Некоммерческое акционерное общество

АЛМАТИНСКИЙ ИНСТИТУТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ

Кафедра “Электрические станции, сети и системы ”

ТЕХНИКА ВЫСОКИХ НАПРЯЖЕНИЙ.

ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ И ИЗОЛЯЦИЯ

Методические указания к выполнению лабораторных работ

для студентов всех форм обучения специальности 050718 – « Электроэнергетика»

Алматы 2007

СОСТАВИТЕЛИ: В.Н.Борисов, Ж.К.Оржанова. Техника высоких напряжений. Перенапряжения и изоляция. Методические указания к выполнению лабораторных работ для студентов всех форм обучения специальности 050718 – «Электроэнергетика». - Алматы: НАО АИЭС, 2007.-27 с.

Методические указания содержат описание лабораторных работ по курсам «Техника высоких напряжений», «Перенапряжения и изоляция» и требования, предъявляемые к подготовке и оформлению лабораторных работ. Дан перечень рекомендуемой литературы.

Методические указания предназначены для студентов, обучающихся по специальностям направления 050718 – Электроэнергетика.

Ил. 12, табл. 3, библиогр. -3 назв.

Рецензент: канд.техн.наук, профессор Г.Х. Хожин.

Печатается по плану издания некоммерческого акционерного общества «Алматинский институт энергетики и связи» на 2007г.

©НАО Алматинский институт энергетики и связи, 2007г.

Введение

Настоящие методические указание представляют собой руководство к лабораторным работам, выполняемым студентами, обучающимися по специальностям направления 050718 – Электроэнергетика, при изучении курсов Техника высоких напряжений и Перенапряжения и изоляция. Лабораторные работы знакомят студентов с закономерностями того или иного процесса, методами испытаний и измерений на высоких напряжениях. Лабораторные работы поставлены на реальных установках высокого напряжения.

Поскольку в лабораторных работах исследования проводятся на высоком напряжении, важное значение приобретает разъяснение студентам техники безопасности при работе на электроустановках в высоковольтной лаборатории. К выполнению лабораторных работ допускаются студенты, прошедшие инструктаж по технике безопасности, сдавшие зачет и сделавшие отметку в специальном журнале инструктажа. В случае нарушения инструкции по технике безопасности студент удаляется из лаборатории и к следующему занятию допускается только после разрешения декана факультета или заведующего кафедрой.

В процессе выполнения лабораторных работ студент должен руководствоваться материалом настоящих методических указаний и непосредственными указаниями преподавателя. К следующему занятию каждый член бригады составляет отчет по выполненной работе. Отчет должен быть оформлен аккуратно, технически грамотно. Небрежно составленные отчеты преподавателем не принимаются. Отчет должен содержать:

- номер и название работы:

- цель работы:

- схему установки с обозначением основного оборудования:

- таблицы экспериментальных и расчетных данных;

- графики полученных зависимостей и расчетные формулы;

- краткое описание полученных закономерностей, а также в случае, необходимости, заключение о соответствии определенных в расчете величин требованиям стандартов и технических условий.

Студенты, не представившие отчет по выполненной работе, к следующему занятию не допускаются. Для защиты работы студенты должны подготовиться в соответствии с контрольными вопросами и рекомендуемой литературой.

1 Лабораторная работа №1. Распределение напряжения по элементам гирлянды изоляторов

Цель работы: изучение распределения напряжения по элементам гирлянды изоляторов, ознакомление со способами выравнивания напряжения по гирлянде изоляторов.

1.1 Описание лабораторного стенда

Электрическая схема лабораторного стенда приведена на рисунке 1. Установка состоит из регулятора напряжения, высоковольтного трансформатора, кенотронной приставки, измерительного шарового разрядника, емкостного делителя напряжения, осциллографа, защитного сопротивления, измерительного прибора МУТ-7 (измеритель напряжения) и испытуемых объектов. Установка снабжена блокировкой, заземляющей штангой и защитными средствами от поражения электрическим током.

Рисунок 1 – Электрическая схема

Подача напряжения на лабораторную установку осуществляется с щита управления, расположенного в аудитории Б-117.

При закрытой двери срабатывает блокировка (Б) и загорается зеленая сигнал – лампочка. Включение установки под напряжение осуществляется автоматическим выключателем (АВ), при этом загорается красная лампочка. Регулятор напряжения (РН) служит для регулирования напряжения первичной цепи высоковольтного трансформатора (ВТ).

Вольтметр (V) предназначен для регистрации действующего значения первичного напряжения. Высоковольтный трансформатор служит для получения высокого напряжения промышленной частоты. Выпрямление высокого напряжения осуществляется с помощью кенотронной приставки, состоящей из трансформатора накала (ТН) кенотрона (К). Защитное сопротивление состоит из проволочных сопротивлений с бифилярной намоткой (500 кОм) и предназначенного для ограничения токов короткого замыкания.

Емкостный делитель напряжения служит для регистрации высокого напряжения осциллографом С1-19Б и измерительным прибором МУТ-7. Шаровой измерительный разрядник предназначен для непосредственного измерения высокого напряжения.

При измерении высокого напряжения МУТ-7 необходимо пользоваться градуировочной кривой приведенной на рисунке 2.

