среда, 14 августа 2013 г.

ВЫСОКОВОЛЬТНЫЕ ВВОДЫ ДЛЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ И МАСЛЯНЫХ ВЫКЛЮЧАТЕЛЕЙ С RIN-ИЗОЛЯЦИЕЙ


ВЫСОКОВОЛЬТНЫЕ ВВОДЫ  ДЛЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ И МАСЛЯНЫХ ВЫКЛЮЧАТЕЛЕЙ С RIN-ИЗОЛЯЦИЕЙ


Рисунок 1 – Высоковольтный ввод с RIN-изоляцией

В статье представлен новый вид высоковольтных вводов с RIN-изоляцией (Resin Impregnated Nonwoven) для силовых трансформаторов и масляных выключателей, показанный на Рисунке 1. Вводы имеют твердый остов, который изготавливают как по технологии RIP-изоляции, вместо крепированной бумаги (Paper) в качестве основы для пропитки используют полимерный нетканый материал (Nonwoven). Новый материал изоляции отличается высокими электроизоляционными, механическими и водоотталкивающими свойствами.


I. ВВЕДЕНИЕ

Одной из причин, связанной с повреждаемостью вводов, является увлажнение твердой изоляции вводов при неправильном хранении и эксплуатации. Самая современная твердая RIP-изоляция (Resin Impregnated Paper - бумага, пропитанная смолой) тоже подвержена воздействию влаги, хотя и в меньшей степени, чем изоляция типа RBP (Resin Bonded Paper - бумага, склеенная смолой), которая выпускалась до 2004г. Даже термовакуумная пропитка эпоксидным компаундом не устраняет полностью гигроскопичность бумаги. Молекулы компонентов компаунда имеют большие размеры по сравнению с размерами молекул воды и не в состоянии создать полную непроницаемость для влаги, так как в наиболее мелкие поры бумаги они не могут проникнуть. Субмикропоры между молекулами целлюлозы ~ 10 Å, макропоры  ~25 ÷ 40 Å, молекулы воды ~ 2,5 Å, а размеры молекул компонентов эпоксидного компаунда ~ 30 ÷ 50Å [1].
Основными причинами потери изоляционных свойств у вводов является несоблюдение условий хранения вводов, предписанные производителем. Для транспортировки и хранения вводов используют водонепроницаемую упаковку, внутрь помещают осушающий материал. Долговременное хранение вводов, как рекомендуют многие производители, например, HSP, возможно только в защитной металлической емкости, нижняя часть ввода с трансформаторной стороны должна быть залита маслом.
Однако, после поступления на склад, потребитель обязан проводить приемочные испытания, после которых ввод необходимо опять тщательно упаковать для защиты от влаги. Последнее условие выполняется не всегда, в этом случае влага воздуха может проникать в основную изоляцию. При длительном воздействии влаги наблюдаются видимые следы коррозии  (Рисунок 2), проявляющиеся в изменении цвета изоляции [2]. Но даже незначительное попадание влаги без видимых следов приводит к возрастанию уровня частичных разрядов и сокращению сроков службы, а в условиях эксплуатации надежное измерение уровня ЧР невозможно из-за влияния близкорасположенного электрооборудования. Таким образом, незначительное увлажнение изоляции ввода в условиях эксплуатации не диагностируется, но приводит к уменьшению срока службы ввода.

2. ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА НОВЫХ ВВОДОВ НА ОСНОВЕ ПОЛИМЕРНОГО НЕТКАНОГО МАТЕРИАЛА

2.1 Изготовление изоляции.
С целью увеличения стойкости твердой изоляции к действию влаги решили заменить крепированную бумагу, которая обладает высокой гидрофильностью. Для изготовления новой изоляции типа RIN мы использовали полимерный нетканый материал, который обладает хорошими водоотталкивающими свойствами и может легко пропитываться электроизоляционным компаундом. Такие нетканые материалы во всем мире используют для производства высококачественных легких композитных изделий. В Таблице 1 приводятся основные показатели крепированной бумаги и полимерного нетканого материала.

