БОЛЬШОЙ ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ЗАЛ ИНСТИТУТА ТРАНСФОРМАТОРОСТРОЕНИЯ И ЕГО ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДЛЯ СОЗДАНИЯ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ СВЕРХВЫСОКИХ НАПРЯЖЕНИЙ Пуляев М.А., Володченко Л.И., Мелешко И.Ю., Тополянский Е.Л.

Физическое и математическое моделирование при конструировании электрооборудования – один из основных этапов обеспечения его надежности. Исследовательским комитетом А3 СИГРЕ создана рабочая группа РГА 3.20 для оценки существующих технологий физического и компьютерного моделирования различных видов электрооборудования с целью определения диапазона их применения в качестве метода контроля, экстраполяции результатов испытаний или даже замены некоторых испытаний. В плане реализации этой цели в области трансформаторостроения представляет интерес, по нашему мнению, опыт ВИТ по физическому моделированию изоляции при создании трансформаторного оборудования на новые ультравысокие классы напряжения – 750 и 1150 кВ переменного тока и ±750 кВ для ЛЭП постоянного тока в большом высоковольтном зале (БВЗ)

БВЗ института введен в эксплуатацию в 1975 г. Он создан для проведения исследований изоляции при разработке трансформаторного оборудования для ЛЭП ультравысокого напряжения – до 1800 кВ переменного и до ±1500 кВ постоянного тока. Площадь БВЗ – 8640 м² ( LxBxH=120x60x64 м ) (рис.1,2)

Большой высоковольтный зал

БВЗ оснащен краном грузоподъемностью 125 т., пролетом 60 м. и высотой подъема 40 м. Все стены зала покрыты экраном из алюминиевых листов, что обеспечило защиту от внешних воздействий. Есть технологические устройства для разгрузки оборудования весом до 600 тонн. Технологическое оборудование: - вакуум сушильные шкафы и испытательные баки объемом 1÷3, 30÷100÷500 м³; - комплекс генераторов 50÷100÷225 Гц различной мощности и напряжений; - маслосистема, осуществляющая подготовку и подачу масла в испытательные баки ; - вводы 110 – 750 кВ, 1150 – 1800 кВ, ±400 и ±750 кВ; - магнитопроводы диаметром 500 – 1200 мм. - гидродомкраты для разгрузки оборудования весом до 600 тонн. Испытательные установки: - Генератор импульсных напряжений 7000 кВ (TUR, Дрезден, Германия) - Установка постоянного напряжения 2500 кВ; (Хейфли, Швейцария) - Каскад испытательных трансформаторов 2250 кВ (TUR, Дрезден, Германия) - Установка постоянного напряжения 1200 кВ (TUR, Дрезден, Германия) - Установка переменного напряжения 600 кВ (TUR, Дрезден, Германия) и др. В таблице 1 приведены характеристики испытательного оборудования БВЗ и других, известных нам, крупных лабораторий мира.

Таблица 1 - Максимальные испытательные возможности БВЗ в сравнении с возможностями испытательных лабораторий некоторых стран. Таблица 1 - Максимальные испытательные возможности БВЗ в сравнении с возможностями испытательных лабораторий некоторых стран. ПАО«ВИТ»IREQKEMACESISTRIEDFCPRIKERICERDA 1. Грозовой импульс, кВ, max Коммутационный импульс, кВ: - в сухом состоянии; - под дождем; Испытания переменным напряжением, кВ: - в сухом состоянии; - под дождем; Испытания постоянным напряжением, кВ: - в сухом состоянии; - под дождем; Измерение уровня частичных разрядов, кВ. Измерение уровня радиопомех. Измерение уровня радиопомех. 800 кВ 5 пКл 800 кВ ,5 пКл пКл Измерение емкости и тангенса угла диэлектрических потерь. 600 кВ кВ кВ500кВ IREQ – Hydro-Quebec Research Institute.EDF – Les Renardieres Electrical Equipment Lab. KEMA – Testing Services HV LabCESI – Centro Elettrotecnico Sperimentale Italiano CPRI – India (UHV) Research LabKERI – Korea Electro tech. Research Institute STRI – independent interoperability laboratory

Как видно из приведенных данных табл.1, среди высоковольтных лабораторий по своим техническим возможностям выделяются лаборатории IREQ (Канада), CPRI (Индия) и ПАО «ВИТ» (Украина). Существенным преимуществом БВЗ является наличие специального технологического оборудования, позволяющего осуществлять сборку и разборку крупномасштабных моделей и трансформаторов ( рис.3,4).

Рисунок 4 – Модель изоляции трансформатора ±750 кВ. Рисунок 3 – Полномасштабная модель фазы автотрансформатора с сочетанием напряжений 750/500 кВ.