Рисунок 2 – Градуировочная кривая

Определение максимального значения высокого напряжения при его измерении шаровым измерительным разрядником (D=25 cм) осуществляется по таблице 1.

Т а б л и ц а 1 – Табличные значения напряжения при нормальных условиях (Р₀=760 мм, Т₀=293 К)

S, см	1	1,2	1,5	1,6	2,0	2,4	2,8	3,0	4,0	5,0	6,0
U, кВ	31,7	37,4	45,5	48,1	59,0	70,0	81,0	86,0	112	137	161

При определении значения напряжения необходимо воспользоваться формулами интерполяции

(1.1)

где l_i – измеренное значение расстояния между шарами;

U_i₊₁; U_i_-1; l_i₊₁; l_i_-1 – табличные значения расстояния между шарами и соответствующие им напряжения до и после измеренного значения l_i.

Приведение табличного значения напряжения к истинным значениям осуществляется по формуле

(1.2)

где

- относительная плотность воздуха.

Если измеренное значение расстояние между шарами меньше 1 см, соответствующие ему напряжения определяются как

(1.3)

Кроме того, установка снабжена образцами из диэлектрических материалов с различной гигроскопичностью, макетом, моделирующим опорный и проходной изолятор, набором стержней и плоскостей, моделирующих изоляционные промежутки провод-земля, провод-провод, барьером из диэлектрического материала, конденсатором Роговского (Д=20 см).

Порядок включения и отключения установки

1.1.1 Открыть вход в электроустановку и наложить временное заземление на высоковольтный выход трансформатора.

1.1.2 Произвести необходимые электрические соединения:

а) для переменного напряжения высоковольтный вывод трансформатора соединяется с испытуемым объектом;

б) для постоянного напряжения высоковольтный вывод трансформатора соединяется с катодом кенотрона, накал которого питается от накального трансформатора ТН с усиленной изоляцией, а анод кенотрона соединяется с испытуемым объектом;

в) произвести необходимые переключения на испытательном поле;

г) снять временное заземление;

д) убедиться, что ручка регулятора напряжения находится в крайнем левом положении;

е) подать на стенд напряжение со щита управления;

ж) включить автоматический выключатель;

з) подать необходимое значение напряжения на испытуемый объект с помощью регулятора напряжения;

и) после производства опытов вывести регулятор напряжения в крайнее левое положение (при выполнении данной работы регулятор не выводится в крайнее левое положение);

к) отключить стенд с помощью автоматического выключателя;

л) при необходимости производства работ на испытательном поле, открыть вход в установку и наложить временное заземление на высоковольтный вывод трансформатора с помощью заземляющей штанги;

м) при наложении временного заземления и производства работ на испытательном поле необходимо пользоваться диэлектрическими перчатками и ботами;

н) после окончания работ отключить стенд со щита управления.

1.2 Подготовка к работе

1.2.1 Студенты допускаются к работе после ознакомления с описанием стенда, изучения инструкций по технике безопасности, прохождения инструктажа на рабочем месте и с росписью в журнале по ТБ.

1.2.2 Величина приложенного напряжения и число элементов в гирлянде задаются преподавателем.

1.2.3 Производятся необходимые электрические соединения, обеспечивающие подачу на гирлянду изоляторов переменного напряжения промышленной частоты.

1.2.4 Измерение высокого напряжения осуществляется с помощью прибора МУТ-7 или измерительного шарового разрядника.

1.2.5 Расчет напряжения на элементе от провода производится по формуле

(1.4)

где U₀ – напряжение, приложенное к гирлянде;

C₁ – паразитные емкости на землю (5пФ);

C₂ – паразитные емкости на провод (0,5пФ);

K – собственная емкость изолятора (40пФ);

n – число элементов в гирлянде.

Относительное значение напряжения на k элементе определится как:

(1.5)

Коэффициент неравномерности равен

(1.6)

где U_макс – максимально загруженный элемент гирлянды;

U_ср=U₀/n – среднее падение напряжения на элементе гирлянды.

1.2.6 После обработки опытных данных дать физическое истолкование полученных результатов.

1.3 Выполнение работы

1.3.1 Ознакомиться с описанием лабораторного стенда.

1.3.2 Определить распределение напряжения по гирлянде изоляторов.

1.3.3 Определить распределение напряжения по элементам гирлянды с выравнивающим экраном.

1.3.4 Определить относительное распределение напряжения по гирлянде изоляторов и коэффициент неравномерности распределения.

1.3.5 Определить зависимость коэффициента неравномерности распределения от числа элементов в гирлянде.

1.3.6 Построить зависимости относительного распределения напряжения по элементам гирлянды и сравнить с расчетными данными.

1.3.7 Построить зависимость коэффициента неравномерности распределения от числа элементов в гирлянде.

Выводы

Выводы должны содержать краткий анализ произведенной работы и полученных результатов, а также возможность использования полученных результатов на практике, в производственных условиях и исследовательской работе.

1.4 Контрольные вопросы

1.4.1 Дайте полную схему замещения гирлянды изоляторов.

1.4.2 Объясните влияние емкостей С₁ и С₂ на распределение напряжения по элементам гирлянды.

1.4.3 Какие способы выравнивания напряжения вы знаете?