Поврежденная водой поверхность ввода с RIP-изоляцией.

Рисунок 2 – Поврежденная водой поверхность ввода с RIP-изоляцией.
Правильное концентрическое расположение обкладок на срезе  RIN-изоляции

Рисунок 3 –  Правильное концентрическое расположение обкладок на срезе
RIN-изоляции

Таблица 1 – Показатели материалов на основании данных производителей и результатов лабораторных исследований.
Показатель
Крепированная бумага
Нетканый материал
Зольность, %
< 1
< 1
Остаточная влажность, %
6 - 9
< 0,1
Прочность на разрыв, Н
> 50
> 80
Относительное удлинение, %:
-продольное направление,
-поперечное направление

90 - 110
3,0 - 3,0

< 39
< 35

В отличие от крепированной бумаги, которая имеет рельефную поверхность, полимерный нетканый материал гладкий, что определяет правильное концентрическое расположение обкладок внутри изоляции в процессе намотки и после отверждения (Рисунок 3). При этом достигается более однородное распределение электрического поля внутри RIN-изоляции, надежность ее повышается.
Из Таблицы 1 следует, что полимерный нетканый материал имеет преимущество над крепированной бумагой, он является гидрофобным, не содержит воды. Это позволяет отказаться от термовакуумной сушки изоляций перед пропиткой, что значительно сокращает технологический процесс изготовления вводов и в конечном счете сокращает срок поставки вводов заказчику. Отказ от проведения такой сложной технологической операции как термовакуумная сушка также позволяет существенно повысить надежность нового типа изоляции. Остаточная влага после сушки намотанных изоляций является вероятной причиной дефектов, так как вода в порах крепированной бумаги может вызвать очень сильный экзотермический эффект реакции отверждения эпоксидного компаунда, а в процессе эксплуатации при низких температурах закристаллизоваться. Все это увеличивает вероятность образования микротрещин внутри RIP-изоляции и разрушения во время эксплуатации [1].
Технология изготовления RIN-изоляции практически полностью повторяет процесс производства RIP-изоляции. На первом этапе производят намотку нетканого материала на токоведущие трубу или стержень с закладкой уравнительных обкладок для контроля электрического поля (Рисунок 4).
Таким образом, сразу после намотки проводят термовакуумную пропитку эпоксидным компаундом и отверждение как при изготовлении RIP-изоляции.



Намотка RIN-изоляции полимерным нетканым полотном

Рисунок 4 – Намотка RIN-изоляции полимерным нетканым полотном
 Ввод с основной RIN-изоляцией 220 кВ на участке сборочного цеха

Рисунок 5 – Ввод с основной RIN-изоляцией 220 кВ на участке сборочного цеха

2.2 Производство вводов.
После получения требуемой геометрической формы RIN-изоляции при токарной обработке производят сборку ввода нового типа. Завод «Изолятор» серийно выпускает вводы с внешней фарфоровой и силиконовой изоляцией. По требованию потребителей вводы с фарфоровыми покрышками могут заполняться маслом, изоляционным газом или сухим наполнителем.
Завод «Изолятор» одним из первых в мире получил патенты на изготовление вводов с внешней силиконовой изоляцией, которая отливается непосредственно на поверхность основной твердой изоляции ввода [5,6]. Отсутствие клеевых соединений, наполнителя и уплотнений в таких вводах полностью исключает проникновение влаги и агрессивных веществ из атмосферы и повреждение твердой изоляции. Силиконовая изоляция обеспечивает надежную работу ввода, исключает необходимость их обслуживания, т.е. периодическую очистку внешней изоляции.
Силиконовая резина, как было доказано, имеет прекрасную адгезию не только к RIP, но и к RIN-изоляции. При проверке прочности на отрыв каждый раз происходил когезионный разрыв материала (Рисунок 6).

Когезионный отрыв при качественной проверке адгезии  RTV-2 силиконовой резины к поверхности RIN-изоляции


Рисунок 6 – Когезионный отрыв при качественной проверке адгезии
RTV-2 силиконовой резины к поверхности RIN-изоляции.

