Алматинский институт энергетики и связи

 

Кафедра электрических станций, систем и сетей

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ТЕХНИКА ВЫСОКИХ НАПРЯЖЕНИЙ.

ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ И ИЗОЛЯЦИЯ

 

Конспект лекций

(для студентов всех форм обучения специальности

050718 – Электроэнергетика)

 

 

 

 

 

 

 

Алматы 2006

 

СОСТАВИТЕЛИ: В.Н.Борисов, Ж.К.Оржанова. Элекроэнергетика. Конспект лекций (для студентов всех форм обучения специальности 050718 – Электроэнергетика). – Алматы: АИЭС, 2006. – 58  с.

 

 

 

 

 

В методической разработке рассмотрены разделы – Электрические разряды в газах, Изоляция установок высокого напряжения, Оборудование высоковольтных лабораторий, измерения на высоком напряжении, грозовые перенапряжения и защита электрооборудования электроустановок, заземления в электроустановках высокого напряжения, общая характеристика внутренних перенапряжений, аппараты и устройства защиты от перенапряжений.

Конспект лекций составлен в соответствии с учебным планом для всех электроэнергетических специальностей по курсу «Техника высоких напряжений» и «Перенапряжения и изоляция» для студентов очного и заочного обучения.

При выборе для изучения курса «Техника высоких напряжений» оъем изучаемого материала учебного пособия изменяется в пределах 20% по разделам «Изоляция установок высокого напряжения», «Оборудование высоковольтных лабораторий», «Измерения на высоком напряжении» (обозначено *). 

Табл.2, библиогр. – 5 назв.

 

 

 

 

 

РЕЦЕНЗЕНТ: канд.тех.наук, доцент Тохтибакиев К.К.

 

 

 

 

 

Печатается по плану издания Алматинского института энергетики и связи на 2006 г.

 

 

 

 

 

 

 

                                         © Алматинский институт энергетики и связи, 2006 г.
          Введение

 

В процессе работы электрическая изоляция электроустановок подвергается различного рода перенапряжениям.

Во-первых, это длительно воздействующее рабочее напряжение, величина которого близка к номинальному или может на 10-15% превышать его. Для обеспечения безаварийной работы изоляция электроустановок  должна иметь определенный уровень. Уровень изоляции практически устанавливается с помощью испытательных, разрядных и пробивных напряжений, величина которых определяется характером испытательного устройства и соответствующими измерительными приборами.

Во-вторых, на изоляцию воздействуют грозовые перенапряжения (атмосферные). Время воздействия атмосферных зарядов очень мало (от единиц до сотен миллионных долей секунды), однако величина их при отсутствии специальных мер защиты может достигать миллионов вольт.

В-третьих, на изоляцию воздействуют внутренние перенапряжения. Эти перенапряжения воздействуют как кратковременно (доли секунды, секунды), так и длительно (часы, сутки). Величина таких перенапряжений может превышать номинальное напряжение в несколько раз. Таким образом, грамотное конструирование, производство, испытание и эксплуатация  электротехнических устройств требуют глубокого знания напряжений, воздействующих на изоляцию, методов снижения возможных перенапряжений, электротехнических свойств изоляционных конструкций и их испытаний. Эти вопросы тесно взаимосвязаны и составляют содержание настоящего курса.

 

Лекция 1. Общие понятия об электрических разрядах в газах

 

Содержание лекции:

- характеристики газового разряда, его ионизация.

Цели лекции:

- изучение свойств газов, требований к ним.

 

Газ – это, в случае использовании атмосферного воздуха, бесплатный диэлектрик (ЛЭП, п/ст, ВВ установки).

Изоляция, имеющая непосредственную связь с атмосферным воздухом, называется наружной.

Атмосферный воздух как диэлектрик обладает рядом недостатков: подвержен метеорологическим воздействиям, загрязнению.

Изоляционные свойства атмосферного воздуха зависят от барометрического давления: на уровне моря характеристики удовлетворительны; в условиях высокогорья, где давление низкое, изоляционные свойства снижаются; при глубоком разряжении электрическая прочность растёт.

Газы используются не только в качестве наружной, но и внутренней изоляции. В этом случае газы должны быть инертны. Газы должны иметь хорошую теплопроводность, быть не воспламеняемыми, не токсичны и не взрывоопасны.

 

1.1 Вольт-амперная характеристика газового разряда

 

Электрическим разрядом в газах называют совокупность явлений, происходящих в газе при прохождении через него электрического тока.

Рассмотрим зависимость тока, проходящего через газовый промежуток, от величины приложенного напряжения (рисунок 1).

 

Рисунок 1 -  Вольт-амперная характеристика газового разряда

 

По мере увеличения напряжения ток в промежутке возрастает за счёт роста зарядов ионизаторов (ОА). На участке АВ ток практически не меняется, т.к. все образующиеся за счёт внешних ионизаторов заряды попадают на электроды. Величина тока насыщения Is определяется интенсивностью воздействующего на промежуток ионизатора.

При дальнейшем увеличении напряжения ток резко возрастает (ВС), что говорит об интенсивном развитии процессов ионизации газа под действием электрического поля.

При напряжении Uo происходит резкое увеличение тока в промежутке, который при этом теряет свойства диэлектрика и превращается в проводник.

Это явление, при котором возникает канал высокой проводимости, называют электрическим разрядом (пробой газового промежутка). Электрический разряд на ОАВС называют несамостоятельным, т.к. на этом участке ток в газовом промежутке определяется интенсивностью воздействующего ионизатора.

Разряд на участке после точки С называют «самостоятельным», т.к. ток разряда при этом зависит только от параметров электрической цепи (сопротивление, мощность источника питания) и для его поддержания не требуется образования заряженных частиц за счёт внешних ионизаторов.

Uo,  при котором начинается самостоятельный разряд, называется  начальным напряжением.