1.4.4 Расскажите про устройства подвесных и стержневых изоляторов.

1.4.5 Расскажите про устройства линейных изоляторов тарельчатого типа.

1.4.6 Объясните механизм пробоя по загрязненной и увлажненной поверхности изоляторов.

1.4.7 Как можно повысить грязеразрядные напряжения изоляторов?

1.4.8 Как производится измерение высокого напряжения с помощью шаровых разрядников?

2 Лабораторная работа №2. Генератор импульсных напряжений – ГИН-1000

Цель работы: изучение электрических схем, конструктивного исполнения, принципа действия, технического обслуживания, эксплуатации ГИН-1000 и дополнительных устройств; определение импульсной прочности элементов изоляции электрооборудования.

2.1 Описание лабораторного стенда

ГИН исполнен в виде стационарной установки в открытой этажерочной конструкции с расположенными друг над другом каскадами. На рисунке 3 представлена принципиальная электрическая схема ГИН.

ГИН-1000 включает в себя: регулировочный трансформатор, зарядное устройство, емкостно-омический делитель напряжения, измерительный шаровой разрядник, пульт управления, заземляющее устройство и добавочные устройства для полуавтоматического управления ГИН-1000:

Рисунок 3 – Принципиальная электрическая схема ГИН-1000

- SQS-2 – устройство поджига, позволяющее запускать ГИН-1000 кнопкой на пульте управления;

-SQST-1 – устройство полуавтоматической работы ГИН;

-SQST-3 – устройство для автоматического управления амплитудой зарядного напряжения ГИН.

Конструктивно ГИН имеет четыре изоляционные трубы из гетинакса на основной раме. В расположенных друг на друге восьми ступенях ГИН размещены конденсаторы, разрядники и сопротивления. Сверху ГИН заканчивается экранирующими кольцами.

В середине изоляционных колонн смонтирована дополнительная изоляционная колонна, к которой прикреплены неподвижные шары разрядников и демпфирующие сопротивления. Подвижные шары находятся на изоляционной трубе, перемещаемые электродвигателем.

Самый нижний разрядник – тригатрон, в обоих шарах которого предусмотрены поджигающие электроды. Поджигающий импульс формируется дополнительным устройством SQS. Разрядные сопротивления расположены вертикально у двух изоляционных колонн. Демпфирующие и разрядные сопротивления – проволочные, с бифилярной намоткой.

Регулировочный трансформатор входит в состав распределительного шкафа, расположенного в силовом отсеке лаборатории.

Трансформатор позволяет изменять напряжение в низковольтной цепи в пределах 0-220 В. Кроме регулировочного трансформатора, в распределительном шкафу находится главный и рабочий контакторы и конденсатор цепи управления, а также измерительный трансформатор тока первичной цепи.

Связь ГИН с зарядным устройством осуществляется через высоковольтный кабель со вставной муфтой. Высоковольтный трансформатор, конденсатор, высоковольтный выпрямитель и защитные выпрямления, которые подвешены к крышке бака. Высоковольтные выпрямители выполнены с возможностью переключения и состоят из последовательно включенных селеновых элементов, размещенных в гетинаксовой трубе. Электродвигатель находится на крышке бака. Если при переключении выпрямители достигли своего рабочего положения, электродвигатель отключается автоматически при помощи конечных выключателей. Защитное сопротивление состоит из последовательно включенных углеродистых пленочных сопротивлений.

Для автоматической разрядки ГИН предусмотрено разрядное устройство, расположенное у точки подвода питания ГИН. На стальной плите установлен электрогидравлический орган управления. При вращающемся двигателе в устройстве натягивается пружина. Стальной прут через болты, и рычажное устройство удерживается в положении «открыто» в горизонтальном положении. При отключенном двигателе стальной прут опускается на демпфирующее сопротивление, находящееся у точки подвода питания ГИН. В этом положении разрядный переключатель «замкнут».

Емкостно-омический делитель напряжения предназначен для точного измерения импульсных напряжений. Высоковольтное плечо емкостного делителя является базовой нагрузкой, оно всегда соединено с ГИН и состоит из расположенных друг над другом бумажно-масляных конденсаторов. У основания емкостно-омического делителя предусмотрено два гнезда для подключения вольтметра МУТ-7 и осциллографа.

Измерительный шаровой разрядник представляет два вертикально расположенных шаровых электрода диаметром 75 см. Расстояние между шарами определяется прибором на пульте управления.

Управление главным и рабочим выключателями, однофазным регулировочным трансформатором производится с пульта управления. С целью ограничения пиков в разрядном токе и для установки времени разряда ГИН в главной цепи тока предусмотрена дроссельная катушка с ответвлениями.

Повышение зарядного напряжения производится так долго, пока нажата кнопка «напряжение увеличить». После нажатия кнопки «напряжение уменьшить», регулировочный трансформатор переходит автоматически в свое нулевое положение или он останавливается при нажатии на кнопку «СТОП». Регулировочный трансформатор переходит автоматически в свое нулевое положение при срабатывании рабочего контактора.

