Scientific journal
Modern problems of science and education
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,940

ESTIMATION OF INFLUENCE OF THE INSULATION OF HIGH VOLTAGE EQUIPMENT ON AN OPERATING MODE TEST SET

Konesev S.G. 1 Mukhametshin A.V. 1
1 Ufa State Petroleum Technological University
The article presents the results of investigation of the insulation of high voltage equipment for the resonance modes of the test unit (RTS). The authors proposed a technical solution RTS, which creates a resonance in the primary circuit of the transformer high-grade test that allows testing of electrical insulation as big and small capacity. As a key evidence of the impact of the capacity of the test object on the parameters of the resonant circuit in primary circuit of high voltage test set used by the results of empirical research and computer modeling in Matlab.Based on the results of works on creation and study of resonant test sets performed in the laboratory of scientific and engineering center established model sample RTS. In the study, the model sample RTS defined its basic parameters, recalculated, and Optimization of the main nodes of the circuit.The results can be used in the technique for the study of high voltage HV test equipment.
experimental studies
insulation
electrical equipment of high voltage
electricity
power
high voltage equipment
modeling
high-voltage testing
resonance
the capacity of the object
test equipment

Для поддержания заданного уровня безопасной эксплуатации электроустановок и высоковольтного оборудования требуется регулярная оценка качества изоляции. Одним из основных методов оценки качества изоляции и обнаружения сосредоточенных дефектов, не выявленных в предварительных испытаниях изоляции, является испытание на переменном токе промышленной частоты. По требованиям нормативно–технической документации (НТД) [1] высоковольтные испытания на переменном токе промышленной частоты проводятся для электрооборудования при первом вводе его в работу и после капитального ремонта.

Особенностью испытаний изоляции высоковольтныхэлектродвигателей является необходимость применения испытательных установок мощностью порядка 3-5 кВ·А, поскольку изоляция данного электрооборудования является объектом большой емкости (десятки-сотни нФ) и мощности стандартных промышленных испытательных установок недостаточно [2; 3].

Стремление обеспечить необходимую мощность привело разработчиков к созданию испытательных установок высоких переменных напряжений, работающих в резонансном режиме [4-7]. В предлагаемых технических решенияхвысоковольтных испытательных установок, работающих с объектами большой емкости, как правило, емкость испытуемого объекта используется для создания резонансного контура испытательной установки. Одним из важных достоинств установок данного типа является эффект исчезновения резонанса при пробое испытуемого объекта из-за мгновенного изменения параметров цепи. Однако эти установки ограничены в своем применении, поскольку не могут работать с объектами малой емкости и имеют сложную конструкцию испытательного трансформатора.

Авторами предложено техническое решение резонансной испытательной установки (РИУ) [6], где резонанс создается в первичной цепи высокопотенциального испытательного трансформатора, что позволяет производить испытание изоляции электрооборудования как большой, так и малой емкости.

Результаты экспериментальных исследований при проведении высоковольтных испытаний на переменном токе промышленной частоты показали, что емкость испытуемого объекта оказывает существенное влияние на добротность резонансного контура и на режим работы РИУ. Задачей дальнейшего исследования является оценка влияния параметров изоляции высоковольтного оборудования на режимы работы испытательной установки. Измерения показали, что емкость изоляции высоковольтных электродвигателей, эксплуатируемых на объектах нефтегазовой отрасли, находится в диапазоне от 35 до 150 нФ.

Исследование влияния параметров изоляции высоковольтного оборудования на режимы работы испытательной установки осуществлялось с помощью экспериментальных испытаний опытного образца РИУ и компьютерного моделирования в среде Matlab.

Описание РИУ и ее схема

РИУ предназначена для проведения испытания изоляции высоковольтных электродвигателей повышенным переменным синусоидальным напряжением промышленной частоты 50 Гц.

Для проведения экспериментальных исследований в лаборатории научно–инженерного центра ООО НИЦ «Энергодиагностика» (г. Уфа) разработан и изготовлен макетный образец, на котором было исследовано влияниепараметров изоляции высоковольтного оборудования на режимы работы испытательной установки.

Принципиальная схема резонансной испытательной установки с испытательным объектом представлена на рис.1.

Рис.1. Принципиальная схема РИУ:

1 – источник питания с регулируемой выходной частотой; 2 – активное сопротивление дросселя, Ом; 3 – дроссель (индуктивность дросселя),мГн; 4 – конденсатор, мкФ; 5 – высокопотенциальный повышающий трансформатор; 6 – ограничительное сопротивление, кОм; 7 – емкость испытуемого объекта, нФ.