Формы самостоятельного разряда в зависимости от условий, техники безопасности различают: тлеющий разряд (1-5 мА/см); искровой разряд (мощность источника не велика или напряжение прикладывается на короткое время); дуговой разряд (при значительной мощности источника питания ток – сотни, тысячи А); коронный разряд (возникает при неоднородных полях в той части промежутка, где Е наиболее высока).

 

1.2 Процессы ионизации газов

 

Обязательное условие возникновения разряда в газах – наличие в нём свободных зарядов – электронов и ионов.

Возникновение свободных зарядов происходит в результате ионизации. Для того чтобы произошла ионизация атома, ему необходимо сообщить энергию, равную или большую энергии ионизации Wи ( потенциала Uи). Если энергия, сообщенная атому будет меньше Wи, но больше или равна энергии возбуждения W_в, то атом перейдет в возбужденное состояние и через очень малый промежуток времени (10 с) возвращается в исходное состояние.

Одновременно с ионизацией в газовом промежутке идет процесс обратный – рекомбинация, т.е. переход атома из возбужденного состояния в нормальное.

Таблица 1

Газ	Потенциал, иониз., Uи	Потенциал возб, Uв
H2	15,4 В	11,2 В
N2	15,8 В	6,1 В
CO2	13,7 В	10,0 В

Лекция 2. Виды ионизации газов, условие самостоятельности разряда

 

Содержание лекции:

- ударная ионизация, фотоионизация, термическая и поверхностная ионизация.

Цели лекции:

- изучение процессов в газе при воздействии высокого напряжения.

 

2.1 Виды ионизации:

 

а) ионизация при столкновении (ударная ионизация). Энергия частицы, движущейся в однородном поле

W=qEx,

где q – заряд частицы;

      Е – напряженность электрического поля;

      х – путь пройденной частицы перед столкновением.

Если условием ионизации является  W>Wu, то учитывается что Wx=qUx, тогда получим значение пути Хк, который частица должна пройти до столкновения с последующей ионизацией.

 

;

б) фотоионизация в объеме газа.

Фотоионизация – образование свободных зарядов под действием коротковолнового излучения.

Необходимо выполнять условие

 

, или ,

где с – скорость света;

       и  - соответственно частота и длина волны излучения;

      h – постоянная Планка.

Фотоионизация возможна также в результате излучения самих молекул, участвующих в разряде (рекомб., фотон);

в) термическая ионизация.

Она включает все процессы ионизации, обусловленные тепловым состоянием газа. При температуре 20С вероятность термоионизации ничтожно мала - 10 лет;

г) ионизация на поверхности электродов (поверхностная ионизация).

Происходит при ионизации в объёме газа также освобождёнными электронами с поверхности электродов (эмиссия).

При этом для освобождения электронов с поверхности затрачивается энергия поверхностной ионизации – энергии выхода электрона.

 

 

2.2 Коэффициенты ионизации

 

Дополнительную энергию, необходимую для ионизации, частицы между двумя столкновениями приобретают за счёт ускоряющего действия электрического поля.

Из кинетической теории газов известно, что средняя длина свободного «» частиц с радиусом «R1», в газовой среде с молекулами радиусом «r» при температуре «Т» и давлением «Р» определяется

,

где k – постоянная Больцмана.

Поскольку для электрона r>>r

λ.

Для иона

.

Т.е. в газовой среде l иона в среднем в 4 раза меньше l_э. Если «» - относительная плотность воздуха, то Р=760 мм рт. столба, t=20С.

.

То при Т=(273+20)

,

где

.

Определим, какая доля частиц проходит без столкновения путь х (рисунок 2).

Рисунок 2 -  Изменение числа нестолкнувшихся частиц

 

Предположим, что из точки х=0 начинает двигаться частица. Число столкновений на пути dx

n

Разделив переменные и проинтергрировав по «х» и «n», получим

.

Таким образом, если все частицы находятся в совершенно одинаковых условиях, то это выражение означает вероятность того, что действительная длина свободного пробега электрона больше или равна «х».

Если при средней длине свободного пробега электрона l_э  число столкновений, испытываемых им на пути в 1 см равно , а из этого числа столкновений  ионизацией  закончатся только те, при которых действительная длина пробега была равна или больше , и вероятность этого равна , следовательно, число ионизаций на пути 1 см

.

Если в это выражение подставить х_и и , то

, или

,

где  - коэффициент ударной ионизации, который показывает какое число ионизаций производит один электрон на пути 1 см.

 

2.3 Лавина электронов

 

Допустим, что за счёт внешнего ионизатора с катода появляется I электрон. При его движении к аноду он произведёт ионизацию столкновением.

При 1 ионизации  1 электрон (2). 2 ионизации  2 электрона (4) и т.д. в геометрической прогрессии.

Такой процесс непрерывного возрастания  потока электронов называется лавиной электронов.

Появление отрицательных зарядов оставляет за собой положительные заряды, создавая в голове лавины отрицательные заряды.

Определим число электронов в головке лавины при одном начальном электроне. Пусть число электронов на расстоянии х от катода равно «n». Каждый из них произведёт adx ионизаций, а все электроны nadx ионизаций. Таким образом, увеличение числа электронов на пути dx будет равно dn=nadx, или

.

Проинтегрировав по n, получим

n=e.

Это выражение показывает, что число электронов и ионов растёт лавинообразно (рисунок 3).

Рисунок 3 - Искажение поля объемными зарядами электронной лавины

 

2.4 Условие самостоятельного разряда

 

Чтобы разряд стал самостоятельным, необходимо образование новых электронов (вторичных) за счёт процессов в самом газовом промежутке до того, как начальная лавина прекратит своё существование.

Вторичные электроны создаются:

а) бомбардировкой катода положительными ионами, созданными начальной лавиной;

б) фотоионизацией на поверхности катода за счёт начальной лавины;

в) фотоионизацией в объёме газа за счёт излучения начальной лавины.

В каждом случае разряд становится самостоятельным.

Число ионизаций в лавине, достигшей анода при одном начальном электроне, е^aS-1.