Нажатием на кнопку «полярность» включается двигатель генератора постоянного напряжения. При достижении рабочего положения выпрямителя двигатель автоматически выключается при помощи конечного выключателя и возбуждает реле. Включается сигнальная лампа индикации полярности, а прибор переключается на индикацию зарядного напряжения. При наличии напряжения 110 В сельсин – датчика и сельсин – приемника можно выключать электропривод изменением расстояния между шарами разрядника. Кнопка «напряжение увеличить», «напряжение уменьшить» через контакторы включает двигатель. Двигатель каждый раз остается так долго включенным, пока не будет нажата кнопка «СТОП» или пока не будет достигнуто конечное положение конечного выключателя.

Порядок включения и отключения лабораторного стенда

2.1.1 Произвести визуальный осмотр исправности испытательной установки.

2.1.2 Снять заземляющие штанги и произвести включение ГИН подачей напряжения в распределительный шкаф и замыкание блокировок. Включение ГИН осуществляется подачей напряжения в распределительный шкаф и замыкания блокировок (дверных).

2.1.3 Включить цепь управления при помощи замкового выключателя «цепь управления вкл.». При этом загораются зеленые сигнальные лампы в кнопках «главный контактор вкл.» и «рабочий контактор вкл.». Установить ручкой яркость освещения шкал приборов.

2.1.4 Включить главный контактор кнопкой «главный контактор вкл.». При этом загорается красная сигнальная лампа и гаснет зеленая лампа.

2.1.5 Включить рабочий контактор кнопкой «рабочий контактор вкл.». При этом гаснет зеленая лампа и загорается сигнальная красная лампа «рабочий контактор вкл.» и размыкается разрядный переключатель.

2.1.6 Установить расстояние между разрядными шарами кнопками «расстояние между шарами измерительного разрядника уменьшить» и «расстояние между шарами разрядника увеличить».

2.1.7 Установить разрядное напряжение кнопками «напряжение увеличить», «напряжение уменьшить» и «напряжение стоп».

2.1.8 Произвести запуск ГИН главным увеличением зарядного напряжения.

2.1.9 При работе ГИН в полуавтоматическом режиме подключение добавочных устройств производится преподавателем.

2.1.10 Установить зарядное напряжение на нуль кнопкой «напряжение уменьшить».

2.1.11 Отключить рабочий контактор кнопкой «рабочий контактор выкл.». При этом стальной прут разрядника переключателя опускается на линию питания генератора. Гаснет красная лампа.

2.1.12 Отключить главный контактор. Гаснет красная лампа и загорается зеленая лампа.

2.1.13 Отключить цепь управления кнопкой «цепь управления выкл.». Гаснут зеленые лампы.

2.1.14 Наложить заземляющие штанги.

2.1.15 В случае аварии или пожара на электроустановке нажать кнопку «аварийное отключение» или открыть двери на испытательное поле.

2.2 Подготовка к работе

2.2.1 Ознакомиться с назначением, принципом действия и конструктивным исполнением ГИН-1000 в соответствии с литературой и настоящим описанием.

2.2.2 Ознакомиться с основными элементами установки ГИН-1000, определить их месторасположение в лаборатории и место в электрической схеме, проследить с помощью электрической схемы основные цепи электрических соединений.

2.2.3 Изучить расположение и назначение кнопок управления, регистрирующих приборов и дополнительных устройств на пульте управления.

2.2.4 Изучить последовательность операций при включений и отключении ГИН-1000.

2.3 Выполнение работы

2.3.1 Поднять зарядное напряжение на ГИН-1000 по заданию преподавателя. Произвести включение установки ГИН-1000.

2.3.2 Измерить параметры импульса напряжения различными способами с помощью:

а) шарового измерительного разрядника;

б) делителя напряжения электронного осциллографа и прибора МУТ-7.

2.3.3 Произвести отключение установки ГИН-1000.

2.3.4 Оценить 50% разрядное напряжение типового воздушного промежутка или изоляционной конструкции (по заданию преподавателя). Для этого:

- открыть дверь на исполнительном поле и наложить заземляющую штангу на верхнюю ступень ГИНа;

- произвести сборку схемы испытаний;

- снять заземляющие штанги и закрыть дверь на испытательное поле;

- включить установку.

2.3.5 Снять кривую зависимости разрядного напряжения между шарами от расстояния между ними , произвести статистическую обработку результатов.

В случае использования добавочных устройств к ГИН-1000 их подключение осуществляется преподавателем.

Выводы

Выводы должны содержать краткий анализ произведенной работы и полученных результатов на практике, в производственных условиях и исследовательской работе.

2.4 Контрольные вопросы

2.4.1 Назначение ГИН.

2.4.2 Конструкция ГИН-1000.

2.4.3 Принцип работы ГИН.

2.4.4 Как осуществляется включение и отключение ГИН-1000?

2.4.5 Как производятся испытания импульсным напряжением?

2.4.6 Что такое стандартный импульс?

2.4.7 Назначение R_защ, R_зар и др. элементов ГИН.

2.4.8 Составьте схему замещения разрядной цепи ГИН.

2.4.9 Назначение и расположение источника зарядного напряжения, емкостей, защитного, зарядных и демпфирующих сопротивлений, щарового разрядника, делителя напряжения.

2.4.10 Что такое 50% разрядное напряжение?

2.4.11 Какие методы измерения импульсного напряжения Вы знаете?

