Дугостойкость изоляции оборудования КРУ

Электрическая дуга тока короткого замыкания (КЗ) повреждает оборудование КРУ и снижает электрическую прочность его изоляции. Объем повреждения и степень снижения электрической прочности зависят от значения тока КЗ, времени действия дуги и дугостойкости изоляции.

В соответствии с ГОСТ 14693 в КРУ должны быть приняты меры по локализации воздействия электрической дуги в пределах шкафа и ограничению времени её действия значением 0,2 с.

Для этой цели с середины 70-х годов в КРУ начали применяться защиты от дуговых замыканий (ЗДЗ) с разгрузочными клапанами, отключающие поврежденные участки за время менее 0,2 с.

Внедрение ЗДЗ значительно уменьшило объем повреждений оборудования и дало возможность сохранить электроснабжение большей части потребителей при дуговых замыканиях за счет отключения КЗ линейным и вводным выключателями и автоматическим повторным включением (АПВ) последнего. С этой целью Техуправление корпорации "Росэнерго" выпустило решение № 02-6/25 от 29.09.92 с рекомендациями о применении АПВ в КРУ.

Одновременно Научно-исследовательскому центру по испытанию высоковольтной аппаратуры (НИЦ ВВА) было поручено исследовать дугостойкость КРУ.

Дугостойкость изоляции не регламентируется стандартами. При исследованиях, проведенных НИЦ ВВА с участием электротехнических предприятий, она оценивалась по значению выдерживаемого испытательного напряжения и объему повреждений.

Известно, что многие изделия из органических материалов обладают низкой дугостойкостью, поскольку используемые в них материалы разлагаются под действием высокой температуры, образуя на поверхности токопроводящие соединения. Они в виде копоти (сажи) осаждаются и на соседних изоляционных частях, снижая их электрические свойства. В составе копоти содержатся также продукты разложения и других органических материалов, находящихся в поврежденном отсеке КРУ, а также мелкодисперсные частицы металлов расплавляемых дугой.

Фарфоровая изоляция не имеет указанных недостатков, поэтому она работает более надежно, чем обычная полимерная изоляция. Однако её существенный недостаток заключается в том, что при быстром нагреве изолятор может частично или полностью разрушиться.

Проведенные НИЦ ВВА испытания КРУ и исследования дугостойкости изоляции дали следующие результаты.

При действии дуги в течение 1,0 с локализационная способность КРУ с выкатными элементами (К-104, К-59 и др.) обеспечивается при токе до 4 кА. Однако длительное действие дуги приводит к полному разрушению проходных фарфоровых изоляторов в отсеке выключателя и значительному повреждению изделий из органической изоляции. При токе 12-14 кА и длительности 0,2 с объем повреждений значительно меньше. Примерно такой же объем повреждений наблюдается при токе 20 кА и длительности дуги 0,13 с. Эти результаты свидетельствуют об эффективности применения ЗДЗ и возможности снижения объема повреждений за счет более быстрого отключения КЗ.

Испытания в режиме АПВ проводились в КРУ К-104 и КМ-1 при различных значениях тока КЗ и постоянной длительности 0,2 с. Короткое замыкание инициировалось в местах наибольшего воздействия дуги на изоляцию. Напряжение 12 кВ повторно подавалось (на время 5 с) через 0,5 с после отключения КЗ. Через 10-15 мин изоляция КРУ испытывалась напряжением 28 кВ в течение 1 мин. При успешном испытании КРУ ставилось под рабочее напряжение на 5 ч.

При токах КЗ до 12 кА изоляция КРУ К-104 выдержала все испытания. Это свидетельствует о возможности применения АПВ в них и других, аналогичных по конструкции КРУ - К-59, К-63 и др.

Увеличению значения допустимого тока дугового КЗ воспрепятствовала недостаточная термическая стойкость проходных фарфоровых изоляторов. Так, при токе КЗ 14 кА верхняя концевая часть проходного изолятора частично разрушилась, хотя он и выдержал после этого испытательное напряжение 28 кВ в течение 1 мин.