Это количество создаёт  вторичных электронов и если это число=1, то лавина создаёт один электрон  ( - коэффициент вторичной ионизации).

Это означает, что разряд будет поддерживаться, если даже действие внешнего ионизатора прекратится, т.е. оно является условием возникновения самостоятельного разряда.

Его можно записать.

Для воздуха при нормальном и при высоком давлении

.

Тогда

 

Лекция 3. Разряды в однородных и резконеоднородных полях

 

Содержание лекции:

- закон Пашена, стримерная теория разряда, разряд в резконеоднородных полях.

Цели лекции:

- изучение особенностей развития разряда в однородных и резко неоднородных полях.

 

3.1 Разряд в однородном поле. Закон Пашена

 

В промежутке с однородным полем условие самостоятельности разряда является одновременно и условием пробоя промежутка.

.

Из ранее записанного () получаем

 

,

В этом выражении для воздуха (рисунок 4).

Рисунок 4 - Зависимость

 

Эта зависимость была установлена Пашеном, поэтому его называют законом Пашена. На практике   для однородного поля:

 

3.2 Стримерная теория разряда

 

Для разряда в однородном поле начало идёт с лавины 1, развивающейся от катода к аноду (рисунок 5).

После пробега лавиной расстояния Х_к, когда плотность электронов в головке лавины превышает критическое значение, происходит резкое искажение поля и интенсивность ионизации возрастает настолько, что может произойти образование фотоэлектрона 2 на некотором расстоянии перед фронтом лавины (а). Фотоэлектрон начинает медленно перемещаться по направлению к аноду, создавая вторичную лавину 3. Таким образом, объёмный заряд начальной лавины оказывается перемещенным Х^/ DХ к аноду.

Рисунок 5 - Стримерное развитие заряда

 

Область между начальной и вторичной лавинами заполняется электронами начальной и положительными ионами вторичной лавины, т. е. образуется канал 4, заполненный плазмой (в).

Стадия разряда, на которой возможна фотоионизация за счёт излучения самой лавины с образованием канала высокой проводимости, называется стримерной, а сам канал -  стример (англ. stream – поток).

После того как стример достигнет противоположного электрода (2), между электродами образуется канал высокой проводимости и развивается главный разряд (2).

 

3.3 Разряды в резко неоднородных полях. Влияние полярности электродов

 

Рассмотрим, как влияет полярность стержня на развитие заряда (рисунок 6).

Рисунок 6 - Возникновение короны в промежутке стержень-плоскость

 

Объёмный заряд при положительной полярности стержня способствует прорастанию стримера до противоположного электрона, т.е. облегчает пробой.

Около отрицательного стержня остаётся довольно компактный положительный объемный заряд, который резко искажает электрическое поле, усиливая его вблизи стержня и ослабляя в остальной части.

 

Лекция 4. Разряды при кратковременном воздействии напряжения, коронный разряд

 

Содержание лекции:

- вольт-секундные характеристики промежутков, корона  в проводах при постоянном и переменном напряжении.

Цели лекции:

- изучение назначения вольт-секундных характеристик и коронного разряда.

 

4.1 Разряды при кратковременном воздействии напряжения

 

На практике на изоляцию воздействуют также напряжения чрезвычайно малой длительности – так называемые импульсные (молния и т. п.).

U0 – напряжение самостоятельного разряда.

До точки l, когда U<U0,  разряд начаться не может (рисунок 7). В точке l разряд ещё не начинается, т. к. для его начала нужно, чтобы в промежутке был хотя бы один эффективный электрон.

Процесс образования свободных электронов носит статистический характер, поэтому время для появления первого эффективного электрона t - время статистического запаздывания.

Разряд начинается в точке 2 и заканчивается в точке 3 через некоторое время t_ф, в течение которого происходит формирование разряда.

Полное время разряда , причём , называют временем запаздывания разряда.

 

Рисунок 7 - Составляющие времени разряда

 

Среднее статистическое время запаздывания зависит от характера поля, материала катода, величины приложенного напряжения и интенсивности  внешнего ионизатора.

Зависимость U=f(t) называют вольт-секундной характеристикой искрового промежутка. По стандарту МЭК

,.

 

4.2 Вольт-секундные характеристики промежутков

 

Упрощенное построение вольт-секундных характеристик может быть выполнено, исходя из формулы Горева-Машкиллейсона

.

Постоянные А, Т  определяются экспериментально. Характеристики U=f(t) имеют большое значение для координации изоляции (рисунок 8).

Рисунок 8 - Определение длины фронта и длины волны стандартного импульса

 

Например: для защиты изоляции электрического оборудования от волн перенапряжений включают разрядник или искровой промежуток.

Характеристика U/t/ (1) своими точками должна быть расположена ниже U/t защищаемой изоляции (2) (рисунок 9). Если U/t/ будет пересекаться (3), то при некоторых амплитудах волны изоляция будет повреждена.

Построение U/t/ характеристик получать экспериментально трудоемко, поэтому вместо них пользуются двумя характерными величинами:

а) 50% разрядное напряжение – амплитуда такой импульсной волны, при многократном воздействии которой разряд наступает в 50 % случаев приложения напряжения;

б)  отношение 50% разрядного напряжения к амплитуде разрядного напряжения при длительном воздействии (50 Гц) называют коэффициентом импульса.

Рисунок 9 - Вольт-секундная характеристика промежутков

 

 

.

Для однородных полей b»1, неоднородных b>1.

 

 

4.3 Методы повышения электрической прочности газов

 

Для повышения электрической прочности газов часто применяют глубокий вакуум и повышенное давление.

В последнее время, помимо азота, в изоляции применяют фреон CCl F, элегаз. Электрическая прочность этих газов выше электрической прочности воздуха в 2,4-2,6 раза. Они химически инертны, не разлагаются практически при электрических разрядах.

В резко неоднородных полях для повышения электрической прочности применяют барьеры (рисунок 10).

