вызваны электрофоретическими процессами в резко неоднородных электрических полях в объеме диэлектрической жидкости.
Теоретическое обоснование. Во многих маслонаполненных высоковольтных устройствах (контакторах РПН, выключателях, высоковольтных вводах и т.д.) имеются системы электродов с различными потенциалами, которые создают в объеме диэлектрической жидкости неоднородное электрическое поле. Хотя высоковольтные устройства проектируются таким образом, чтобы не только снизить напряженность электрического поля, но и максимально его выравнять, полностью исключить вероятность пробоя диэлектрика при всех возможных режимах и условиях работы невозможно из-за неравномерного распределения напряженности во всем объеме этого устройства. В таком поле возникают объемные пондеромоторные силы, вызывающие движение жидкости (электроконвекцию). Объемная плотность пондеромоторных сил, действующих на диэлектрик в неоднородном электростатическом поле, в общем случае определяется по выражению [2, 5]
_ E 2 1 f ds ^
f = -gradp + PE ——gradsa + -gradl E2y-^ I, (1)
где E - напряженность электрического поля; sa - абсолютная диэлектрическая проницаемость; p - давление; у - плотность среды; р - плотность свободных зарядов.
В переменном электромагнитном поле диэлектрическая проницаемость в общем случае представляется в виде комплексной величины [1, 2]
~ = s' - js" ,
где s' - вещественная часть комплексной проницаемости; s" - мнимая часть комплексной проницаемости.
Вещественная и мнимая части диэлектрической проницаемости связаны через тангенс угла диэлектрических потерь:
tg 8=4.
s
Поскольку для диэлектрических жидкостей на промышленной частоте значения тангенса угла диэлектрических потерь не превышают 0,1, мнимая часть диэлектрической проницаемости в десятки раз меньше действительной. В этом случае для расчета электрического поля обычно принимается допущение:
~ = s ' .
При этом диэлектрическая проницаемость считается вещественной величиной.
Из формулы (1) следует, что объемная плотность пондеромоторных сил зависит от напряженности электрического поля и неоднородности среды по диэлектрической проницаемости. В слабополяризующихся диэлектриках принимают допущение о линейной зависимости относительной диэлектрической проницаемости s от плотности у [2, 5]:
s-1
----= су ,
s + 2
где c - коэффициент пропорциональности, тогда
5т 1 У~^ = т so(s- 1)(s + 2).
dy 3
Выражение для объемной плотности пондеромоторных сил в слабополя-ризующихся диэлектриках при отсутствии свободных зарядов упрощается и преобразуется к виду:
f = s-1 (grad)E2. (2)
Из формулы (2) видно, что в электростатическом поле на каждый элемент объема жидкого диэлектрика действует сила, пропорциональная градиенту квадрата напряженности электрического поля и направленная в область с наибольшей напряженностью электрического поля. Поскольку сила про-
порциональна квадрату градиента напряженности, ее направление определяется только формой и расположением электродов и не зависит от того, подано ли на электроды постоянное или переменное напряжение. Поэтому даже в однородном диэлектрике при питании установки переменным током возможно движение жидкости в области с большими значениями градиента квадрата напряженности электрического поля.
В случае наличия в диэлектрике примесей, диэлектрическая проницаемость которых отличается от проницаемости среды, частицы с различной диэлектрической проницаемостью в неоднородном электрическом поле под действием пондеромоторных сил движутся по различным траекториям. Под воздействием электрического поля в дисперсных системах за счет электроконвекции будет происходить перераспределение частиц дисперсной фазы, могут образовываться зоны с высоким содержанием примесей и структуры, ориентированные вдоль силовых линий.
Молекулы диэлектриков с полярными молекулами характеризуются наличием постоянного дипольного момента. В неоднородном поле на диполи действуют силы, под действием которых свободный диполь стремится переместиться в область наибольшей напряженности поля.
Поскольку наибольшая напряженность создается вблизи электродов, возможны осаждение дисперсной фазы на электродах или после непродолжительного движения образование структур, когда к осевшей частице успевают присоединиться другие, образуя цепочку, вытянутую вдоль линий поля. Ди-польное взаимодействие создает очаг структурообразования.
