Глава 1. Расчет высоковольтных вводов

Высоковольтные вводы являются неотъемлемой частью высоковольтного оборудования (трансформаторов, шунтирующих реакторов, масляных выключателей, КРУЭ), а также применяются как самостоятельный элемент закрытых распределительных устройств.

По назначению вводы подразделяются:

• вводы для трансформаторов (автотрансформаторов);

• вводы для реакторов;

• вводы для масляных выключателей;

• вводы для КРУЭ;

• линейные вводы.

По виду внутренней изоляции вводы изготавливаются:

• с маслобарьерной изоляцией;

• с бумажно-масляной (OIP) изоляцией;

• с элегазовой изоляцией;

• с твёрдой изоляцией двух типов (RBP и RIP).

RBP – (Resin Bounded Paper) изоляция, разработанная в начале 60-х годов. Остов изготавливается намоткой на трубу кабельной бумаги, покрытой изоляционным лаком, который склеивает слои бумаги. Снаружи остов покрывается эпоксидным компаундом. RIP – (Resin Impregnated Paper) изоляция изготавливается намоткой крепированной бумаги производства фирм «Weidman Systems International AG» (Швейцария) или «Karl Fislage GmbH& Co. KG» (Германия), которая затем пропитывается эпоксидным компаундом под вакуумом с последующим отверждением под давлением.Пространство между изоляционным остовом и покрышкой заполняется трансформаторным маслом для улучшения теплоотвода.

По типу внешней изоляции в соответствии с ГОСТ 9920-89 вводы различаются в зависимости от степени загрязнения окружающей среды (табл. 1.1).

Таблица 1.1

 

Во вводах, разработанных до 01.07.1990г.	Во вводах, разработанных после 01.07.1990г.
А – нормальная внешняя изоляция	I – лёгкая степень загрязнения
Б – усиленная внешняя изоляция	II – средняя степень загрязнения
В – особо усиленная внешняя изоляция	III – сильная степень загрязнения
	IV – очень сильная степень загрязнения

По номинальному напряжению вводы изготавливаются на классы напряжения: 20, 24, 35, 66, 110, 150, 220, 330, 500, 750, 1150 и 1500 кВ.

По номинальному току вводы рассчитаны на токи: 150, 315, 400, 500, 630, 800, 1000, 1250, 1600, 2000, 2500, 3150, 6300, 8000. 14000. 18000 и 20000 А.

По климатическому исполнению вводы выпускаются для эксплуатации в районах:

• с умеренным климатом (У);

• c холодным климатом (ХЛ);

• c умеренным и холодным климатом (УХЛ);

• с тропическим климатом (Т);

• с влажным тропическим климатом (ТВ);

• общеклиматического исполнения (О).

По конструктивному исполнению высоковольтные вводы делятся:

– на герметичные;

– негерметичные;

– маслоподпорные.

Маслоподпорные вводы герметичные, но имеют общую масляную систему с оборудованием, на котором они устанавливаются.

Внешний вид некоторых типов высоковольтных вводов с указанием основных конструктивных элементов, представлен на рис. П1.1-П1.3 приложения, а на рис. П1.7-П1.8 показан вид изоляционного остова с конденсаторными обкладками.

Основными этапами при проектировании высоковольтных вводов являются: расчет наружной изоляции, определение числа и размеров ребер фарфоровой покрышки, расчет внутренней изоляции, оценка необходимости применения конденсаторных обкладок для выравнивания электрического поля, определение радиальных размеров, механический расчет фарфоровой покрышки и узла крепления ввода к аппарату, оценка тепловой устойчивости, расчет маслорасширителя, радиуса экрана, пружин для компенсации теплового расширения токопроводящего стержня, анализ надежности и долговечности.

 

Рассмотрим в качестве примера расчет высоковольтного ввода с комбинированной бумажно-пленочной изоляцией на напряжение 110 кВ для трансформаторов.

 

Согласно рис. 1.1 длину пути тока утечки Lут можно определить графически с помощью курвиметра или рассчитать приближенно.

Если рассчитанное значение длины пути тока утечки Lут окажется меньше регламентированного ГОСТ 9920-89, то необходимо внести поправки в размеры ребер и их форму.

 

Расчет внутренней изоляции.

В качестве внутренней изоляции высоковольтных вводов может использоваться маслобарьерная, бумажно-масляная, комбинированная бумажно-пленочная или чисто пленочная изоляция. Часто для пропитки бумажной изоляции используют различные смолы, которые после отверждения образуют твердую изоляцию [1, 2]. В большинстве случаев для выравнивания электрического поля в изоляционном остове применяют конденсаторные обкладки, которые делят его на ряд последовательно соединенных емкостей. Под воздействием приложенного напряжения на них накапливается электрический заряд и создается своя разность потенциалов. За счет этого происходит более равномерное распределение напряженностей электрического поля по сравнению с изоляционным остовом, не имеющим обкладок.

При изменении длин и радиусов обкладок изменяется и емкость слоев изоляции. Это позволяет регулировать распределение напряженностей электрического поля в слоях изоляции и обеспечить условия, когда . В зависимости от соотношения радиальных и аксиальных размеров конденсаторных обкладок различают три варианта.

