Початок arrow Теорія arrow Анализ результатов расчета электрической прочности изоляции трансформаторов

Анализ результатов расчета электрической прочности изоляции трансформаторов

изоляция силовых трансформаторов

Сопряжение изоляции силовых трансформаторов состоит в установлении таких видов испытаний и испытательных напряжений, а также условий проведения испытаний и схем соединения объекта испытаний с источниками испытательных напряжений, которые бы возможно наиболее полно отражали напряжения и условия, воздействующие на изоляцию в эксплуатации. Адекватность принятых методов испытаний и испытательных напряжений, с одной стороны, и эксплуатации, с другой, может быть подтверждена лишь опытом работы, который оценивается суммарной наработкой (числом трансформаторо-лет безотказной работы) и числом отказов. Получение достаточно надежных значений этих показателей требует длительной эксплуатации большого числа однотипных трансформаторов. Однако при разработке трансформаторов новых типов или конструкций опыт работы может полностью отсутствовать. В связи с этим возникает необходимость оценки надежности и достаточности расчетных запасов электрической прочности изоляции еще на стадии проектирования. При этом задача распадается на две: первая — соответствие стандартизованных норм и методов испытаний условиям эксплуатации, вторая — правильность и точность принятых методов расчетов. Поскольку решение первой задачи относится к собственно координации, здесь будет рассмотрен лишь вторая задача. Ее анализ состоит, в свою очередь, из двух частей: оценки точности расчета воздействий на участки и элементы изоляции при испытательных напряжениях и оценки правильности определения электрической прочности изоляции при этих воздействиях.

Погрешности расчета воздействий при испытаниях

При выполнении любых расчетов реальные физические процессы заменяются математическими моделями, которые в принципе не могут учесть все особенности поведения исследуемых систем, и потому основаны на ряде осознанных допущении. Кроме того, некоторые явления могут быть вообще неизвестны и, следовательно, не отображены в модели.

Погрешности расчета распределения импульсных напряжений

Расчет распределения импульсных напряжений представляет собой решение уравнений, описывающих переходный процесс, возникающий в обмотках трансформатора при воздействии на него импульсного напряжения. Сложность аналитического решения предопределяет применение численных методов решения с использованием компьютеров. При этом приходится принимать ряд допущений с целью упростить и ускорить выполнение расчетов. Отметим наиболее важные допущения.
Первое касается замены реальных обмоток с распределенными параметрами схемой замещения с сосредоточенными параметрами. При такой замене непрерывная обмотка делится на ряд конечных элементарных участков. Участки могут содержать довольно большое число витков, длина которых может быть соизмерима с длиной провода, которую заряды успевают пройти за время фронта импульса или еще меньшее. При расчете емкостного распределения индуктивные связи и движение зарядов не учитываются. В результате существенно искажается электростатическое поле, определяющее начальное распределение и последующий переходный процесс.
Кроме того, не воспроизводятся процессы внутри каждого элементарного участка. В катушечных обмотках элементарный участок обычно включает целую катушку, и, следовательно, не учитывается колебательный процесс внутри катушки. В многослойных цилиндрических обмотках колебания внутри слоев также могут быть причиной больших напряжений между соседними слоями в средней части слоев. Особенно большими перенапряжения внутри катушек и слоев могут быть при срезанных грозовых импульсах, когда высокая частота колебаний после среза вызывает резонанс с собственными частотами колебаний катушек и слоев.
Другое допущение — пренебрежение активными сопротивлениями, т.е. потерями в обмотках и стали, вызывающими рассеивание энергии и затухание колебаний.
Наконец, определенные допущения относятся к расчету электромагнитных связей в обмотках.
Сравнение расчетов импульсных напряжений в обмотках с их измерениями показывает, что расхождение расчета с опытом может достигать 10-15%.

Погрешности расчета электрических полей

Для расчета напряженностей сложное пространственное поле трансформатора делится на части, которые рассматриваются отдельно: поле между обмотками, поле в ярмовой изоляции, поле отводов и т. д. В каждой из частей реальное поле заменяется, как правило, осесимметричным, а в некоторых случаях и плоскопараллельным.
Далее, обмотки делятся на части, которым задаются определенные потенциалы, вместо непрерывного изменения потенциалов вдоль каждой обмотки. Число таких частей (электродов модели) ограничено возможностями программы расчета и используемого компьютера.
В результате ошибка определения напряженностей может составить около 5%.