Новые вводы с силиконовой и фарфоровой внешней изоляцией были подвергнуты высоковольтным испытаниям. Результаты некоторых из них представлены ниже.

3. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ


Таблица 2 – Результаты высоковольтных испытаний ввода с RIN-изоляцией 110 кВ
(T = 20-23 ОС)

Показатели
tg δ1, %
Частичные разряды, пКл
C1, пФ

Вводы с RIP-изоляцией:
-требования IEC 60137 при Uн.р.
-типовые значения при Uн.р.

< 0,7
0,3-0,5

< 10
< 10

-
-

Вводы с RBP-изоляцией:
-требования IEC 60137 при Uн.р.
-типовые значения при Uн.р.

< 1,5
0,5-0,6

< 300
< 250

-
-

Вводы с OIP-изоляцией:
-требования IEC 60137 при Uн.р.
-типовые значения при Uн.р.

< 0,7
0,2-0,4

< 10
< 10

-
-
Результаты испытаний:
  1.  
Uисп. = 230 кВ 1 минуту - выдержал до и после приложения Uисп.  измерения при U = 126 кВ
0,235
< 5
368
  1.  
Импульсные испытания:
- 15 полных импульсов положительной полярности U=+550 кВ (100%) - выдержал;
- 1 полный импульс отрицательной полярности U=-605 кВ (110%) - выдержал;
- 5 срезанных импульсов отрицательной полярности U=-666 кВ (121%) - выдержал;
- 14 полных импульсов отрицательной полярности U=-605 кВ (110%) - выдержал
  1.  
Испытания по п.1
0,236
< 5
368
  1.  
Испытания на теплоустойчивость при U = 126 кВ, Тмб = 90°С - выдержал, установившееся значение tg δ1 = 0,35%
  1.  
Испытания по п.1
0,234
< 5
367
  1.  
Ускоренные ресурсные испытания:
- выдержка при 2Uнрф = 146 кВ 16 часов - выдержал
  1.  
Испытания по п.1
0,230
< 5
367

Представленные в Таблице 2 результаты высоковольтных испытаний в соответствии с IEC 60137 показывают, что RIN-изоляция имеет низкие диэлектрические потери и уровень частичных разрядов. Ввод выдержал все испытания без пробоя изоляции и изменения электрических характеристик.
В настоящее время проходят испытания опытные вводы с RIN-изоляцией на 330 и 500 кВ (Рисунок 7), в том числе и специальные испытания, отражающие эксплуатационные воздействия, первые результаты электрических испытаний представлены в Таблице 3.

Перемещение ввода с RIN-изоляцией 330 кВ на испытания


Рисунок 7 - Перемещение ввода с RIN-изоляцией 330 кВ на испытания

Таблица 3 - Результаты высоковольтных испытаний ввода с RIN-изоляцией 330 кВ
(T = 20-23 ОС)

Показатели
tgδ1, %
Частичные разряды, пКл
C1, пФ
Результаты испытаний:
  1.  
U исп.  = 560 кВ 1 минуту - выдержал,
до и после приложения Uисп. измерения при U = 363 кВ
0,225
< 5
569
  1.  
Импульсные испытания грозой:
- 15 полных импульсов положительной полярности U=+1175 кВ (100%) - выдержал;
- 1 полный импульс отрицательной полярности U=-1293 кВ (110%) - выдержал;
- 5 срезанных импульсов отрицательной полярности U=-1422 кВ (121%) - выдержал;
- 14 полных импульсов отрицательной полярности U=-1293 кВ (110%) - выдержал
  1.  
Испытания по п.1
0,225
< 5
569
  1.  
Импульсные коммутационные испытания:
- 15 импульсов положительной полярности U=+950 кВ - выдержал;
- 15 импульсов отрицательной полярности U=-1045 кВ - выдержал
  1.  
Испытания по п.1
0,225
< 5
569
  1.  
Ускоренные ресурсные испытания:
- выдержка при 2Uнрф = 420 кВ 16 часов - выдержал
  1.  
Испытания по п.1
0,226
< 5
569








 Дополнительно были проведены специальные испытания на вводе 330 кВ с искусственно заложенным дефектом - смещением обкладок на 40 мм - для выявления стойкости изоляции к воздействию частичных разрядов (Таблица 4).