а) Обеспечение постоянства длин уступов и толщин слоев изоляции между обкладками. Это удобно с технологической точки зрения, однако в этом случае радиальная и аксиальная напряженности поля непостоянны и для обеспечения заданных разрядных характеристик приходится увеличивать диаметр и длину ввода.

б) Обеспечение постоянства радиальной напряженности поля. В этом случае длина уступов получается различной, что затрудняет изготовление изоляционного остова.

в) Обеспечение постоянства аксиальной напряженности поля при постоянстве длин уступов. В этом случае при выполнении условия толщина изоляционного слоя между соседними обкладками и радиальная напряженность поля будут различными. Минимальное значение радиальной напряженности поля имеет место, когда соотношение . На практике обычно принимают значение z = 3.6÷4.1.

Величина допустимой напряженности электрического поля определяется электрической прочностью выбранной изоляции. Для бумажно-масляной изоляции эта величина составляет порядка 10÷14 МВ/м, а для пленочной (полипропиленовой) изоляции – 25÷30 МВ/м. В случае комбинированной бумажно-пленочной изоляции, состоящей из последовательно соединенных слоев пропитанной бумаги и пленки, значение необходимо рассчитывать с учетом объемной доли, занимаемой каждой компонентой. В случае приближенных расчетов при равном количестве слоев бумаги и пленки одинаковой толщины это значение может быть принято первоначально порядка 20 МВ/м.

Рассмотрим в качестве примера расчет изоляционного остова на основе комбинированной бумажно-пленочной изоляции, как наиболее сложной.

 

 

 

Из приведенного расчета видно, что выполнение условия устранения коронных разрядов приводит к значительному уменьшению допустимой напряженности электрического поля. Учитывая это, на практике края обкладок заворачивают в виде манжет (и др. способы), что позволяет повысить напряжение развития коронных разрядов в 1.5 – 2 раза и, соответственно, увеличить значение допустимой напряженности электрического поля.

Для проведения дальнейших расчетов необходимо выбрать вариант выравнивания напряженностей электрического поля, о чем говорилось ранее.

1.2.12. Расчет емкости отдельных слоев между обкладками может быть произведен после определения значения диэлектрической проницаемости комбинированной изоляции. Для комбинированной бумажно-масляной, бумажно-пленочной или твердой изоляции значение ее диэлектрической проницаемости должно определяться с учетом значений диэлектрической проницаемости отдельных компонентов, входящих в изоляцию (диэлектрической проницаемости бумаги, пропитанной маслом или смолой, диэлектрической проницаемости полимерной пленки и др.). Для этого из справочной литературы находятся значения диэлектрической проницаемости отдельных компонентов (бумаги, клетчатки, пропитывающей жидкости и полимерной пленки) при какой-то одной температуре, а затем рассчитывается значение диэлектрической проницаемости комбинированной изоляции по известным уравнениям [1, 3].

Произведем в качестве примера расчет значения диэлектрической проницаемости бумажно-пленочной изоляции (при пропитке бумаги трансформаторным маслом) на основе данных, найденных из справочной литературы при 20 ⁰С.

 

 

Из рис. 1.2, 1.3 видно, что при заданных условиях расчета падения напряжения на слоях изоляции при рабочем напряжении превышают напряжение развития коронных разрядов, а напряженность электрического поля при сухоразрядном напряжении превышает допустимую напряженность поля. Ранее отмечалось, что для увеличения напряжения развития короны можно заворачивать края обкладок в виде манжет. Примем коэффициент возрастания напряжения развития коронных разрядов при использовании манжет равным 1.5. Произведем перерасчет и представим результаты в виде табл. 1.4 и табл. 1.5 и графиков, приведенных на рис. 1.4 и рис. 1.5.

 

 

Из рис. 1.4 и рис. 1.5 видно, что использование манжет позволяет выполнить условия, когда и .

Учитывая, что комбинированная изоляция представляет последовательное соединение слоев пропитанной бумаги и пленки, произведем проверку их на электрическую прочность на примере наиболее нагруженного слоя изоляции, расположенного между токопроводящим стержнем и первой обкладкой.

 

Вывод: Из проведенного расчета следует, что действующие напряженности электрического поля при расчетном напряжении в слоях пропитанной бумаги и пленки не превышают значений электрической прочности этих материалов и даже имеется определенный запас, что указывает на возможность повышения расчетных нагрузок.

 

Механический расчет

В процессе работы высоковольтные вводы подвергаются воздействию различных механических нагрузок (рабочие изгибающие нагрузки за счет сил натяжения проводов или шин, электродинамические силы при токах короткого замыкания, внешние нагрузки от ветра и гололеда и др.). К основным элементам, которые подвергаются этим нагрузкам, относится фарфоровая покрышка и узел ее крепления к фланцу.

 

2.1. Расчет фарфоровой покрышки.

 

Под воздействием приложенных механических нагрузок фарфоровая покрышка подвергается изгибу. Учитывая, что прочность фарфора на изгиб самая низкая, произведем ее расчет на изгиб. Наиболее опасным сечением покрышки является место ее соединения с фланцем.