Электрическая прочность самого барьера большой роли не играет. Положительные ионы растекаются по поверхности барьера, а напряженность поля на участке барьер-плоскость возрастает, стержень-барьер падает. Поле между барьером и плоскостью распределяется более равномерно.

При положительной полярности стержня наличие барьера приводит к значительному повышению разрядных напряжений.

При отрицательной полярности стержня барьер задерживает электроны, которые двигаются к плоскости  и на поверхности образуются отрицательные ионы. Таким образом, отрицательный объемный заряд как бы переносится ближе к плоскости, пробивное расстояние сокращается, и разрядные напряжения снижаются.

 

Рисунок 10 - Барьер в резко неоднородных полях

 

4.4 Коронный разряд

 

Коронный разряд  представляет собой лавинно-стримерную форму устойчивого разряда. Это вид незавершенного разряда.

Разряд сопровождается: свечением в виде ореола (корона); потерями электрической энергии; электромагнитными высокочастотными колебаниями и их излучением; рядом химических реакций (озон, NO, NO…); характерным шумом и механическими вибрациями.

Ток короны представляет собой кратковременные импульсы амплитудой 6-8 мкА.

 

4.5 Корона на проводах при постоянном напряжении

 

В случае положительной полярности провода, возникающие в области ионизации электрона уходят на провод, а положительные ионы образуют объемный заряд, перемещающийся постепенно к катоду.  При отрицательной полярности провода электрона выносятся из области ионизации и образуют отрицательные ионы, медленно перемещающиеся к аноду. Положительные ионы уходят на провод.

Униполярная корона может быть получена, если два провода разделены заземляющей проводящей плоскостью (рисунок 11 а).

Биполярная корона возникает в системе двух проводов, где ионы разной полярности частично другого электрода и частично рекомбинируют (рисунок 11 б).

Критическая напряжённость поля, при которой корона приобретает форму самостоятельного разряда, практически не зависит от полярности электродов и двух проводов радиусом r, находящихся на расстоянии S>>r друг от друга,  может быть рассчитана, как

 

Рисунок 11 - Корона при постоянном напряжении

 

кВ_мах/см.

Соответствующее критическое напряжение

 кВ.

Мощность потерь на корону

 

где А – коэффициент, зависящий от расположения и размеров проводов.

 

4.6 Корона на проводах при переменном напряжении

 

При переменном напряжении объемные заряды короны вначале отталкиваются силами поля от провода, затем при изменении полярности  притягиваются к нему. Напряженность короны рассчитывается, как и в случае короны при  постоянном напряжении.

Потери на корону можно рассчитать по формуле Пика

,

где r и S – радиус провода и среднегеометрическое расстояние между проводами (см);

        U - действующее значение фазного напряжения, кВ.

 кВ,

где U- напряжение возникновения потерь на корону;

m и m - характеризуют состояние провода (коэффициент шероховатости и погодный коэффициент).

Для идеального провода m=1 (0.8-0.9), для хорошей погоды m=1 (0,8). Эта формула дает возможность произвести оценку величины потерь.

 

Лекция 5. Пути снижения потерь на корону, поверхностный разряд и изоляция установок высокого напряжения

 

Содержание лекции:

- расщепление проводов, разряд по поверхности диэлектриков, изоляция установок высокого напряжения и ее испытания.

Цели лекции:

- изучение вопросов снижения потерь на корону, характеристик и испытаний изоляторов.

 

5.1 Пути снижения потерь на корону

 

В настоящее время выбор проводов ЛЭП и п/ст производят из условия,  чтобы m=1 и потери на корону были близки к нулю.

Минимальный диаметр провода определяется

см.

Для ЛЭП 110, 220, 330 кВ и 500 кВ: ; 2,5; 3,8; 5,8 см соответственно.

Для этой цели были разработаны расширенные провода (рисунок 12).

Рисунок 12 - Полый (а) и расширенный (б) провода

 

Эти проводники могут быть выполнены для снижения потерь на корону и путём расщепления провода фазы на несколько параллельных проводников.

Рисунок 13 - Расщепление проводов

 

При этом вместо одного провода большого диаметра и применяют пучок из 2, 3 и 4 стандартных проводов меньшего диаметра, но с суммарным сечением, равным или несколько большим сечения одного провода.

Наибольшая напряженность в этом случае (с наружной поверхности) оказывается ниже наибольшей напряженности у поверхности одного провода и зависит от шага расщепления «а».

Шаг «а» обычно лежит в пределах 40-50 см. На 330 кВ – два, 500 кВ – три, 750 кВ – 4 провода на фазу (рисунок 13).

 

5.2 Поверхностный разряд

 

При работе высоковольтного оборудования неизбежно контактирование его изоляции с воздухом (фарфор, масло и т. п.). При определенных условиях вдоль поверхности раздела  этих диэлектриков возникает разряд, который и получил название – поверхностный.

Разрядные напряжения по поверхности диэлектрика зависят от рода диэлектриков, состояния его поверхности, рода приложенного напряжения и формы электрического поля. Рассмотрим три характерных случая (рисунок 14).

Рисунок 14 - Характерные случаи расположения диэлектрика

в электрическом поле

 

Диэлектрик находится в однородном поле. Силовые линии параллельны поверхности диэлектрика (редкий случай – а).

Диэлектрик находится в резко неоднородном поле. Тангенциальная составляющая электрического поля преобладает над нормальной (характерно для неполярной изоляции - б).

Диэлектрик находится в резко неоднородном поле. Нормальная составляющая преобладает над тангенциальной (проходные изоляторы - в).

Рассмотрим распределение напряженности поля по поверхности проходного изолятора (рисунок 15). На эквивалентной схеме замещения С₀ представляет собой ёмкость единицы поверхности изолятора относительно электрода и называется удельной поверхностной ёмкостью, К₀ - емкость между соседними единицами поверхности изолятора. Из схемы замещения видно, что токи i₀, протекающие через ёмкости К₀, неодинаковы: через ближайшие к электроду l емкости К₀ протекают токи всех последующих емкостей С₀. В результате напряжение на поверхности изолятора распределяется неравномерно, и напряженность у края электрода l будет тем выше, чем больше соотношение С₀/ К₀.