2.4.12 Как учитываются атмосферные условия при измерении шаровым разрядником?

3 Лабораторная работа №3. Электрические разряды в воздухе

Цель работы: исследование электрической прочности воздушных промежутков, создаваемых электродами различной формы при постоянном напряжении и переменном напряжении промышленной частоты.

3.1 Теоретические сведения

Электрическая прочность – основная характеристика воздуха как изоляционной среды, поэтому ее изучению в технике высоких напряжений уделяется особое внимание. Под электрической прочностью воздушного промежутка понимают минимальное значение напряженности электрического поля, при котором происходит пробой воздушного промежутка, т.е. потери им изоляционных свойств. Причиной пробоя является электрический разряд.

Основной причиной возникновения электрического разряда в газе является ударная ионизация, которая возникает под действием электронов, ускоряемых электрическим полем. В электроположительных газах, в которых невозможно образование отрицательных ионов, интенсивность этого процесса характеризуется коэффициентом ударной ионизации a, который определяет число актов ионизации, совершаемых электроном на пути в 1 см вдоль силовых линий электрического поля. В электроотрицательных газах помимо увеличения числа электронов при ударной ионизации происходит также потеря электронов за счет «прилипания» к нейтральным частицам с образованием отрицательных ионов. Этот процесс характеризуется коэффициентом прилипания h, поэтому в электроотрицательных газах интенсивность процесса увеличения числа электронов определяется эффективным коэффициентом ударной ионизации a_эф=a - h.

Коэффициент a_эф (или a )зависит от напряженности электрического поля Е, давления р и абсолютной температуры Т. Для воздуха при давлении и температуре, близких к нормальным, эта зависимость может быть представлена в виде:

(3.1)

При не учете процессов вторичной ионизации – фотоионизации в объеме газа, фотоэффекта с катода, выбивания электронов с катода положительными ионами, условие самостоятельности разряда в газе может быть представлено в виде a_эф>0.

Полагая для однородного поля получим математическое выражение закона Пашена

(3.2)

Закон Пашена гласит: при неизменной температуре пробивное напряжение газа в однородном поле является функцией произведения давления на расстояние между электродами.

При условиях, близких к нормальным, пробивное напряжение воздуха в однородном поле составит:

где S – расстояние между электродами, см;

d=0,3655p/T – поправка на относительную плотность воздуха.

В неоднородном поле выполнение условия самостоятельности разряда не обязательно означает полный пробой промежутка, в отличие от однородного или слабо неоднородного поля. Если степень неоднородности очень велика, то ионизационные процессы концентрируются вблизи электрода с наименьшим радиусом, в результате чего и может образоваться особый вид самостоятельного разряда, в данном случае означает появление коронного разряда, и соответствующее напряжение должно быть существенно повышенно.

Для слабо неоднородных полей начальное напряжение может определяться по формуле

(3.4)

где r₀ – радиус кривизны электрода с большей кривизной;

К_н – коэффициент неоднородности электрического поля;

С – коэффициент, зависящий от рода газа и формы электрического поля.

В промежутках с резко неоднородными полями полярность сильно влияет не только на начальные, но и на пробивные напряжения. Это объясняется тем, что при положительной полярности электрода с меньшим радиусом новые электроны могут образовываться только в объеме газа за счет фотоионизации. При отрицательной полярности того же электрона новые электроны могут возникать в объеме газа и освобождаться с поверхности электрода за счет фотоэффекта и при бомбардировке положительными ионами. Кроме того, наличие объемных зарядов, появляющихся после прохождения первичной лавины, приводит к резкому снижению зоны ионизации у отрицательного электрода с наименьшим радиусом, а при положительном заряде того же электрода – к прорастанию зоны высокой напряженности в межэлектродное пространство.

3.2 Описание лабораторного стенда

Электрическая схема установки представлена на рисунке 4. Установка состоит из повышающего высоковольтного трансформатора (ТВВ), кенотронной установки (К) и дополнительного оборудования, предназначенного для развязки электрических цепей и предохранения персонала от поражения электрическим током.

Рисунок 4 – Схема установки

При включении установки под напряжение, включается зеленая и красная лампочки. В том случае, если лампочки не горят, неплотно закрыта дверца и разомкнуты блок контакторы БК.

Напряжение промышленной частоты снимается с регулятора напряжения РН 380/0-380 В для плавного регулирования напряжения во время исследований. Далее через трансформатор АТ 380/570 В напряжение поступает на обмотку низкого напряжения повышающего трансформатора ТВВ 430/80000 В. Высокое напряжение снимается со вторичной обмотки ТВВ и, при испытаниях на переменном напряжении, через защитное сопротивление R_защ подается на систему электродов. При испытании на постоянном напряжении вторичная обмотка ТВВ, через защитное сопротивление, присоединяется к катоду кенотрона К (КР-110), накал которого питается от накального трансформатора ТН, имеющего усиленную изоляцию. Выпрямленное напряжение снимается с анода кенотрона и подается на систему электродов. Контроль напряжения возбуждения ТВВ осуществляется по вольтметру V, имеющему три предела измерения 150-300-600 В.

3.3 Подготовка к работе

Перед началом работы ознакомиться со схемой установки и расположением ее элементов.