Точность определения допустимых воздействий

Источники сведений об электрической прочности

Получение надежных данных по электрической прочности изоляции является достаточно сложной и трудоемкой задачей. Наиболее ценные сведения могут быть получены путем испытаний специальных моделей, которые должны быть по возможности максимально приближены к реальным трансформаторам, что требует значительных материальных затрат и времени. По этим причинам стараются использовать все возможные источники данных по прочности. К таким источникам можно отнести опытные данные по эксплуатации трансформаторов, результаты испытаний трансформаторов на заводе-изготовителе или в специализированной лаборатории, испытания специальных моделей изоляционных узлов и конструкций, испытания изоляционных материалов.

Все экспериментальные данные могут быть разделены на две части — данные о выдерживаемых и о повреждающих воздействиях. Оценка допустимых воздействий по выдерживаемым значениям может дать заниженные результаты, по повреждающим — завышенные. Для получения точных результатов надо иметь оба значения.
Сведения, полученные из эксплуатации, малочисленны. Кроме того, сами значения воздействий (обычно напряжений на вводах трансформатора) могут быть определены недостаточно точно как по амплитуде, так и по форме и длительности. Испытания на заводе и в лаборатории полностью собранных трансформаторов, как правило, дают точные данные, но количество таких данных также мало.
Специальные модели имеют существенные отличия от реальных трансформаторов. Эти отличия могут касаться конструкции, распределения напряжений и напряженностей поля. Важным является объем изоляции, подвергающейся испытанию: при малом объеме вероятность повреждения снижается, что приводит к завышению значений допустимых воздействий. Тем не менее, испытания специальных моделей являются главным источником получения данных по прочности изоляционных конструкций. При испытаниях изоляционных материалов не могут быть воспроизведены ни особенности конструкций, ни распределение электрического поля. Эти испытания обычно проводятся специальными, часто условными методами, и могут служить лишь в качестве дополнительных данных.

Критерии определения повреждающих воздействий

Поскольку возникновение и развитие пробоя является сложным процессом, включающим различные этапы, для которых требуются разные уровни воздействия, возникает вопрос выбора того этапа, на котором происходят недопустимые изменения свойств изоляции. Недопустимыми следует считать такие изменения, которые не исчезают после снятия напряжения (необратимые повреждения). Их определение требует тщательного изучения всего процесса развития пробоя. Этот процесс будет различным для разных изоляционных материалов и конструкций. Кроме того, он зависит от формы и длительности воздействия напряжения, от распределения напряженностей в изоляционном промежутке, а также от других влияющих факторов, например, от температуры.
Критерием для определения повреждающего напряжения может быть появление точечных частичных разрядов, их уровень и интенсивность; частичный разряд (перекрытие) в напряженном масляном или воздушном канале; полное перекрытие (пробой) изоляционного промежутка и т.п. Правильность выбора критерия и определения повреждающего напряжения, а следовательно, и допустимого, зависит от того, насколько изучены свойства изоляции и процессы в ней при воздействии повреждающих факторов.

Статистические характеристики электрической прочности изоляции

Наиболее точно определить допустимые воздействия по опытным данным можно, если известен закон распределения вероятностей повреждения в функции от значения воздействия. Обычно распределение вероятностей повреждения изоляции подчиняется нормальному закону или закону распределения Вейбулла.
Допустимое напряжение может быть определено, исходя из среднего пробивного (повреждающего) напряжения, которому соответствует вероятность повреждения 50%. В этом случае должен быть принят определенный интервал между средним и минимальным пробивным напряжением, а также между минимальным пробивным и допустимым напряжением. Последний интервал определяет некоторый гарантированный запас прочности по отношению к пробивному напряжению. Если число опытов достаточно велико для определения среднего квадратичного отклонения, то минимальное пробивное напряжение может быть определено, как соответствующее определенной достаточно низкой вероятности повреждения.

Расчетные запасы прочности

Запасом прочности принято считать разность между допустимым воздействием и воздействием при испытании. Эта величина обычно выражается коэффициентом запаса (К3), равным отношению указанных воздействий. Формально коэффициент запаса не должен быть меньше единицы, но при расчете достаточными считаются более высокие значения К3. Выбор этих значений является предметом экспертной оценки с учетом изложенных выше соображений, а также имеющегося опыта испытаний.
При наличии опыта испытаний конструкций, подобных разрабатываемой, можно считать достаточными расчетные К равные при импульсном напряжении 1,05, при переменном 1,0; для принципиально новых разработок следует увеличить расчетные К соответственно до 1,15 и 1,05.
Для проверки правильности расчетов прочности проводят испытания опытных образцов напряжениями, превышающими нормированные испытательные напряжения на 10-15%. Успешное испытание такими напряжениями хотя бы одного образца позволяет считать, что все образцы серии выдержат нормированные испытания.

 
Влияние концентрации кислорода на окисляемость трансформаторных масел >