Экспериментальное исследование

В ходе исследования макетного образца РИУ определены его основные параметры, выполнен перерасчет и произведена оптимизация основных узлов схемы.Созданный макетный образец РИУ для исследования влияния параметров изоляции высоковольтного оборудования на режимы работы испытательной установки представлен на рис. 2.

Рис. 2. Макетный образец РИУ:

1 – источник питания с регулируемой выходной частотой; 2 – штанга разрядная; конденсатор, мкФ; 3 – автотрансформатор; 4 – киловольтметр (0–3 кВ); 5 – конденсатор; 6 –высокопотенциальный повышающий трансформатор; 7 – емкость объекта, нФ; 8 – ограничительное сопротивление, кОм; 9 – дроссель; 10 – киловольтметр (0–30 кВ).

В табл. 1 приведены результаты эксперимента по исследованию влияния емкости испытательного объекта на резонансную частоту.

Таблица 1

Результаты экспериментальногоисследования

Емкость

объекта, нФ

35

40

50

60

70

80

90

100

110

120

130

140

150

Резонансная частота

макетного образца, Гц

38

38

38

37

36

36

35

35

34

34

33

32

32

L расчетное

(резонансное), Гн

0,439

0,439

0,439

0,463

0,462

0,462

0,517

0,517

0,548

0,548

0,571

0,582

0,582

Напряжение на

дросселе, В

10,1

10,2

10,2

9,9

9,7

9,6

9,3

9,3

9

8,7

8,7

8,7

8,43

Напряжение на

конденсаторе, В

10,4

10,3

10

10

9,9

9,6

9,5

9,2

9,2

8,8

8,5

8,5

8,58

Напряжение на

испытательном

объекте, В

113

113

112

115

117

117

119

119

120

121

120

120

121

По результатам практических исследований построен график зависимости частоты резонансного контура от емкости испытательного объекта (рис.5).Величина отклонения частоты резонансного контура при изменении емкости объекта от 35 до 150 нФ находится в диапазоне от 38 до 32 Гц.

Определим причину влияния изменения емкости испытуемого объекта на резонансную частоту контура.Очевидно, что единственная изменяемая величина в первичной цепи - это величина индуктивности дросселя 3 (рис. 1). Индуктивность дросселя может изменяться только при изменении воздушного зазора магнитного сердечника дросселя. Для оценки данных зависимостей проведены исследования на макетном образце РИУ. На рис. 3апредставлены результаты полученной зависимости индуктивности дросселя от воздушного зазора при наличии резонанса в цепи.

а)

б)

в)

Рис.3. Исследование дросселя: а) зависимость индуктивности дросселя от воздушного зазора магнитопровода; б) зависимость магнитного сопротивления магнитопровода дросселя от воздушного зазора; в) зависимость магнитной проницаемости магнитопровода дросселя от воздушного зазора.

Из рис. 3а видно, что при индуктивности дросселя от 0,439 до 0,582 Гн рабочий зазор находится в диапазоне от 6,8 до 9,9 мм. По полученному графику зависимости индуктивности дросселя от воздушного зазора магнитопровода (рис.3а) определяем магнитное сопротивление магнитопровода.

На рис. 3бпредставлены результаты расчета зависимости магнитного сопротивления магнитопровода дросселя от воздушного зазора.Из рис.3б видно, что при изменении воздушного зазора магнитопровода дросселя в диапазоне от 6,8 до 9,9 мм магнитное сопротивление изменяется от 1325805 до 1634382 Гн-1.

По полученному графику зависимости магнитного сопротивления магнитопровода дросселя от воздушного зазора (рис.3б) определяем магнитную проницаемость магнитопровода. На рис.3в получены результаты расчета магнитной проницаемости магнитопровода дросселя от воздушного зазора.Из рис.3в видно, что при изменении воздушного зазора магнитопровода дросселя в диапазоне от 6,8 до 9,9 мм магнитная проницаемость изменяется от 93 до 74.

Компьютерное моделирование в среде Matlab

В компьютерной модели РИУ исследуем влияние параметров изоляции высоковольтного оборудования на режимы работы испытательной установки, с учетом нелинейности характеристики намагничивания материала сердечника двухобмоточного высокопотенциального трансформатора. Схема моделирования РИУ в программе Matlab представлена на рис.4, с известными входными параметрами (табл.2).В модели сопротивление цепи намагничивания учитывает активные потери в сердечнике. Нелинейная индуктивность учитывает насыщение сердечника трансформатора. Нелинейная характеристика в модели задается как кусочно–линейная зависимость между магнитным потоком сердечника и током намагничивания, также имеется возможность задать остаточный магнитный поток в сердечнике.

Активные сопротивления, индуктивности обмоток и сопротивления цепи намагничивания задаются в относительных единицах аналогично модели линейного трансформатора.

Рис.4. Схема моделирования в Matlab.

Таблица 2

Исходные данные для моделирования

Наименование

Ед. изм.

Значение

1

Активное сопротивление дросселя, Rдр

Ом

2,69

3

Емкость конденсатора, Скон

мкФ

40

4

Индуктивность первичной обмотки трансформатора, Lтр1

Гн

3,81

5

Активное сопротивление первичной обмотки трансформатора, Rтр1

Ом

5,6

6

Индуктивность вторичной обмотки трансформатора, Lтр2

Гн

336

7

Активное сопротивление вторичной обмотки трансформатора, Rтр2

Ом

577

8

Ro учитывает потери в магнитопроводе (на вихревые токи и на гистерезис)

Ом

0,86

9

Lо учитывает намагниченность материала сердечника

Гн

0,158

10

Емкость объекта, Соб

нФ

35 – 150

11

Активное сопротивление ограничительного сопротивления, Rогр

кОм

2

Моделирование производилось при условии сохранения резонанса напряжения, а именно равенства напряжения на конденсаторе и дросселе в первичной цепи трансформатора.

В табл.3 представлены результаты моделирования в программе Matlab.

Таблица 3

Результаты компьютерного моделирования

Емкость

объекта, нФ

35

40

50

60

70

80

90

100

110

120

130

140

150

Резонанснаячастота

комп. модели, Гц

38

38

38

38

38

38

37

37

37

36

35

34

33

L расчетное

(резонансное), Гн

0,439

0,439

0,439

0,463

0,462

0,462

0,517

0,517

0,548

0,548

0,571

0,582

0,582

Напряжение на

дросселе, В

9,54

9,53

9,55

9,84

9,80

10,02

9,68

9,06

8,92

8,71

8,90

8,92

8,92

Напряжение на

конденсаторе, В

10,02

9,98

9,90

9,71

9,63

9,37

9,06

8,96

8,56

8,85

8,49

8,01

8,63

Напряжение на

испытательном

объекте, В

116,5

115,1

114,1

118,8

117,8

119,6

121,8

120,6

119,7

122,6

121,8

118,0

123,2

По результатам компьютерного моделирования построен график зависимости частоты резонансного контура от емкости испытательного объекта (рис.5).

Рис. 5. Результаты исследования:

1 –макетный образец РИУ; 2 – компьютерная модель РИУ в Matlab

Выводы:

1. Получены результаты зависимости частоты резонансного контура от емкости испытательного объекта РИУ опытного образца и компьютерной модели.

При работе исследуемой схемы от сети промышленной частоты 50 Гц схема переходит в квазирезонансный режим работы. Это объясняется тем, что при подключении нагрузки к вторичной обмотке испытательного трансформатора она начинает отдавать нагрузке некоторую мощность. Соответственно увеличивается и мощность, получаемая первичной обмоткой из питающей сети. Следовательно, при увеличении испытательного тока во вторичной обмотке возрастает и ток в резонансном контуре в первичной обмотке, тем самым магнитное сопротивление магнитопровода дросселя увеличивается, магнитный поток соответственно уменьшается, и, следовательно, изменяется воздушный зазор дросселя. При изменении воздушного зазора в схеме появляется «плавающая индуктивность» которая и определяет резонансный режим.

2. Результаты экспериментальных данных опытного образца РИУ и компьютерного моделирования показали, что при изменении емкости изоляции высоковольтного оборудования в диапазоне от 35 до 150 нФ изменяется частота резонансного контура в диапазоне от 38 до 32 Гц, что связано с изменением воздушного зазора магнитопровода дросселя в диапазоне от 6,8 до 9,9 мм.

Рецензенты:

Баширов М.Г., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой «Электрооборудование и автоматика промышленных предприятий» филиала ФГБОУ ВПО «УГНТУ», г. Салават;

Ураксеев М.А., д.т.н., профессор кафедры информационно-измерительной техники ФГБОУ ВПО «УГАТУ», г. Уфа.