3.3.1 Заземлить при помощи заземляющей штанги высоковольтный вывод испытательного трансформатора, произвести соединения, обеспечивающие подачу на электроды необходимого по программе испытаний напряжения (постоянного или переменного).

3.3.2 Закрепить в держателе электроды, свести их до соприкосновения, установить указатель расстояния на «нуль», проверить совмещение электродов по центрам, развести на заданное расстояние.

3.3.3 Снять с высоковольтного вывода заземление, закрыть дверь ограждения, проверить положение рукоятки регулировки напряжения.

3.3.4 Нажатием кнопки «включено» включить аппарат.

3.3.5 Плавно поднять напряжение до пробоя, произвести замер начального и пробивного напряжения.

3.3.6 Для каждой точки снимаемых характеристик измерения следует производить трижды и напряжение определять как среднее арифметическое.

3.3.7 Снизить напряжение до нуля и нажатием кнопки отключить аппарат.

3.3.8 Замена электродов должна производиться при полностью отключенном питании аппарата и только после наложения временного заземления на высоковольтный вывод.

3.3.9 Для испытаний на постоянном напряжении подключить с высокой стороны кенотронную приставку к трансформатору и подать питание на цепь накала кенотрона.

3.4 Выполнение работы

3.4.1 Произвести паспортизацию оборудования, вычислить коэффициент трансформации высоковольтного трансформатора.

3.4.2 Определить начальные и пробивные напряжения для следующих промежутков:

- на переменном напряжении – шар-шар; стержень-стержень; плоскость-плоскость;

- на постоянном напряжении – шар-шар; положительный стержень-плоскость; отрицательный стержень-плоскость.

Результаты занести в таблицу 2.

3.4.3 При измерениях разрядного напряжения расстояние между электродами всех типов менять от опыта к опыту через 0,5 см.

3.4.4 Испытание проводить до расстояния 3 см для промежутка шар-шар; 5 см – для остальных промежутков.

3.4.5 По результатам испытаний построить кривые для указанных промежутков.

Т а б л и ц а 2

Тип промежутка	S, см	Величина начального и пробивного напряжения
		1 опыт		2 опыт		3 опыт		U_н.ср	U_пр.ср
		U_н1	U_пр1	U_н2	U_пр2	U_н3	U_пр3

Выводы

3.5 Контрольные вопросы

3.5.1 Что такое электрические разряды? Виды разрядов.

3.5.2 В чем различия между несамостоятельным и самостоятельным разрядами? В чем состоит физический смысл уравнения самостоятельности разряда?

3.5.3 В чем различие однородного, слабонеоднородного и резконеоднородного электрических полей?

3.5.4 Как влияет полярность напряжения на начальное и пробивное напряжения промежутков с однородным, слабонеоднородным и резконеоднородным электрическими полями?

3.5.5 Как объяснить влияние барьера на электрическую прочность промежутка игла-плоскость?

4 Лабораторная работа №4. Защита от прямых ударов молнии

Цель работы: знакомство с теорией защитного действия одиночных стержневых молниеотводов и нахождение зоны защиты одиночного молниеотвода, двух молниеотводов, тросовых молниеотводов; с принципом работы шестиступенчатого ГИНа и определение его коэффициента использования.

4.1 Краткие теоретические сведения

Одним из наиболее эффективных средств защиты промышленных и электроэнергетических установок от прямого удара молнии являются молниеотводы (стержневые или тросовые), воспринимающие на себя удары молнии. Молниеотвод состоит из молниеприемника, возвышающегося над защищаемым объектом, заземлителя и токоведунщх спусков, соединяющих Молниеприемник с заземлителем. Защитное действие молниеотводов основано на том, что разряды, скопившиеся на его вершине в лидерной стадии разряда молнии, создают наибольшие напряженности поля на пути между головкой лидера и вершиной молниеотвода, куда и направляется разряд. Высота над поверхностью земли, при которой лидерный разряд окончательно ориентируется на один из объектов, называется «высотой ориентировки молнии», которая в первую очередь зависит от высоты молниеотвода. Высота ориентировки молнии для молниеотвода не более 30м (hм = 30 м) принимается Н =300 м, т.е. Н/hm=10.

Для молниеотводов высотой 30 - 100 м может быть принята постоянная высота ориентировки Н - 600 м ( Н/hm=6).

Пространство вблизи молниеотвода, защищенное от прямых ударов молнии, называется зоной защиты. Зона защиты молниеотвода существенно зависит от сотношений между высотой ориентировки Н, высотой молниеотводов h и высотой обекьта hх. Зона защиты одиночного стержневого молниеотвода на рисунке 5 представляет собой пространство, ограниченное поверхностью вращения с образующей, которая может быть найдена по формуле:

(4.1)

где h — высота молниеотвода;

hх— высота защищаемого объекта.

Рисунок 5 - Зона защиты стержневого молниеотвода

где ha=h-hх - активная высота молниеотвода, при h < 30 Р= 1, при h > 30 м

(4.2)

Чтобы быть защищенным от прямых ударов молнии (ПУМ), объект должен полностью находиться внутри конусообразного пространства, которое представляет зону защиты молниеотвода (МО).