Результаты испытаний КРУ КМ-1 оказались неудовлетворительными из-за большого количества изделий в отсеках сборных шин (СШ) и выключателя (изоляционные перегородки, шторки, клицы), изготовленных из материала с низкой дугостойкостью (гетинакс, стеклотекстолит, АГ-4). При подаче напряжения 12 кВ через 0,5 с после отключений токов 12 и 4,3 кА происходило перекрытие изоляции. Положительный результат АПВ наблюдался при КЗ в отсеке выключателя с током 1,8 кА. Однако при контрольном испытании изоляция перекрылась при напряжении 20 кВ.

Как отмечалось, дугостойкость изоляции зависит от значения тока КЗ и времени его действия. Это справедливо при дуге, действующей на постоянном расстоянии от изоляции. В действительности под действием электродинамических сил дуга стремиться переместиться по токоведущим частям от источника питания и вверх вместе с потоком горячего газа. По этой причине дуга часто "переходит" с нижних втычных контактов на верхние контакты и повреждает верхние проходные изоляторы в КРУ с нижним расположением СШ (К-104, К-59 и др.).

Верхние проходные изоляторы находятся в аналогичных условиях и в КРУ с верхним расположением СШ (К-XII, КМ-1Ф и др.). Междуфазное перекрытие изоляции в их зоне может произойти вследствие действия продуктов горения дуги при КЗ в кабельном отсеке, когда они выбрасываются через разгрузочный клапан отсека выключателя (при отсутствии его в кабельном отсеке) или поджога выхлопных газов во время отключения маломасляным выключателем тока внешнего или внутреннего КЗ.

В более легких условиях находятся опорные изоляторы в совмещенных отсеках СШ. При перекрытии изоляции в них, что обычно происходит при КЗ в отсеке выключателя и проникновении продуктов горения дуги в отсек СШ из-за недостаточной герметичности перегородки и проходных изоляторов, дуга быстро перемещается по шинам от источника питания. Большой объем совмещенных отсеков СШ и высокая скорость перемещения дуги (30-100 м/с) значительно уменьшают её термическое действие на опорные изоляторы. Экранируют изоляторы от дуги также установленные на них плашмя шины.

По указанным причинам перемещающаяся по СШ дуга не оказывает большого вредного действия на оборудование КРУ. Проведенные НИЦ ВВА с участием автора испытания КРУ К-X показали, что даже неоднократные воздействия перемещающейся по СШ дуги тока КЗ 24-26 кА не повреждают опорные изоляторы, пока дуга не дойдет до крайнего отсека, где она повреждает, как правило, проходные изоляторы.

Учитывая различные факторы воздействия дуги на изоляцию, исследования дугостойкости проводились в НИЦ ВВА на стенде, создающем при испытании равные условия для всех изделий. Они подтвердили низкую дугостойкость изделий из слоистых пластиков, в том числе применяемых в КРУ КМ-1 и КВ-1. Более высокой дугостойкостью обладают изделия из литой эпоксидной изоляции, в частности, трансформаторы тока. Она сравнима с дугостойкостью проходных фарфоровых изоляторов. Фарфоровые опорные изоляторы более дугостойки, чем проходные изоляторы. Повреждения при токе 20 кВ сравнимы с повреждениями проходных изоляторов при токе 14 кА. После воздействия дуги 20 кА в течение 0,2 с они выдерживают испытательное напряжение 28 кВ.

Существенно лучшие результаты получены при испытании изделий из новых полимерных композиций. Так, опорный полимерный изолятор ОСС-6/10 с защитной оболочкой из севелена производства АО "Полимеризолятор" после воздействия стоячей дуги 20 кА имел небольшие оплавления поверхности и выдержал испытательное напряжение 50 кВ. Такие же результаты испытаний показал и опорный полимерный изолятор вакуумного выключателя BB/TEL производства предприятия "Таврида Электрик".

В выключателях BB/TEL из дугостойкого полимерного материала изготавливаются опорные изоляторы и корпуса полюсов. В корпусе полюса располагается тяговый изолятор и вакуумная дугогасительная камера (ВДК). Защита ВДК от действия дуги и случайных механических ударов имеет большое значение для обеспечения надежной работы выключателя, так как керамика всех ВДК нестойка к таким воздействиям. Не только разрушение, но даже трещина в теле керамики приводит к потере вакуума и отказу ВДК в работе.