Так как емкость К₀ довольна стабильна и равна в среднем 2-3 пФ, а С₀ зависит от e диэлектрика 3 изолятора и его толщины, то распределение напряжения по поверхности изолятора будет тем более неравномерно, чем больше поверхностная емкость С₀.

Напряжение возникновения скользящего разряда зависит от величины поверхностной ёмкости С₀, через которую замыкается ток стримера, может быть определено по эмпирической формуле Теплера

,

где С₀ - удельная поверхностная ёмкость, Ф/см.

Рисунок 15 - Распределение напряжения по поверхности диэлектрика

 

Длина искр скользящего заряда lзависит от поверхностной ёмкости и скорости изменения напряжения (так как эти величины определяют ток стримера, развивающегося на поверхности диэлектрика) и может быть определена по эмпирической формуле

l_ск=.

 

5.3 Характеристики изоляторов и их испытания

 

Изоляторы по назначению бывают линейные, станционные и аппаратные. Линейные изоляторы применяются для крепления проводов ЛЭП, станционные – для изоляции и крепления шин и токопроводов в РУ. Аппаратные – входят как отдельный элемент в конструкцию того или иного аппарата.

Материал и конструктивное выполнение изолятора должны обеспечить его работу в течение длительных сроков, при условии воздействия механических нагрузок, вибраций, резких изменений температуры, загрязнений, а изоляторы, предназначенные для работы в наружных установках – в условиях дождя, тумана, промышленных уносов и т. д.

Наиболее распространенным материалом для изготовления изоляторов является фарфор. Прочен, стоек к агрессивным воздействиям, хорошо освоена технология изготовления, недорог.

 

В качестве сырья для изготовления изоляторов также используют: стеатит, малощелочное закаленное стекло,  фторопластовые, эпоксидные смолы и полимеры.

Потеря изоляторами изолирующих свойств может произойти или при пробое изолирующего материала, или при дуговом перекрытии по его поверхности. В первом случае изолятор становится непригодным вообще, а во втором случае после перекрытия электрическая прочность восстанавливается.

  Напряжение перекрытия изоляторов в значительной мере зависит от условий их работы. Для изоляторов внутренней установки основной характеристикой является сухоразрядное напряжение, U_схр - это минимальное разрядное напряжение при промышленной частоте и сухой чистой поверхности изоляторов.

U_схр зависит и меняется пропорционально разрядному расстоянию l_u   ( и по воздуху).

U=Еl,

где Е_схр - средняя напряжённость вдоль l_u, зависящая от типа изолятора. Е=3-5 кВ/см;

С целью приведения U_схр к нормальным условиям, чтобы можно было сравнить (нормальные условия: Р=760 мм.рт.ст.; t=20С; абсолютная влажность – 11 г/м, относительная влажность - 63,5%), вводят коэффициент k.

Тогда U_схр =,

где k – коэффициент, зависящий от относительной плотности воздуха.

 

5.2 Мокроразрядное напряжение

 

Оно определяется при f=50 Гц как минимальное напряжение перекрытия при стандартном дожде, имеющем характерную капельную структуру и падающем под 45 на изолятор.

Интенсивность дождя – 3 мм/мин и удельное сопротивление воды (9,5-10,5) - 10 Ом при 20С (ГОСТ 1516-73).

Мокроразрядное напряжение всегда ниже на 20-30% сухоразрядного (за исключением очень длинных гирлянд, когда эти величины почти совпадают).

Так как разряд при дожде развивается частично вдоль смоченных поверхностей, а частично в воздухе, величина U_схр  зависит от плотности воздуха. При пересчете на нормальные условия принимается, что 1/2 напряжения при возникновении разряда приходится на воздушные промежутки и соотношение U_мкр и U_схр  измеренного напряжения выразится формулой

.

От температуры воздуха U_мкр почти не зависит.

Перекрытия изоляторов чаще всего происходят при туманах и дождях слабой силы (0,1-0,2 мм/мин).

 

5.3 Пробивное напряжение изоляторов и их испытания

 

Оно увеличивается для фарфорового изолятора с ростом толщины фарфора и примерно находится в соотношении U_пр=80 (кВ).

Но так как электрическая и механическая прочность фарфора с увеличением толщины быстро снижается, при изготовлении изоляторов не применяют фарфор толщиной свыше 4 см, за исключением стержневых и колонковых изоляторов диаметром до 12 см.

При изготовлении и выпуске изоляторов с завода ГОСТ предусматривает типовые, контрольные и выборочные испытания.

Типовые - более полные (пробивное напряжение, вольт-секундная характеристика, угол потерь tg, сопротивление утечки, механические и тепловые характеристики). Проверяется качество и состояние изолирующего материала, глазури, соответствие техническим условиям формы и размеров изоляторов.

Контрольные – повышенным напряжением для каждого изолятора в процессе производства для отбраковки дефектных изделий.

Выборочные  проводятся почти по всей программе, как для типовых. При сдаче изоляторов заказчику отбирается 0,5%. Если хотя бы один изолятор не выдерживает испытаний, производят ещё отбор 0,5%. Если в ней окажется дефектный изолятор, партия бракуется.

 

Лекция 6. Конструкции высоковольтных изоляторов, кабелей, конденсаторов, электрических машин

 

Содержание лекции:

- конструкции линейных и подвесных изоляторов, опорных, проходных, изоляция трансформаторов, генераторов, конденсаторов.

Цели лекции:

- изучение особенностей изоляции электрооборудования.

 

6.1 Конструкция линейных и подвесных изоляторов

 

Линейные изоляторы по конструкции разделяются на штыревые и подвесные.

Штыревые на U=10 кВ и реже 20-25 кВ (рисунок 16).    

