Расчет электроизоляционных конструкций из минимума среднегодовых расчетных затрат. Координация изоляции

В заключении рассмотрим, какие существуют подходы к расчету электрической изоляции, учитывая, что именно электрическая изоляция электрооборудования в значительной степени и предопределяет его размеры, стойкость и безаварийность работы.

Традиционный метод проектирования электрической изоляции заключается в следующем [31]. По наибольшему рабочему напряжению U_рм с учетом коэффициента запаса k₃ и максимальной напряженности поля E_м определяют толщину изоляции:

. (1-4)

Недостатком такого подхода является то, что коэффициент запаса k₃ не дает возможностей полного учета условий эксплуатации электроизоляционного материала.

Внедрение новых электроизоляционных материалов и повышение требований к надежности электрооборудования ставит задачу уже на стадии проектирования проводить оценку не только капитальных затрат, но и срока службы изоляции и вероятность ее безотказной работы, т.е. проводить детальный экономический анализ или как его называют функционально - стоимостный анализ (ФСА). Рассмотрим основные положения ФСА [31,34].

Чтобы выполнять свои функции изоляция должна удовлетворять комплексу требований, главные из которых:

а) относительно малые размеры и низкая стоимость;

б) изоляция должна быть надежной в работе и обеспечивать заданный

срок службы или экономически обоснованный срок службы.

Эти требования взаимно противоречивы, поэтому приходится выбирать компромиссный вариант, исходя из минимума среднегодовых расчетных затрат С_Р, которые определяются по формуле:

, (1-5)

где: С_к – первоначальные затраты на изготовление изоляционной конструкции;

С_М – затраты на монтаж, включая транспортные расходы;

С_Э – среднегодовые затраты на эксплуатацию изделия;

С_У – стоимость ущерба от внезапного отключения оборудования из-за

повреждения изоляции;

Q(t) – вероятность отказа;

t - время до отказа оборудования.

Размеры электрической изоляции (длина и толщина) определяют затраты на изоляцию. Длина изоляции (например у кабеля или изолятора) обычно задается. В этом случае основным размером, определяющим среднегодовые расчетные затраты является толщина изоляции D. При увеличении толщины изоляции растут ее объем, масса и стоимость (кривая на рис.8.16).

С другой стороны рост толщины изоляции сопровождается уменьшением рабочей напряженности поля, что неизбежно приведет к уменьшению вероятности пробоя Q(t) и к увеличению времени до отказа (кривая на рис.8.16). При этом учитывается не только длительное воздействие напряжения промышленной частоты, но и кратковременные воздействия грозовых и коммутационных (внутренних) перенапряжений. Электрическая изоляция, имеющая большую толщину, будет более надежной. Следовательно, ущерб от внезапного отключения оборудования снизится. Однако, чтобы не слишком завышать толщину изоляции с учетом этих больших перенапряжений, для снижения уровней перенапряжения применяют специальные ограничители перенапряжений

Эксплуатационные расходы С_Э сравнительно мало зависят от толщины изоляции, так как профилактические осмотры и испытания нормируются

ПТЭ (кривая на рис.8.16). Потери энергии снижаются с ростом толщины D, но ими можно пренебречь. С учетом вышеизложенного зависимость среднегодовых расчетных затрат С_Р и их отдельных составляющих от толщины изоляции будет иметь минимум (кривая на рис.8.16).

Как видно из рис.8.16 минимум среднегодовых расчетных затрат соответствует некоторой толщине D_О. При этой толщине обеспечивается оптимальная с экономической точки зрения надежность работы изоляции, т.е. допускается некоторая небольшая экономически оправданная вероятность повреждения изоляции или перерыв в электроснабжении неответственных потребителей. Например, среднее число перекрытий для линий электропередач допускается один раз в течение 10 лет, а на подстанциях один раз в течение 50 лет.

С помощью профилактических испытаний в эксплуатации постоянно поддерживается этот принятый уровень надежности. Такой подход к выбору изоляции, когда ее прочность согласовывается с воздействующим на нее напряжениям и перенапряжениям, называют координацией изоляции.. Напомним, что при координации (согласовании) изоляции должно учитываться действие ограничителей перенапряжения..

Другими словами, весь комплекс мероприятий, обеспечивающий надежную и экономически целесообразную работу изоляции при рабочем напряжении и воздействии внутренних и грозовых перенапряжений, и называют координацией изоляции или приведением изоляции к норме. Таким образом, координация изоляции является одной из главных задач при проектирования электроустановок.

Расчеты и опыты показывают, что электрические поля в изоляционных конструкциях обычно получаются неоднородными, т.е. наибольшая напряженность Е_макс значительно превышает среднюю Е_ср. Е_макс = К_нЕ_ср, где К_н – коэффициент неоднородности электрического поля. Кривая вероятности отказа определяется значением Е_макс. Если электрическое поле сделать более однородным, т.е. уменьшить коэффициент К_н, то кривая вероятности отказа сместится влево и минимум среднегодовых расчетных затрат уменьшится, так как уменьшится толщина изоляции D_О.

Процесс уменьшения неоднородности электрического поля в изоляции называется регулированием электрических полей в изоляции. Методы регулирования электрических полей в наиболее часто применяемых высоковольтных конструкциях и аппаратах рассматриваются в дисциплине «Техника высоких напряжений».