Зона защиты между двумя стержневыми МО значительно больше суммы зон защиты двух одиночных МО. Защитная зона двух стержневых МО представлена на рисунке 6.

Защитный радиус rх находят по формуле (4.1.), а ширину защитной зоны по кривым (рисунок 7). По заданным величинам h_а, h_х, S находят а затем b_x.| Значение Р берут таким же, как и для одиночного стержневого момента. Ширина защитной зоны b_x = 0 на высоте h_а при S =7h_аР. Низшая точка защитной зоны расположена на высоте h = S/7Р.

Рисунок 6 – Защитная зона двух стержневых МО

Рисунок 7 – Расчетные кривые для определения ширины зоны защиты двух стержневых молниеотводов

Защитные действия тросов характеризуются защитным углом а, образованным прямой линией, соединяющей провод с тросом и вертикалью, проходящей через провод или трос (рисунок 8).

Тросы тем надежнее защищают провод, чем меньше угол a.

Вероятность прорыва молнии через тросовую защиту определяется по формуле

(4.3)

где h_пр - высота троса над землей, откуда вероятность Р возрастает с увеличением угла a и высоты опоры h₀₀.

Во всех случаях угол не должен быть больше 30⁰, что соответствует

tg a = 0,6; tg a = г_х/ h_а.

Защитный угол a, показанный на рисунке 8, относится к защите внешних проводов. Средний провод между двумя тросами находится в лучших условиях защиты, вследствие взаимного экранирования тросов. Этот эффект используют для приближения тросов к крайним проводам линий в горизонтальном напряжении, что увеличивает надежность грозозащиты.

Обычно берут отношение S/Δh ≤ 4 при условии 20° < a < 30°, где Δh - расстояние по вертикали между тросом и проводом; S — расстояние между тросами.

Рисунок 8 - Защитный угол a и защитная зона тросовых молниеотводов

4.2 Описание лабораторного стенда

Источником грозового напряжения для данной работы служит генератор импульсных напряжений (ТИН). Электрическая схема показана на рисунке 9.

Рисунок 9 – Схема установки

1 - питание установки от сети 220 В;

2 - автомат 2-х полосный на 500 В;

3 - лабораторный автотрансформатор на 220 / 0¸ 250 В; 9А;

4 - трансформатор повысительный однофазный масляный на 250/ 50000 В;

5- вольтметр напряжения, градуированный на 70 кВ;

6 - лампа кенотронная КРМ для работы в масле на U - 100 кВ;

7 - накальный трансформатор на U - 127/ 12 В;

8 - сопротивление защитное водяное;

9 - конденсаторы однофазные масляные тип ИМ-60-0,03 (60.кВ,

0,03 мкФ) - 6 шт;

10 - разрядники шаровые 32 мм, Æ = 25 мм - 4 шт;

11 - сопротивления зарядные водяные R= 300 кОм - 10 шт;

12- шаровой разрядник отделительный Æ 150 мм, S=50 мм;

13 - сопротивление разрядное водяное R = 300 кОм;

14 - реле времени и запускающие ГИН, тип РВ - 1 шт;

15 - выключатель в цепи РВ;

16 - разрядник шаровой Æ шаров 32 мм;

17 - стержень молнии;

18 - поверхность земли;

19 - молниеотвод;

20 - защищаемые объекты;

21 - шар испытательный, Æ 15 см потенциальный;

22 - шар испытательный, передвижной, заземленный;

23 - указатель шаровых расстояний.

Энергия ГИНа может быть подана на стержень, имитирующий ориентировку молнии над поверхностью земли, которая имитируется металлическим столом. На столе помещаются защищаемые объекты для определения зон защиты.

В режиме заряда, выпрямительная установка (позиция 1 - 8) подает выпрямленный ток на конденсаторы ГИНа (9) в количестве 6 штук.

Все они заряжаются параллельно, другие обкладки С — заземлены. В режиме разряда пробиваются шаровые разрядники (10) и конденсаторы С разряжаются последовательно по пути: Земля С — (16) и с С — (10) с (12). Зигзагообразный путь разряда ГИНа обеспечивается тем, что сопротивление (11) » сопротивление между шаровыми разрядниками (10).

Шаровые разрядники (16, 10, 12) имеют зазоры S > U зарядного.

В разряд ГИН запускается выключателем (15), который подает U = 220В на реле времени (14), которое механически замыкает шаровой разрядник (16). В этом случае на шаровых разрядниках (10,12) напряжение увеличивается до 2 U_зар. и все шаровые разрядники замыкаются последовательно. конденсаторы С включаются к разряжаются последовательно. На выходе ГИНа создается импульсное напряжение, равное

(4.4)

где h - число конденсаторов в ГИНе;

U_зар - напряжение, заряжающее конденсаторы, которое не должно быть больше 60 кВ (рабочее напряжение конденсаторов ГИН);

b - коэффициент использования ГИНа, величина b < 1.

В случае, если объект испытания не пробьтся, энергия ГИНа

разряжается.

4.3 Выполнение работы

4.3.1 При выполнении лабораторной работы необходимо найти зону защиты одиночного молниеотвода.