Капельки воды и пузырьки газов изменяют электрическое поле в жидком диэлектрике. Известно, что при помещении в диэлектрик с относительной диэлектрической проницаемости 81 шара с проницаемостью 82 комплексная напряженность поля внутри шара Е2 и напряженность поля в диэлектрике около поверхности шара Е1 будут зависеть от соотношения диэлектрической проницаемости среды 81 и шара 82 [1]:
Е2 = -38— Ео, (3)
281 +82
где Е0 - исходная напряженность поля в диэлектрике в области расположения шара до помещения туда шара.
Напряженность поля в диэлектрике вблизи шара:
Е =- Е2. (4)
є
Из формул (3) и (4) видно, что вблизи капельки воды с относительной диэлектрической проницаемостью 80 напряженность поля в диэлектрической жидкости с относительной диэлектрической проницаемостью 2 возрастает в 2,85 раза. Возрастание напряженности за счет примесей будет вызывать дополнительный перенос примесей в эту область. Таким образом, вследствие
электрофоретических процессов неравномерность распределения примесей в объеме жидкого диэлектрика с течением времени может нарастать, несмотря на то, что согласно законам диффузии должно происходить выравнивание концентрации примесей.
Практическое обоснование. Примером развития такого процесса, например, является осаждение углеродосодержащих отложений на элементах конструкции контактора РПН типа РНОА. При включении на холостой ход автотрансформатора АТДЦН 125000-220/110/6, установленного на одной из узловых подстанций ОАО «Чувашэнерго», сработала газовая защита фазы «С» РПН типа РНОА-110/1000. Для полной ревизии было произведено вскрытие крышек РПН со сливом масла, а затем и демонтаж выемных частей контакторов. Внешний осмотр контакторов показал, что на всех фазах наблюдалось налипание углеродосодержащих отложений на внутренних поверхностях бакелитовых цилиндров (в области между экранами) (рис.1). Однако на фазе С отложений было значительно больше, чем на других фазах. На внутренней поверхности цилиндра в его нижней и верхней частях налипания углеродосодержащих отложений не наблюдалось. Газовая защита РПН сработала из-за мощных частичных разрядов по внутренней поверхности бакелитового цилиндра контактора фазы С (между экранами).
Рис.1. Элементы выемной части РПН типа РНОА-110/1000
Налипание углеродосодержащих осадков на внутренних поверхностях бакелитовых цилиндров объясняется электрофоретическими процессами. Во время переключения РПН с одного положения на другое под нагрузкой между дугогасительными контактами появляется дуга с разложением трансформаторного масла и образованием углеродосодержащих частиц в зоне разряда. В заполненном трансформаторным маслом баке контактора РПН типа РНОА-110/1000 имеются кольцеобразные экраны, один из которых заземлен, а другой находится под потенциалом, равным фазному напряжению (рис.1). По существу, эти экраны предназначены для выравнивания электрического поля в объеме контактора. Однако вблизи экранов имеется неоднородное электрическое поле, в котором возникают пондеромоторные силы, вызывающие электроконвекцию.
Моделирование процесса. Для исследования электрического поля в объеме масла бака РПН был произведен расчет поля двух заряженных колец, находящихся в параллельных плоскостях и окруженных цилиндром при параметрах, соответствующих контактору типа РНОА-110/1000.
Вследствие диффузии примеси должны с течением времени равномерно распределяться по объему масла, однако вследствие электроконвекции с течением времени происходит перемещение примесей в области с высокими градиентами напряженности.
Электрическое поле в объеме масла описывается уравнением Лапласа для комплексного потенциала
V 2V = 0 .
Ввиду различия диэлектрических проницаемостей бакелитового цилиндра и трансформаторного масла на внутренней поверхности цилиндра должны выполняться характерные для поверхности раздела сред с различными диэлектрическими проницаемостями граничные условия непрерывности касательных составляющих напряженности электрического поля: Е1т = Е2т и нормальных составляющих вектора смещения D1n = D2п.
