Показатели загрязнения изолятора в постоянном токе: теоретические модели, лабораторные испытания и полевой опыт

Характеристики изоляции воздушных линий на постоянном токе отличаются от характеристик на переменном токе из-за ионизации взвешенных частиц в результате однонаправленного электрического поля.Таким образом, уровень загрязнения при одинаковой среде обслуживания выше, чем для переменного тока, и CIGRE и IEC опубликовали руководства и модели, отражающие это при проектировании изоляции для линии постоянного тока.

В этом отредактированном вкладе 2017 года в INMR исследователи из Sediver во Франции сравнивают уровни изоляции, определенные этими моделями, с фактическими полевыми наблюдениями, а также с результатами лабораторных испытаний.

Отложения загрязняющих веществ на поверхности изолятора классифицируются по плотности отложений эквивалентной соли (ESDD) и плотности нерастворимых отложений (NSDD).Уровень электростатического разряда способствует повышению проводимости воды на поверхности изолятора и, как следствие, увеличению токов утечки.Параметр NSDD отражает степень, в которой влага «вымывается» из утренней росы или тумана, тем самым обеспечивая водой механизмы тока утечки и дугового разряда сухой ленты.

Рис. 1: Стеклянная натяжная струна показывает более сильное отложение загрязнений на дисках на приводном конце.

Отложения загрязнения в полевых условиях обычно неоднородны, при этом нижние поверхности (рабочий конец) гирлянды изолятора загрязнены больше, чем другие поверхности.CUR — это параметр, который описывает это свойство и определяется как отношение нижнего к верхнему уровню ESDD.Во время лабораторных испытаний CUR часто устанавливается равным 1 из практических соображений и, таким образом, обеспечивает более жесткие условия, чем при более высоком CUR.Имеют значение и другие параметры, такие как форма и размеры изолятора, высота над уровнем моря, динамика осаждения загрязнений и полярность.Все четко объяснено в CIGRE TB518 (Наружная изоляция в условиях загрязнения. Рекомендации по выбору и определению размеров. Часть 2: случай постоянного тока), а также в IEC TS 60815-4, издание 1.0 2016-10.Основное внимание в этом обсуждении уделяется определению требуемого расстояния утечки цепочки изоляторов на основе CUR, ESDD и NSDD.

Степень загрязнения в любой конкретной среде классифицируется в вышеупомянутых документах CIGRE и IEC и варьируется от «очень легкой» до «очень тяжелой» (см. рис. 2).Затем определяется конкретное расстояние утечки, необходимое для предотвращения пробоя гирлянды изоляторов в заданных условиях загрязнения.Другим важным параметром является эталонная унифицированная удельная длина пути утечки (RUSC), которая представляет собой минимальное значение USCD, рассчитанное в соответствии с этими документами.После определения можно выбрать подходящую конструкцию изолятора, а также необходимое количество изоляторов в цепочке.

Рис. 2: Классификация загрязнения согласно CIGRE TB518 (Наружная изоляция в условиях загрязнения. Рекомендации по выбору и определению размеров.

Часть 2: случай постоянного тока) и
МЭК ТС 60815-4 Редакция 1.0 2016-10.

Проектирование струн на основе теоретических подходов CIGRE и IEC

Нижеследующее демонстрирует возможные расхождения между результатами теоретических методов и результатами лабораторных испытаний.В этом случае типичная цепочка 300 кВ, состоящая из 20 блоков постоянного тока из закаленного стекла, каждый с расстоянием утечки 550 мм, была испытана в условиях искусственного загрязнения, установленных при ESDD = 0,047 мг/см² и NSDD = 0,1 мг/см² (см. рис. 3).Это соответствует USCD = 36,6 мм/кВ.

Согласно CIGRE TB518 и IEC TS 60815-4 Edition 1.0 2016-10, теоретическое значение RUSC для этой среды будет составлять 44,8 мм/кВ.Тем не менее, производительность струны была превосходной, пики тока утечки составляли всего около 10 мА (см. рис. 4).

Рис. 3: Тест на загрязнение на цепочке из 20 блоков с USCD = 36,6 мм/кВ.