Рисунок 16 - а – изолятор типа ШС (6-10 кВ);

б – изолятор типа ШД (20 кВ)

 

Штырь обматывается паклей, пропитанной суриком. Провод крепится сверху в канавке или на шейке изолятора.

Подвесные изоляторы: тарельчатые и стержневые.

Тарельчатый изолятор (рисунок 17) с конусной головкой выполняется из стекла, фарфора с металлической шапкой и металлическим стержнем. Крепление арматуры осуществляется с использованием высококачественных цементов. Поверхность изоляторов глазуруется, а внешняя и внутренняя поверхности конусной головки покрываются битумом.

Рисунок 17

 

С недавних пор подвесные изоляторы выполняются полимерными.

Стержневые подвесные изоляторы (рисунок 18) представляют сплошной фарфоровый стержень с рёбрами, армированный сверху и снизу металлическими шапками с коническими внутренними поверхностями. При использовании стержневых изоляторов достигается значительная экономия металла. Одного такого изолятора типа СТ-110 достаточно для изоляции ЛЭП напряжением 110 кВ.

Основной недостаток стержневых изоляторов – обрыв провода при разрушении изолятора электрической дугой или механическим ударом. Тарельчатые изоляторы даже будучи электрически пробитыми, как правило, способны нести механическую нагрузку. Поддерживающие – для подвеса проводов, натяжные – на анкерных и угловых опорах. Изоляторы могут собираться в гирлянды.

.

 

Рисунок 18 - Стержневой изолятор типа СТ-110

 

6.2 Конструкция опорных и проходных изоляторов

 

Опорные изоляторы для внутренней установки напряжением 3-35 кВ выполняются, как правило, стержневого типа и состоят из фарфорового тела (полимера) и металлической арматуры. Изоляторы серии О (рисунок 19, а) имеют внутреннюю герметизированную полость. Арматура в виде шапки для закрепления шин и круглого или овального основания скрепляется с фарфором при помощи цемента. Ребристость развита слабо и служит для некоторого увеличения сухоразрядного напряжения. Наибольшее влияние оказывает ребро, расположенное у шапки, которое выполняет как бы роль барьера, выравнивая поле в области высоких напряженностей.

Рисунок 19 - Опорные изоляторы типа О

 

Изоляторы серии ОМ (рисунок 19, б) имеют меньший вес и высоту по сравнению с изоляторами серии О и несколько лучшие электрические характеристики. Достигается это внутренней заделкой арматуры.

Опорные изоляторы, предназначенные для работы в открытых распределительных устройствах, имеют развитую ребристость для обеспечения необходимого мокроразрядного напряжения.

Опорные штыревые изоляторы типа ШН, ШТ и ИШД выпускаются на напряжения 6-35 кВ и состоят из одного (рисунок 20, а), двух (рисунок 20,б) или трёх (рисунок 20, в) фарфоровых тел, скрепленных с помощью цемента друг с другом и арматурой в виде колпака и штырями с фланцем. Крепление ошиновки и изоляторов осуществляется с помощью болтов. На напряжение 110, 150 и 220 кВ штыревые изоляторы собираются в колонки соответственно из трех, четырех и пяти изоляторов ИШД-35 (ОШН-35).

 

Рисунок 20 -  а – типа ШН-10; б – типа ШТ-35;

в – типа ИШД-35

 

Стержневые изоляторы для наружной установки выпускаются на напряжение до 110 кВ (рисунок 21). Число и размеры ребер выбираются на основании опытных данных. При отношении вылета ребра к расстоянию между рёбрами, равном примерно 0,5, мокроразрядные напряжения при данном разрядном расстоянии получаются наибольшими.

Рисунок 21 - Стержневой изолятор 110 кВ

 

Проходные изоляторы на напряжение 6-35 кВ изготавливаются чаще фарфоровыми. Их конструктивное выполнение определяется величиной напряжения, тока, допустимой механической нагрузкой на изгиб и окружающей средой.

Изолятор (рисунок 22) состоит из фарфорового полимерного тела цилиндрической формы 2, плотно скрепленного с помощью армированных на цементе металлических концевых колпачков 1 с токоведущим стержнем 3. Фланец 4 служит для крепления изолятора к стене здания или корпусу аппарата. Так же, как и изоляторы других типов, проходные изоляторы выполняются таким образом, чтобы напряжение пробоя изолятора было выше напряжения перекрытия вдоль его поверхности. Напряжения пробоя фарфоровых проходных изоляторов зависит от толщины фарфора. Однако конструкция таких изоляторов практически определяется необходимой механической прочностью, расчётным напряжением перекрытия и мерами по устранению короны.

Рисунок 22 - а – на напряжение 6-10 кВ для внутренней установки;

б – на напряжение 35 кВ сплошной конструкции для наружной установки

 

Изоляторы на напряжения 3-10 кВ (рисунок 22, а) выполняются с внутренней воздушной полостью 5. Специальных мер по устранению возможности коронирования при таких напряжениях принимать не надо. При напряжениях 20-35 кВ возможно появление короны на стержне напротив фланца, где наблюдается  небольшая напряженность поля в воздухе. Для предотвращения коронирования изоляторы на такие напряжения  изготавливаются без воздушной полости (рисунок 22, б). При этом внутренняя поверхность фарфора металлизируется и соединяется со стержнем для устранения возможности появления разряда. В результате изолятор получается в виде  многослойного конденсатора.

 

6.4 Изоляция силовых кабелей высокого напряжения

 

Кабельные линии значительно дороже воздушных и поэтому применяются в сильно застроенных городах на территориях промышленных предприятий, при переходах через протяженные водные преграды, т.е. там, где сооружение воздушных линий либо экономически не выгодно, либо просто невозможно.

Изоляция жил кабеля друг от друга и от наружной металлической оболочки осуществляется с помощью слоя изолирующего материала, который должен обладать определенной механической и электрической прочностью. Чаще всего изолирующим материалом служит кабельная бумага, плотно намотанная на жилу и пропитанная минеральным маслом или маслом с добавками, увеличивающими его вязкость и стабильность.