Для потенциала эти условия представляются в виде: ф1 = ф2,
дф1 = дф2
s1a - s 2a ~ *
дп дп
Ввиду линейности уравнения Лапласа функцию V (r, z) можно представить как сумму двух функций [3]:
V(r, z) = ф(r, z) + U(r, z), (5)
где ф (r, z) - функция, описывающая поле системы из двух разноименно заряженных колец в неограниченной в радиальном направлении среде, U(r, z) -функция, учитывающая влияние бакелитового цилиндра.
Электростатическое поле заряженного кольца радиуса rK в цилиндрических координатах (r, z, у), ось z которых совпадает с осью кольца, а начало координат лежит в плоскости кольца, описывается выражением [6]
ф (r, z)=^(^=_^2(------------------------------------------а-, (6)
8п S0e 0 R 8п &0е 0 у r2 + rK 2 + z2 - 2rKR cos у
где д - заряд кольца; Я - расстояние от рассматриваемой точки поля с координатами (г, ¿) до элемента кольца; у - угол цилиндрической системы координат; гк - радиус кольца.
После введения новых переменных а и к в соответствии с равенствами
, 2 4гкг
у = 2а + п и к = ------------
(г + гК )2 + Z2 интеграл (4) преобразуется к виду
П
ф(г..-) = *4^£=т= =-Л=ВД, (7)
2nsosVгкг 0 -\Д - k2 sin2 а 2пео^гкг где K(k) полный эллиптический интеграл 1-го рода.
Электрическое поле двух разноименно заряженных колец, находящихся в параллельных плоскостях на расстоянии 2h, может быть рассчитано по методу суперпозиции полей отдельных колец:
р(г, z) =---qk. К (k)--------¿¡k\ к (ki), (8)
2ле0б^гкг 2ле0бд/гкг
, 2 4гкг
где ki =т------тГк--------7.
(г + гк) + (z - 2h)
Заряды колец q пропорциональны приложенному к ним напряжению Ú и емкости системы С:
q = CÚ.
Напряженность электрического поля определяется через потенциал:
Ё = -gradV (9)
Расчет электрического поля по выражениям (5, 8, 9) показал, что потенциал и напряженность электрического поля в объеме бака контактора типа РНОА-110/1000, заполненного трансформаторным маслом, распределяются резко неравномерно. Из приведенных на рис. 2 картин электрического поля в вертикальном сечении, проходящем через ось колец и бакелитового цилиндра, видно, что наибольшие значения напряженности электрического поля и градиента напряженности наблюдаются около колец. На внутренней поверхности бакелитового цилиндра вблизи колец имеются области с повышенными градиентами потенциала и напряженности. Частицы углеродосодержащего материала вследствие действия пондеромоторных сил перемещаются в эти области и оседают на поверхность бакелитового цилиндра. При этом на поверхности непроводящего цилиндра возникают проводящие участки, которые приводят к изменению электрического поля во всем объеме масла. Расчеты электрического поля показали, что наибольшие изменения происходят в областях между кольцами и внутренней поверхностью бакелитового цилиндра. Из рис. 2, б видно, что оседание на поверхности бакелитового цилиндра углеродосодержащих загрязнений приводит к увеличению градиентов потенциала и напряженности электрического поля в областях между кольцами и внутренней поверхностью бакелитового цилиндра, что, в свою очередь, вызывает более интенсивный перенос в
эти области частиц углеродосодержащего материала и оседание их на поверхности цилиндра. Таким образом, с течением времени вся внутренняя поверхность цилиндра между кольцами оказывается покрытой слоем углеродосодержащих загрязнений, что и наблюдалось при эксплуатации контактора РПН. В этой связи вследствие перераспределения примесей за счет электроконвекции пробы трансформаторного масла, отобранного на анализ с целью определения механических примесей (класса чистоты), могут не соответствовать реальным показателям загрязненности жидкости.