Разница между USCD и RUSC в этом примере составляет 20% и, скорее всего, является консервативной, учитывая низкие токи, измеренные во время теста.Здесь модель не описывает наблюдаемые характеристики загрязнения цепи постоянного тока.Если бы такая линия проектировалась исключительно на основе теоретических расчетов, струны, вероятно, были бы «перепроектированы» и привели бы к ненужным дополнительным затратам.

Рис. 4: Токи утечки в течение выдерживаемого периода, измеренные на цепочке из 20 блоков для ESDD=0,047 мг/см² и NSDD=0,1 мг/см².USCD = 36,6 мм/кВ.

Полевые испытания и лабораторные испытания

Были также оценены примеры, основанные на опыте работы с реальными линиями постоянного тока.Фактические уровни загрязнения были определены путем отбора проб уровней ESDD и NSDD на месте, и эта информация использовалась вместе с теоретической моделью для расчета ожидаемого USCD.Затем на этих же гирляндах изоляторов были проведены лабораторные испытания для определения величины пробоя.Как и на рис. 5, среди этих случаев была линия постоянного тока 500 кВ, которая не испытывала особых проблем с загрязнением за более чем 40 лет эксплуатации в условиях пустыни, а также демонстрировала неравномерное распределение загрязнения по нитям.Эта линия была спроектирована с USCD=25 мм/кВ.Тем не менее, теоретическая модель рекомендовала бы использовать не менее 42 мм/кВ на основе равномерного загрязнения вдоль цепочки с ESDD=0,04 мг/см², NSDD=0,1 мг/см² и CUR=1.

Рис. 5: Распределение загрязнения по цепочке 500 кВ постоянного тока.

В лаборатории было проведено испытание на искусственное загрязнение изоляторов постоянного тока из закаленного стекла, выбранных для повышения напряжения этой линии.Струна была настроена с USCD=23 мм/кВ и испытана в тех же условиях, которые использовались ранее для теоретической оценки (т.е. ESDD=0,04 мг/см², NSDD=0,1 мг/см², CUR=1).Максимальный ток во время этой тестовой последовательности составлял 60 мА.Кроме того, был проведен еще один тест с ESDD=0,07 мг/см², но с сохранением NSDD=0,1 мг/см².В этом случае максимальный ток утечки составил 100 мА, но перекрытия не произошло.

В этих же условиях теоретическая модель рекомендовала бы использовать гирлянду с USCD=51 мм/кВ, а именно в два раза больше, чем было протестировано.Даже с учетом любого эффекта возможной нелинейности между короткими и полными строками (поскольку тест проводился на коротких строках), существует большой разрыв между тестированием и моделью.

Аналогичный пример связан с биполями Itaipu постоянного тока на 600 кВ в Бразилии, где фактическое значение USCD составляет 28,5 мм/кВ.Несколько струн были сняты с биполя 2 для оценки.Уровни загрязнения здесь классифицируются как «сильные» из-за деятельности сельского хозяйства и промышленности вблизи Сан-Паулу (см. сводку на рис. 6).Также интересно отметить коэффициенты CUR, показанные на рис. 7. В то время как отдел технического обслуживания оператора этой линии заверил, что не было никаких перерывов в линии, связанных с локальным загрязнением, теоретическая модель предсказывает интенсивные прорывы, если нитки не будут перепроектированы по крайней мере с USCD =47 мм/кВ.Хотя в этом конкретном случае уровень CUR находится за пределами типичного диапазона, рассматриваемого в модели (т.е. CUR<10), пределы и точность математического подхода снова могут быть поставлены под сомнение.

Рис. 6: Уровни загрязнения, измеренные на Итаипу 600 кВ постоянного тока, Бразилия.

Рис. 7: Уровни CUR, измеренные на Итайпу 600 кВ постоянного тока.

Снижение сильного загрязнения

Большинство линий постоянного тока построено в относительно чистой среде, хотя есть случаи, например, в Китае, Италии и Новой Зеландии, где линии проходят через промышленные или прибрежные зоны с относительно высоким уровнем загрязнения.Тем не менее, даже в чистых местах электростатический эффект будет притягивать переносимые по воздуху частицы и приводить к более сильному загрязнению поверхности, чем для линии переменного тока в том же месте.Поэтому проблема более загрязненных сред обслуживания является более серьезной.Полимерные изоляторы иногда рассматривались в этих условиях, в основном в Китае, но лишь незначительно в других странах из-за отсутствия стандартов, описывающих максимальные уровни силиконовых корпусов и напряжений уплотнений для приложений постоянного тока.Сообщалось о случаях преждевременной деградации полимерных корпусов или уплотнений, что привело к более консервативному подходу к полимерам при сравнении характеристик загрязнения с ускоренным старением в постоянном токе.