Объект исследований Модели изготавливаемые и исследованные в ПАО «ВИТ» Стендовые испытания опытных образцов, образцов моделей Основные направления исследований Кол-во мало- габаритных моделей Кол-во крупно- габарит- ных и ком- плексны х моделей Изоляция масляных трансфор -маторов 6÷35 кВ Исследование перенапряжений в обмотках Электрическая прочность продольной изоляции Электрическая прочность главной изоляции между обмотками Электрическая прочность снаружи обмоток Электрическая прочность отводов и установки вводов Электрическая прочность внешней воздушной изоляции Конструкция изоляции трансформаторов для линии электропередачи постоянного тока 905 Длительные испытания прочности группы трансформаторов на напряжение 35 кВ на стенде НИИ ПТ, (Научно-исследовательский институт ПТ). Длительные испытания двух преобразовательных трансформаторов 10 МВА, 10 кВ, однвременно с преобразовательной установкой ПАО «ВИТ» и в производственных условиях у потребителя. Разработка и производство трансформаторов в ПАО «ВИТ» в 1997 г. 110÷ 1800 кВ Посто ян- ный ток ±100 кВ ±400 кВ ±750 кВ 2820 Крупнога - баритные установк и – 195 Комплекс -ные уста- новки – – постоянн ого тока Длительные испытания 3 фаз автотрансформатора /750/500 на п/с «Конаково» c 1967 г. Длительные испытания 1 фазы автотрансформатора /1140/500 на п/с «Белый Раст» с 1973 г. Длительные испытания 1 фазы автотрансформатора /1150/500 на МИС (мощном испытательном стенде) в Тольятти, 1979 г.Опытная эксплуатация 3 фаз трансформатора /500 с резко сниженным уровнем Ut. на КГЭС с 1977 г. Длительные испытания 6 фаз трансформатора /±400/500 на п/с «Белый Раст» Длительные испытания 6 фаз /±400/500 6 фаз /±750/500 1 фазы /±400/500 1 фазы /±750/500 2 фазы линейного реактора РОЛДЦ-1200/800/4 на МИС, г. Тольятти В период с 1975 по 1992 были проведены исследования огромного количества малых моделей, макетов узлов изоляции, полномасштабных и комплексных моделей при всех видах нормированных воздействий на трансформатор таблица 2.

Следует отметить, что исследования крупномасштабных моделей проводились при всех видах испытательных воздействий до уровня 110%. По определяющим видам воздействий, модели испытывались до пробоя. Кроме того проводились длительные испытания ряда моделей ( до 1000 часов). На базе полученных ранее результатов исследований разработано и постоянно совершенствуется программно-методическое обеспечение по расчету изоляции силовых трансформаторов, включающее в себя как программы для детального анализа воздействий на главную и продольную изоляцию (VLN, ELAX-2D), так и экспериментально - эмпирические базы знаний для расчета коэффициентов запаса главной, продольной и витковой изоляции (ENDINS, MIDINS, BUSHING, COILINGS, TURNINS). Программы комплекса позволяют моделировать не только состояние изоляции внутри трансформатора, но и определять взаимное влияние трансформаторов и остальных элементов электрических сетей друг на друга с помощью автоматизированной подготовки данных для программы расчета переходных процессов в электрических сетях (EMTP).

Наряду с проведением широкомасштабных исследований изоляции трансформаторов ультравысокого напряжения, в институте был проведен большой объем исследований по электродинамическим, тепловым, электромагнитным воздействиям. Все это позволило : -Изготовить 18 шт. автотрансформаторов 667/1150 кВ, которые были поставлены в эксплуатацию и 2 года находились под рабочим напряжением (рис. 5). -Изготовить 14 шт. трансформаторов 320 МВА ±750 кВ и 6 линейных реакторов для ЛЭП постоянного тока. При этом трансформаторы 320 МВА ±750 кВуспешно прошли испытания на электродинамическую стойкость на МИС Тольятти ( рис. 6). -Изготовить 14 шт. трансформаторов 320 МВА ±750 кВ и 6 линейных реакторов для ЛЭП постоянного тока. При этом трансформаторы 320 МВА ±750 кВ успешно прошли испытания на электродинамическую стойкость на МИС Тольятти ( рис. 6).

Рисунок 5 –автотрансформатор 667МВА сочетание напряжений 1150/500 кВ Рисунок 6 – трансформатор 320 МВА сочетание напряжений 500/±750 кВ для ЛЭП постоянного тока.

Рисунок 7 - Модель фазы автотрансформатора 1800/500 кВ Испытательные напряжения: Длительное напряжение 50 Гц кВ, КИ кВ, ПГИ и СГИ – 3200 кВ. Успехи в создании оборудования 1150 кВ позволили перейти к разработке оборудования следующего, возможно предельного класса напряжения ЛЭП переменного тока 1800 кВ (рис.7).