Плотная намотка бумаги на жилу обеспечивается применением механически прочных бумажных лент толщиной 20-170 мм и шириной 10-30 мм. Бумажная изоляция перед пропиткой и в процессе пропитки должна быть тщательно высушена. Сушка ведётся под вакуумом 40-20 мм.рт.ст. для кабелей на напряжения 1-10 кВ и 0,1-0,2 - для кабелей на напряжение 110 кВ и выше при температуре 120-130С. Вместо масла можно использовать газ при высоком давлении. При напряжении 3-35 кВ применяются также кабели с пластмассовой и резиновой изоляцией.

На напряжения до 35 кВ силовые высоковольтные кабели выпускаются чаще всего трёхжильными, на напряжения 110-500 кВ и выше – одножильными.

Бумажно-масляная изоляция подвергается воздействию рабочих напряжений, коммутационных и иногда (если кабель связан с воздушными сетями) импульсных перенапряжений.

Градирование изоляции позволяет снизить напряженности у жилы кабеля или уменьшить толщину изоляции, осуществив более равномерное распределение напряженности по толщине изоляции. Градирование изоляции в кабелях выполняется при помощи  бумаги различной плотности и толщины. Более тонкая и плотная бумага имеет большую диэлектрическую проницаемость и электрическую прочность (рисунок 23) и наматывается слоями, ближайшими к жиле. Последующие слои выполняются из более дешёвой имеющей        меньшую диэлектрическую прочность бумаги. Как видно из рисунка, применение трёхслойного градирования позволяет уменьшить толщину изоляции маслонаполненного кабеля на напряжение 110 кВ с 16,8 до 12,6 мм.

Рисунок 23 - Распределение напряженности по толщине градированной (кривая 1) и неградуированной (кривая 2) изоляции кабеля на напряжение 110 кВ

 

Кабели с вязкой пропиткой. Пропитка изоляции в этих кабелях выполняется масляно-канифольным компаундом. Добавка в масло канифоли (1-30% объёма масла) обеспечивает повышенную вязкость пропитывающей массы, что необходимо для предотвращения вытекания компаунда из  концов кабеля и перетекания компаунда в кабелях при наклонных трассах.

Ленты бумаги плотно навиваются на жилу кабеля по спирали с зазором 1,5-3,5 мм. Зазоры необходимы для предотвращения разрывов ленты при изгибании кабеля. Прочность масла в зазоре меньше прочности бумаги, поэтому следует избегать наложения зазоров.

Трёхфазные кабели на напряжение не выше 15 кВ обычно выполняют с поясной изоляцией. Конструкция такого кабеля приведена на рисунке 24. Для лучшего использования сечения кабеля жилам 1 придаётся секторная форма, каждая жила охватывается фазовой изоляцией 2, повторяющей секторную форму жилы. Поверх фазной изоляции все жилы охватываются поясной изоляцией 3.

Рисунок 24 - Трехжильный кабель с поясной изоляцией

 

Пространство между изолированными жилами забивается низкопробной изоляцией (жгуты, скрученные из бумаги) 4. Поверх поясной изоляции накладывается герметичная свинцовая или алюминиевая оболочка 5 и защитная броня из стальных лент или проволок 6. Броня защищается от коррозии битумным составом и пропитанной пряжей 7.

При напряжениях 20 и 35 кВ применяются кабели с отдельно освинцованными жилами и кабели с экранированными жилами. В этих кабелях (рисунок 25) для создания радиального поля и устранения местного усиления поля у многопроволочной круглой жилы поверх жилы 1 и фазовой изоляции 3  накладывают экраны 2, 4 из фольги или металлизированной бумажной ленты. Радиальность поля позволяет увеличить напряженность в изоляции кабелей рассматриваемых типов почти в два раза по сравнению с кабелями с поясной изоляцией. Кабели с отдельно освинцованными жилами допускают увеличение токовых нагрузок по сравнению с кабелями поясной изоляцией  и с тем же сечением жил на 10-20%. Это объясняется тем, что наличие свинцовых оболочек 5 улучшает условия отвода тепла.

Рисунок 25 - Трехфазный кабель на напряжение 35 кВ с отдельно освинцованными жилами

 

Нормальные кабели на напряжения 3-35 кВ с вязкой пропиткой нельзя использовать для вертикальных прокладок при разности уровней 10-15 м или на протяженных, сильно наклонных трассах, так как пропиточная масса будет стекать и оболочка кабеля деформируется. Для вертикальных прокладок используют специальные кабели с объединенной пропиткой изоляции.

Выпускаются те же кабели с пропиткой бумаги битумными составами на основе синтетических смол, не стекающих даже при высоких температурах.

Маслонаполненные кабели. При напряжении 110 кВ и выше бумажная изоляция жилы кабеля пропитывается чистым дегазированным, имеющим повышенную стабильность и газостойкость маслом, находящимся в кабеле под избыточным давлением. Маслонаполненные кабели выпускаются обычно одножильными и в зависимости от давления масла бывают низкого ( до 1), среднего (=3-5) и высокого (=10-15) давления.

Давление в кабелях поддерживается автоматически от баллонов со сжатым газом, соединенных с кабелем при помощи специальных муфт. Арматура подпитки, однако, здесь дешевле и проще, чем на трассах маслонаполненных кабелей.

На напряжение 35 кВ выпускаются трёхжильные кабели (рисунок 26). Газопроводящие каналы 1 расположены между жилами 2 вблизи свинцовой оболочки 3.