Таблица 4 - Результаты высоковольтных испытаний ввода 330 кВ с искусственно заложенным дефектом (T = 20-23 ОС)

Показатели
tgδ1, %
Частичные разряды, пКл
C1, пФ
  1.  
U исп.  = 560 кВ 1 минуту - выдержал
(напряжение зажигания ЧР >10 пКл 100 кВ),
до и после приложения Uисп. измерения при U = 363 кВ
0,225
40
569
  1.  
Импульсные испытания в полном объеме приемочных испытаний - выдержал
  1.  
Испытания по п.1
0,225
40-50
569
  1.  
Испытания на определение коэффициента запаса:
- выдержка при U1 мин = 560 кВ до пробоя - пробой через 47 мин.
  1.  
Измерения tgδ1 и С1 при U = 363 кВ
0,226
-
 635
Вывод: частичный пробой без развития, что
свидетельствует о достаточном коэффициенте запаса

4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Основные преимущества вводов с RIN-изоляцией:
- высокая гидрофобность поверхности изоляции, стойкость к атмосферному воздействию;
- малые размеры, низкая масса;
- высокие электрические характеристики, полностью отвечающие требованиям мировых стандартов IEC;
- лучшее распределение электрического поля в изоляции;
- сокращение технологического процесса, сокращение сроков изготовления;
- конкурентная цена.
2. Вводы с RIN-изоляцией и внешней силиконовой изоляцией имеют дополнительные преимущества:
- без масла, без фарфора, пожаро- и взрывобезопасные;
- не требуют обслуживания в эксплуатации.
3. Высокие показатели качества вводов с RIN-изоляцией на основе полимерного нетканого полотна определяют возможность изготовления вводов с таким типом изоляции на напряжения до 500 кВ и выше для силовых трансформаторов.
4. В результате проведенных работ получен патент на производство вводов с RIN-изоляцией.
5. В настоящее время первая партия вводов 35 кВ проходит опытную эксплуатацию на объектах ОАО «Мосэнерго».
6. После завершения приемочных и ресурсных испытаний и проведения аттестации вводов с RIN-изоляцией в ОАО «ФСК ЕЭС» в 2013 году планируется постановка на производство вводов 35-220 кВ. В последующем планируется серийный выпуск вводов с RIN-изоляцией и на высшие классы напряжений.

 Авторы:

Славинский А.З. – доктор технических наук

Кассихин С.Д., Кирюхин П.В., Никитин Ю.В., Сипилкин К.Г. - инженеры

ООО "МАССА", Россия (www.mosizolyator.ru)
 

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

[1] А.З. Славинский Физика диэлектриков. Высоковольтная изоляция энергетической аппаратуры. – М.: ООО Издательство «Научтехлитиздат», 2007.
[2] NEW DIAGNOSTIC TOOLS FOR HIGH VOLTAGE BUSHINGS. Proceedings of the 16th International Symposium on High Voltage Engineering, 2009 SAIEE, Innes House, Johannesburg.
[3] Разработка высоковольтных вводов с RIP-изоляцией для передачи постоянного тока высокого напряжения. - IV МЕЖДУНАРОДНАЯ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ, «Силовые трансформаторы и системы диагностики», 2009
[4] Кратковременная электрическая прочность твердой RIP-изоляции высоковольтных вводов конденсаторного типа. Влияние толщины слоя конденсаторной изоляции на электрическую прочность. – IX Симпозиум «Электротехника 2030», 2007.
[5] Заявка 2002112067.
[6] Заявка 2002112629.

Ключевые слова: высоковольтные вводы, твердая RIN-изоляция, водоотталкивающий материал.