Рис. 2. Картина электрического поля в полости контактора: а - при отсутствии налипания углеродосодержащего осадка; б - при наличии налипания углеродосодержащего осадка
Образование на внутренней поверхности бакелитового цилиндра сплошного слоя углеродосодержащих загрязнений меняет граничные условия на этой поверхности: напряженность электрического поля в области между кольцами и цилиндром существенно возрастает и в этой зоне за счет электроконвекции повышается концентрация загрязняющих примесей, что увеличивает вероятность пробоя. По этой причине по внутренней поверхности бакелитового цилиндра возможен пробой изоляции с последующей работой газовой защиты контактора РПН.
Результаты эксперимента. Для экспериментального исследования влияния электрофоретических процессов на пробой жидких диэлектриков была изготовлена физическая модель бака контактора с экранирующими кольцами. Все детали были уменьшены пропорционально в 4,9 раза по сравнению с реальной моделью. Затем в эквивалентную емкость контактора было залито трансформаторное масло с высоким содержанием примесей. На кольцевые электроды было подано такое напряжение, которое соответствовало численным значениям напряженности электрического поля в баке контактора РНОА-110/1000. Через несколько часов после подачи напряжения произошел пробой цилиндра на уровне установленного нижнего экранного кольца, причем внутренняя поверхность цилиндра и поверхности колец были покрыты черным слоем углеродосодержащих частиц. Результаты эксперимента объясняются тем, что в течение нескольких часов за счет электрофоретических
процессов происходили перераспределение примесей в объеме трансформаторного масла и их осаждение на поверхности цилиндра и колец, а в областях с высокой напряженностью поля (между кольцом и поверхностью бакелитового цилиндра) наблюдалась повышенная концентрации примесей, что вызвало образование частичных разрядов, приведшее к пробою изоляции.
Выводы
1. Во время эксплуатации контактора РПН типа РНОА в баке контактора в неоднородном электрическом поле происходит интенсивная электроконвекция, которая вызывает перераспределение примесей в объеме масла. На внутренней поверхности бакелитового цилиндра на уровне экранных колец в областях с повышенными градиентами потенциала и напряженности электрического поля происходит оседание углеродосодержащих примесей. Это приводит к увеличению градиентов потенциала и напряженности электрического поля в областях между экранами и внутренней поверхностью бакелитового цилиндра, что вызывает более интенсивный перенос в эти области частиц углеродосодержащего материала и оседание их с течением времени на всей поверхности цилиндра. При этом увеличиваются градиенты потенциала и напряженности в областях между экранами и бакелитовым цилиндром, что создает условия для возникновения частичных разрядов и дальнейшего пробоя.
2. Общепринятая методика отбора проб трансформаторного масла из бака контактора РПН типа РНОА не позволяет полноценно судить о количественном загрязнении диэлектрической жидкости.
Литература
1. Даревский А.И., Кухаркин Е.С. Теоретические основы электротехники. Основы теории электромагнитного поля. М.: Высшая школа, 1965. 283с.
2. Ландау Л.Д., ЛившицЕ.М. Электродинамика сплошных сред. М.: Наука, 1992. 661с.
3. Миронов Ю.М., Тарасов В.А., Розенберг В.Л. Принципы аналитического расчета электрических полей неоднородных ванн многоэлектродных печей // Электричество. 1984. №5. С. 64-67.
4. Михеев Г.М., Баталыгин С.Н. Анализ дефектов высоковольтных вводов // Промышленная энергетика. 2005. №3. С. 9-14.
5. ТаммИ.Е. Основы теории электричества. М.: Наука, 1976. 614 с.
ТАРАСОВ ВЛАДИМИР АЛЕКСАНДРОВИЧ. См. с. 284.
МИХЕЕВ ГЕОРГИЙ МИХАЙЛОВИЧ родился в 1955 г. Окончил Чувашский государственный университет в 1982 г. Кандидат технических наук, главный инженер ООО «Инженерий центр». Заслуженный изобретатель ЧР. Область научных интересов - диагностика электрооборудования. Автор 75 научных публикаций.
БАТАЛЫГИН СЕРГЕЙ НИКОЛАЕВИЧ родился в 1975 г. Окончил Краснодарское высшее военное командно-инженерное училище ракетных войск в 1997 г. Директор ООО «Инженерий центр». Автор 15 научных публикаций.