Одним из решений в таких ситуациях является использование силиконового покрытия, наносимого на поверхность стеклянных или фарфоровых изоляторов.Например, в Китае на линии постоянного тока 800 кВ Симэн-Тайчжоу-Шанхаймяо-Шаньдун в настоящее время используется несколько сотен тысяч стеклянных изоляторов с заводским покрытием.Аналогичным образом TSO Terna в Италии использовала стеклянные гирлянды с покрытием на своей линии постоянного тока 200 кВ в Тоскане (см. рис. 8 и 9), а также на Сардинии с целью уменьшения необходимости частой промывки изоляторов.Как показано на рис. 8, эти районы классифицируются как «очень сильное» загрязнение.

Рис. 8: Уровень загрязнения, измеренный на линии постоянного тока 200 кВ (из Терны).

Рис. 9: Стеклянные изоляторы с силиконовым покрытием, установленные на линии постоянного тока 200 кВ Terna.

Испытания на загрязнение, сравнивающие характеристики стеклянных изоляторов с заводским покрытием и полимерных изоляторов, проводились в условиях соляного тумана, типичных для прибрежного применения.Рис. 10 обобщает результаты и демонстрирует преимущества классической струны стеклянного изолятора, покрытой силиконом.Эти результаты демонстрируют сложность получения какого-либо обобщенного утверждения о производительности без проведения тестирования.Здесь оба испытуемых объекта считались гидрофобными материалами, и их соответствующие расстояния утечки были эквивалентны.Но материал и форма также имеют значение.

Рис. 10: Сравнение испытаний в соляном тумане.

Вышеизложенное предполагает, что теоретические модели могут потребовать дальнейшей работы, а также возможных модификаций для лучшего отражения материалов, передающих гидрофобность (HTM), особенно с учетом того, что все больше и больше стеклянных изоляторов с силиконовым покрытием используются в дополнение к полимерным типам.Как и в случае с переменным током, форма также имеет значение, и предположения, сделанные для HTM в теоретической модели, были сделаны в основном с учетом конструкций полимерных изоляторов, а не керамических колпачковых и штыревых изоляторов.

Рис. 11: Внутренняя Монголия Ximeng-Jiangsu Taizhou В линии сверхвысокого напряжения постоянного тока ±800 кВ используется почти 400 000 стеклянных и фарфоровых изоляторов с покрытием.

Выводы и будущие направления

Большой разброс в результатах между лабораторными испытаниями, полевым опытом и теорией предполагает необходимость проведения фактических испытаний конструкции для любого конкретного проекта, а не полагаться исключительно на теоретические уравнения, найденные в различных документах.Рис. 12, например, дает представление о возможной погрешности между теоретической оценкой RUSC по сравнению с лабораторными испытаниями и фактическими эксплуатационными характеристиками.Этот график нуждается в дальнейшей корректировке с использованием дополнительных результатов тестов для «точной настройки» ссылки на RUSC.

Ошибки, связанные главным образом с математическими моделями, могут привести к перепроектированию на 20–30 %, а дополнительные затраты могут сделать проект новой линии неприемлемым.Для лучшего документирования фактической производительности необходимы широкомасштабные кампании по тестированию загрязнения в округе Колумбия.Точно так же большинство лабораторий проводят тесты с CUR=1, хотя на самом деле он обычно колеблется от 3 до 5 (иногда даже 7).Поэтому существует потребность в новых методах осаждения загрязняющих веществ, чтобы иметь возможность последовательно дублировать переменные уровни CUR во время испытаний.Это позволит лучше моделировать реальные полевые условия, не полагаясь только на теоретические поправочные коэффициенты.

Рис. 12: Удельная длина пути утечки согласно CIGRE TB518 и
IEC TS 60815-4 Edition 1.0 2016-10 в сравнении с данными испытаний и недавним полевым опытом.Существующая кривая (синяя) по сравнению с предполагаемой реальной производительностью (красная).

Эта статья является копией из INMR (https://www.inmr.com), не для коммерческого использования, а только для технического обучения и общения.