После 1992 г. объем работ по исследованиям существенно сократился однако, были проведены ряд значимых исследований и испытаний: -Испытание установки ВГИ на класс напряжения 1150 кВ (рис. 8); -Проведены исследования малых моделей (табл. 3 и рис.9, 10); -Испытания разъединителей, выключателей, трансформаторов, ОПН, вводов, реакторов и др. С использованием имеющегося опыта разработок и исследований получен положительный опыт эксплуатации более 50 единиц трансформаторов 750 кВ, изготовленных по лицензии ВИТ рис. 11, 12

Рисунок 8 - испытательная установка на 1150 кВ. При испытаниях напряжением 800 кВ уровень частичных разрядов при не превышал 5 пКл (изготовлена и поставлена в г. Шеньян, Китай).

Модели изоляции Количество экспериментов Вид испытаний Изоляция отводов 410ОПЧ 410 Полный грозовой импульс (ПГИ) отрицательной полярности 340 Постоянное напряжение обеих полярностей (ПТ) Маслобарьерная изоляция 120ПТ Непрерывные обмотки (вдоль поверхности) 20 ПГИ и импульсный обмер Другие виды изоляции 300 ПГИ, ОПЧ. Итого1600 Таблица 3 – исследования изоляции трансформаторов класса до 500 кВ 50 Гц и преобразовательных трансформаторов ±400 кВ

Рисунок 9 – схема испытания модели в баке от ГИН Рисунок 10 – испытания от VEM – 600 c измерением частичных разрядов до пред пробивного напряжения.

Рисунок 11 – Рисунок 11 – Однофазный двухобмоточный трансформатор с регулированием напряжения без возбуждения 204 МВА, 765 кВ. Рисунок 12 - Рисунок 12 -Однофазный трехобмоточный автотрансформатор с регулированием напряжения без возбуждения 370 МВА, сочетание напряжений 765/345 кВ

Серьезным испытанием для испытательной лаборатории и коллектива отдела высоковольтных исследований явилось испытания нескольких вариантов изоляционных конструкций блока вентилей для линий передач постоянного тока ± 800 кВ. Для испытаний блоки вентилей размещались на высоте (на расстоянии) 3, 6, 8 и 9 метров в макете вентильного зала.

Испытания проводились при воздействии постоянного напряжения и коммутационного импульса обоих полярностей. Рисунок 13 - установки постоянного тока УПТ – 2500 кВ. Рисунок 14 - генератор импульсных напряжений ГИН – 7000 кВ.

Специально для исследований специалистами «ВИТ», был спроектирован и изготовлен макет вентильного зала. С размерами 24х24 м и 27 метров в высоту. Способный выдерживать объект испытания весом до 5 тонн. (рис.15). Была предусмотрена возможность изменения положения объекта в пространстве макета вентильного зала. Рисунок 15 – Макет вентильного зала.

Рисунок 16 – Пробой при КИ положительной полярности кВ Рисунок 17 – Пробой при КИ отрицательной полярности3000 кВ Рисунок 17 – Пробой при КИ отрицательной полярности 3000 кВ Максимальные пробивные напряжения от установки ГИН

При воздействии постоянного напряжения от установки УПТ – 2500 максимальные пробивные напряжения составили ±2000 кВ Следует отметить, что эти напряжения ниже номинальных напряжений установок, однако, столь высокие напряжения ни разу от этих установок не получали.

Заключение 1. Большой высоковольтный зал ПАО ВИТ сыграл ключевую роль в создании трансформаторного оборудования 750 и 1150 кВ переменного тока и ±750 кВ постоянного тока. Опытно промышленные образцы оборудования 1150 кВ и ±750 появились в СССР на 30 лет раньше их появления в энергетике Китая и Индии. 2. Повреждаемость трансформаторного оборудования 750 кВ в первые десятилетия внедрения ЛЭП 750 кВ в СССР оказалось в 2 – 3 раза ниже зарубежного (рабочая группа СИГРЭ г. Кокчетав, 1989 г.). Кроме того в первом десятилетии 21-го века получен положительный опыт эксплуатации более чем 50 штук трансформаторов 750 кВ, изготовленных компанией Хюндай по лицензии ВИТ. 3. Проведенные в последние годы испытания макетов преобразовательных вентилей на напряжение ± 800 кВ при близких к предельным значениям испытательных напряжений подтвердили работоспособность испытательных установок и показали необходимость их модернизации и обновление приборного парка лаборатории.

4. Целесообразно использовать возможность БВЗ в целях сертификации электротехнического оборудования различных классов напряжения, расширив номенклатуру испытываемого оборудования, включив в него измерительные трансформаторы, коммутирующую и защитную аппаратуру, вводы и изоляторы, КРУ, КТП и др. 3. Опыт, накопленный по физическому моделированию в течении 35 лет работы в БВЗ может быть использован для решении перспективных задач развития энергетики при создании ЛЭП предельных напряжений. Украина, г. Запорожье, Днепропетровское шоссе 11, ПАО «ВИТ» Тел.: