Высоковольтные испытания электротехнического оборудования - важная составляющая часть процесса разработки и производства. С каждым годом ужесточаются требования как заказчиков, так и соответствующих стандартов. Возрастает роль испытательной лаборатории как критически важного узла производства и конкурентного преимущества на рынке.
Суть большинства высоковольтных испытаний сводится к проверке электрической прочности изоляции. Для выполнения данной проверки проводятся испытания повышенным напряжением, приложенным от отдельного источника. В зависимости от типа оборудования отличаются условия испытаний, но так или иначе задача сводится к одному — подать на объект напряжение с заданными характеристиками.
Если рассматривать вопрос на примере трансформаторного оборудования, то при испытаниях напряжением переменной частоты (МЭК60076-1,2,3 ГОСТ 1516-3) необходим источник напряжения, удовлетворяющий следующим требованиям:
- «хорошее» качество синусоиды (коэффициент негармонических искажений — менее 5%);
- широкий диапазон по уровню испытательного напряжения (для всей линейки оборудования);
- частота испытательного напряжения — 50-60 Гц для испытаний приложенным напряжением и до 200 Гц для испытаний индуцированным напряжением;
- низкий уровень собственных шумов частичных разрядов (ЧР).
Для реализации такой испытательной системы продолжительное время использовались электромашинные преобразователи (ЭМП) — электродвигатель, соединенный валом с электрическим генератором. Такой источник напряжения обладает рядом необходимых качеств:
- получение на выходе почти идеального синусоидального напряжения, требуемой частоты, без шумов, связанных с работой других потребителей сети;
- возможность получения на выходе трехфазного напряжения от однофазной сети;
- фильтрация бросков тока за счет инерции ротора.
Однако, подобное решение также обладает рядом существенных недостатков:
- сравнительно низкий ресурс по причине наличия движущихся частей, необходимость периодического вывода в ремонт и технического обслуживания (смазка подшипников, чистка коллекторов, замена щеток в коллекторных машинах);
- длительный срок ремонта (необходимо физически разбирать устройство)
- большая масса, вибрация и шум;
- низкий КПД, как правило, 50–70%, из-за двойного преобразования энергии;
- повышенная пожароопасность.
Следует отметить, что при проведении для испытаний трансформатора индуцированным напряжением, потребуется второй источник испытательного напряжения повышенной частоты (200 Гц). При необходимости испытывать оборудование, предназначенное для работы на частоте, отличной от 50 Гц, может понадобиться еще один, дополнительный.
Электромашинный преобразователь — габаритное и шумное оборудование. Оно требует установки на фундаменты в отдельном машинном зале. В пересчете на единицу массы, удельная мощность подобной системы составляет порядка 0,125 МВА на тонну веса. Тем не менее, большое количество предприятий до сих пор оснащено именно электромашинными преобразователями, поскольку они долгое время являлись единственным подходящим источником напряжения для высоковольтных испытательных систем.
Несмотря на то, что полупроводниковая силовая преобразовательная техника с момента появления развивалась очень быстро, долгое время индустрия не могла предложить достойной альтернативы электромашинным преобразователям для использования при высоковольтных испытаниях.
В середине девяностых годов, компания SIEMENS AG одной из первых решилась модернизировать свою испытательную лабораторию в ФРГ и заменить мотор-генераторы (ЭМП) собственного производства тиристорными преобразователями компании HIGHVOLT. Затем подобные системы ввиду их удобства и универсальности стали внедряться другими крупными производителями — ABB, SMITH, MITSUBISHI. Современные статические преобразователи частоты стали значительно мощнее, компактнее и, что немаловажно — дешевле.
Система для проведения испытаний трансформаторов должна быть пригодна для широкой линейки изделий; требования должны выдерживаться при разных характеристиках объекта испытаний и испытательных напряжениях. Как источник испытательного напряжения, статический преобразователь практически лишен недостатков: он работает в широком диапазоне частот (40–200 Гц) и, соответственно, заменят собой несколько генераторов, к тому же он значительно компактней — порядка 0,5 МВА на тонну веса (в комплексе с системой управления и распредустройством). Благодаря электронному управлению, в случае пробоя объекта испытаний, скорость отключения преобразователя составляет до 10 мкс, что значительно быстрее, чем существующие системы на базе ЭМП. Следствие высокой скорости отключения — минимальные повреждения объекта, что облегчает определение места пробоя, и само по себе более безопасно.
С технической точки зрения имеются две основные проблемы применения полупроводниковых преобразователей, решение которых является, можно сказать, ноу-хау производителей.
Первая — это «качество» испытательного напряжения. Ограничение суммарного значения коэффициента нелинейных искажений испытательного напряжения имеет решающее значение для проведения испытаний согласно стандарту МЭК.
В части трансформаторного оборудования в МЭК 60076-1 и 60076-3 предельное значение коэффициента нелинейных искажений определено как «менее 5%». Как получить «идеальную» синусоиду — военный секрет каждого конкретного производителя. Однако, пример, который приводился HIGHVOLT на тематических конференциях, иллюстрирует, что даже при экстремально нелинейном испытательном токе, динамические характеристики преобразователя позволяют сохранить стабильную синусоиду напряжения:
Вторая проблема — шум частичных разрядов. При проведении испытаний, источников Ч Р, собственно, два: «шум», приходящий по сети и из окружающей среды, и сам преобразователь, который также является источником помех. Причем, шумы преобразователя могут быть значительны. От помех избавляются следующими способами: применяя специальные схемы управления преобразователями, устанавливая фильтры с низкой и с высокой стороны испытательной системы, отсекая тем самым как внешние, так и собственные шумы. Отметим, что стандарты в части ЧР ужесточились в разы за последние несколько лет, и следует ожидать дальнейшего снижения разрешенного уровня. Практический предел снижения шумов ЧР испытательной системы на базе статического преобразователя — 1–2 пКл. Подобные системы существуют и эксплуатируются в достаточных количествах.
Есть и другие, не столь критичные, но важные отличия: преобразователи разных производителей отличаются мощностью, продолжительностью непрерывной работы, температурным режимом, размерами и исполнением.
Еще одним важным преимуществом статического преобразователя по сравнению с ЭМП является возможность (за счет подстройки испытательной частоты) достичь так называемой «точки самокомпенсации».
Как известно, катушка индуктивности представляет собой колебательный контур с характерной частотой резонанса. На частотах много ниже частоты собственного резонанса импеданс катушки индуктивный, при частотах вблизи резонанса в основном активный, на частотах выше — емкостный. При проведении испытаний индуцированным напряжением на частоте, близкой к «точке самокомпенсации», значительно снижаются требования к реактивной составляющей мощности испытательной системы (и/или конденсаторной батареи, служащей для ее компенсации). Благодаря этому, комплектные испытательные системы на базе статического преобразователя для испытаний небольших трансформаторов мощностью до 5000 кВА могут быть выполнены компактным модулем по размеру соответствующему 10 футовому контейнеру.
Заключение
Применение силовой электроники в области высоковольтных испытаний позволило значительно усовершенствовать испытательное оборудование: улучшить технические характеристики, повысить безопасность и упростить применение. Статические преобразователи доказали свою эффективность, надежность в эксплуатации и значительный потенциал к дальнейшему совершенствованию. Производители испытательного оборудования ведут интенсивные разработки в этом направлении, хоть и с различной степенью успеха. Но очевидно, что старые технологии отживают свой срок, и будущее индустрии испытаний на ближайшие десятилетия будет тесно связано именно с развитием статических преобразователей, как гибкого, надежного и недорогого решения.
Литература
[1] A. Winter and A. Thiede, A New Generation of On-site Test Systems for power Transformers, International Symposium on Electrical Insulation 2008, Vancouver, Canada, 2008. [2] W. Hauschild; A. Thiede; T. Leibfried; F. Martin, Static frequency converter for high voltage test of power transformer, Stuttgarter Hochspannungssymposium 2006, Stuttgart, Germany, 2006. [3] W. Hauschild u.a., the technique of AC on-site testing of HV cables by frequency-tuned resonant test system, Cigre Report 33-304, 2002.
[4] IEC 60060-1: 2011: High-voltage test techniques, Part 1: General definitions and test requirements.
[5] IEC 60060-2: 2010: High-Voltage Test Techniques Part 2: Measuring systems.
[6] IEC 60060-3: 2006: High-voltage test technique. Part 3: Definitions and requirements for on-site testing. [7] IEC 60076-1, Power transformers – Part 1: General, 1997-06. [8] IEC 60076-3, Power Transformer, Part 3: Insulation levels, dielectric tests and external clearances in air, 2000-03. [9] A. Winter and A. Thiede, New Technologies for On-Site Testing of Large Power Transformers, VII международной научно-технической конференции «Силовые трансформаторы и системы диагностики», Moscow, 2010.
Павел ХОТАРЕВ,
технический директор ООО «РИТ»
Статья размещена в журнале «Электротехнический рынок», №4 (58)