Зоной зашиты молниеотвода называется пространство вокруг МО, имеющее вид тела вращения (конуса), в которое молнии не проникают. Теоретически образующая зоны защиты определяется формулой

(4.5)

Данная формула определена ш условия, что высота ориентировки молнии Н на молниеотвод в периоде составляет 10-20 h.

Н = (10 20)h.

В лаборатории нельзя создать подобное соотношение, поэтому зона защиты одиночного МО определяется в первом приближении двумя величинами Н и h - они задаются преподавателями. Величина Н обычно не более 20см, h от 11,5см и ниже. Стержень (17) имитирует молниеотвод (19) заданной h.

На столе отмечают проекцию точки Н карандашом на предварительно намеленном месте (рисунок 10). На некотором расстоянии от проецированной точке ставят МО, запускают ГИН и добиваются 50% разряда молнии в точку на столе и на молниеотвод.

Рисунок 10 - Зона защиты молниеотвода

Рисунок 11 - Заданный объект

В этом случае получают максимальный радиус зоны защиты. Проводим замер между точкой проекции и осью МО. Пользуясь заданным объектом в виде параллелепипеда, имеющего 3 размера (h_х- высота объекта рисунок 11), производим замеры.

Определяют форму кривой, соединяющей точки 0 и МО на рисунке 10. Для этого объекта (рисунок 11) устанавливают на длине rх в трех положениях (рисунок 12).

Рисунок 12 - Положение заданного объекта

После этого добиваются 50% поражения точек 0 и X, или МО и X или 30% поражения точек 0, X, МО. По найденным 5 точкам строят кривую зону защиты одиночного МО.

Зона защиты 2-х молниеотводов не определяется на установке в лаборатории в силу малого напряжения, создаваемого источником молнии -ГИНом.

Техника безопасности: после каждого включения и отключения, перед перемещением МО и защищаемых объектов обязательно заземляющей штангой снять остаточный заряд с выхода кенотрона и стержня молнии (6 и 17 рисунок 9).

4.3.2 Определение коэффициента использования ГИНа.

При последовательном разряде конденсатора ГИНа, разрядное напряжение определяется соотношением:

(4.6)

где b< 1 - коэффициент использования ГИНа;

U_зар - зарядное напряжение определяется по вольтметру (6) рисунок 9;

N - число конденсаторов в ГИНе;

U_разр - определяется шаровыми разрядниками (21) и (22) рисунок 9.

Разрядное напряжение U_разр есть функция величины D и S .

Таблица 3

L
U

где D- диаметр измерительных шаров (см);

S - воздушный зазор между шарами (см);

U_разр - табличное разрядное напряжение, соответствующее нормальным

условиям р =760 мм.рт.ст., t = 200 С и зазору пробоя.

Устанавливая различные зазоры между измерительными шарами, поднимаем напряжение U_зар (по вольтметру) до 50% разрядного напряжения (50% разрядное между шарами; 50% разряд на разрядное сопротивление) и, учитывая поправку на погодные условия в момент опыта Р_ф мм.рт.ст. и Т_ф = t_фС⁰+273. Определяем относительную плотность воздуха:

(4.7)

Находим истинное разрядное:

откуда

(4.8)

Техника безопасности: после каждого подключения и перед установкой зазора между измерительными шарами и отключения установки обязательно заземляющей штангой снять остаточный заряд с выхода кенотрона и испытательного потенциального шара (6) и (21) (рисунок 9).

Выводы

Выводы должны содержать краткий анализ произведенной работы и полученных результатов, а также возможность использования полученных результатов на практике; в производственных условиях и исследовательской работе.

4.4 Контрольные вопросы

4.4.1 Построение зоны зашиты одиночного молниеотвода.

4.4.2 Определение коэффициента использования ГИНа.

4.4.3 Прямой удар молнии в ЛЭП с тросом.

4.4.4 Прямой удар молнии в ЛЭП без троса.

4.4.5 Работа схемы.

4.4.6 Пробой длинных воздушных промежутков.

4.4.7 Опасность поражения молнией промышленных объектов иэлектроустановок.

Список литературы

1. Кучинский Г.С., Кизеветтер В.Е., Пинталь Ю.С. Изоляция установок высокого напряжения. – М.: Энергоатомиздат, 1987. – 367 с.

2. Степанчук К.Ф., Тиняков Н.А. Техника высоких напряжений. – Минск: Высшая школа, 1982. – 367 с.

3. Лабораторные работы по технике высоких напряжений. Учебное пособие для ВУЗов./М.А.Аронов и др. – М.:Энергоиздат, 1982.

4. Объем и нормы испытания электрооборудования. -6-е изд.-М.:Издательство НЦ ЭНАС, 2000.-254 с.

5. Сборник методических пособий по контролю состояния электроообрудования. – М.: ОРГРЭС, 1998.-610 с.

Содержание

Введение	3
1 Лабораторная работа №1. Распределение напряжения по элементам гирлянды изоляторов	4
2 Лабораторная работа №2. Генератор импульсных напряжений – ГИН-1000	8
3 Лабораторная работа №3. Электрические разряды в воздухе	13
4 Лабораторная работа №4. Защита от прямых ударов молнии	17
Список литературы	26

Сводный план 2007г., поз 55

Владимир Николаевич Борисов

Оржанова Жанар Керимбековна