 

Рисунок 26 - Трехжильный газонаполненный кабель среднего давления на напряжение 35 кВ

 

Кабели с пластмассовой и резиновой изоляцией. Всё более широкое применение имеют кабели с полиэтиленовой изоляцией. Хотя допустимые напряженности в изоляции этих кабелей невелики – до 2- 2,3 кв/мм, они могут успешно конкурировать с кабелями вязкой пропитки и выпускаются на напряжение до 35 кВ. Полиэтиленовые кабели легче и не требуют сложных влагонепроницаемых оболочек, полиэтилен обладает высоким удельным сопротивлением и имеет малые диэлектрические потери. Низкие допустимые напряженности вызваны возможностью развития ионизационного пробоя в изоляции этих кабелей, при наличии воздушных включений и местных усилений поля. Последнее в кабелях на напряжения 10 и 35 кВ стараются устранить применением полупроводящих экранов вокруг жилы и фазной изоляции кабеля.

Кабели с полихлорвиниловой и резиновой изоляцией выпускаются на напряжение до 6 кВ и имеют худшие электрические характеристики, чем кабели с полиэтиленовой изоляцией.

Кабельные муфты. Соединение отдельных участков кабелей между собой и разделка концов осуществляется с помощью соединительных и концевых кабельных муфт. Монтируются они, как правило, при прокладке кабеля, т.е. в условиях существенно отличающихся от заводских. Поэтому выполнение их требует особой высокой квалификации, и допустимые напряженности для изоляции соединительных кабельных муфт принимаются примерно в два раза меньше, чем для собственной изоляции кабеля. Соединительные муфты для кабелей с вязкой пропиткой выполняются в металлическом (чаще свинцовом) кожухе, герметически спаянном с оболочкой кабеля. Изоляция жил осуществляется намоткой пропитанной изоляционной бумаги, перекрывающей ступенчатую разделку заводской изоляции. Пространство между изолированными жилами и корпусом заливается битумной мастикой или эпоксидной смолой. Гильзовые соединения жил опрессовываются.

Концевые муфты кабелей на напряжения 6-10 кВ выполняются в виде заполненных битумным компаундом металлических воронок или перчаток; в сухих помещениях наиболее распространена сухая разделка с применением полихлорвиниловой ленты и специальных клеящих  лаков.

Стопорные, полустопорные соединительные муфты масло- и газонаполненных кабелей имеют сложную конструкцию, так как должны обеспечивать герметичность при высоких давлениях и обеспечивать необходимую электрическую прочность. Конструкции концевых муфт этих кабелей близки к конструкции проходных изоляторов.

 

6.5 Изоляция высоковольтных конденсаторов

 

Назначение и режимы работы различных типов конденсаторов в значительной мере определяют их конструктивное выполнение и изоляцию.

Наиболее подходящим материалом, широко используемым при изготовлении конденсаторов всех типов, до настоящего времени является пропитанная конденсаторная бумага высокой плотности (1,0-1,2 г/см), толщиной от 5-30 мк. Для конденсаторов постоянного напряжения применяется также менее дорогая кабельная бумага толщиной 0,08-0,17 мм. Конденсаторная бумага применяется двух сортов: КОН-1 и КОН-11. Бумага КОН-11 более плотная, имеет большие диэлектрические потери и используется чаще в конденсаторах постоянного напряжения. Вместо бумаги могут быть использованы пленки из полимеров (полиэтилена, фторопласта) или полимерные перекрытия, которые наносятся непосредственно на фольгу. Пропитка бумаги значительно увеличивает ее электрическую прочность и повышает ее диэлектрическую проницаемость.

Для пропитки бумаги и заполнения корпуса конденсатора используется конденсаторное масло, имеющее повышенную химическую и термическую стойкость. Диэлектрическая проницаемость бумажно-масляной конденсаторной составляет примерно 3,8. При постоянном напряжении используется для пропитки также касторовое масло, имеющее более высокую диэлектрическую проводимость (=4,5) по сравнению с минеральным и почти такую же электрическую прочность. При переменном напряжении касторовое масло не используется, так как оно имеет диэлектрические потери в 5-7 раз больше, чем минеральное.

Для пропитки  могут быть также применены и синтетические полярные жидкости, например совол, имеющий (=5), что позволяет снизить вес конденсатора на 35-49%. Однако пары совола токсичны. Это ограничивает применение совала, и, кроме того, совольные конденсаторы имеют нестабильные при изменении температуры емкость и tg.

Во всех случаях силовые конденсаторы выполняют свои функции за счёт того, что в активной части их изоляции, т.е. в изоляции, заключенной между электродами, в некоторые моменты времени накапливается энергия, используемая для разных целей. Энергия, накапливаемая в конденсаторе, равна

,

где V- объём активной части изоляции;

       Е- рабочая напряженность в изоляции.

 

Рисунок 27 - Схематическое устройство силового конденсатора для повышения коэффициента мощности

 

Устройство силового конденсатора для повышения коэффициента мощности схематически показано на рисунке 27. В герметизированном корпусе расположены плоскопрессованные рулонные секции, стянутые в пакет между металлическими щеками с помощью хомутов. Между секциями установлены изолирующие прокладки из электрокартона. Изоляция от корпуса выполнена из электрокартона или кабельной бумаги. Внутренний объём конденсатора заполнен пропитывающим составом. В зависимости от номинального напряжения конденсатора и его емкости секции соединяются перемычками в параллельную, последовательную или комбинированную схему. В конденсаторах некоторых типов секции подключаются через индивидуальные предохранители. При этом работоспособность конденсатора сохраняется даже после пробоя нескольких секций.

Секция представляет собой спирально намотанный рулон из лент диэлектрика или алюминиевой фольги, выполняющей роль электродов. В рулонных секциях обе поверхности электродов являются активными, вследствие чего сокращается расход  метала на электроды.

 

6.6 Изоляция силовых высоковольтных трансформаторов

 

Внутренняя изоляция трансформаторов, т.е. изоляция обмоток, обводов и других деталей, находящихся под напряжением и расположенных внутри корпуса (бака трансформатора), подразделяется на главную и продольную.

Главная изоляция обеспечивает изоляцию обмоток разных напряжений и фаз  друг относительно друга и относительно заземленных частей (магнитопровода бака), продольная включает изоляцию между витками, катушками, отводами и другими элементами одной и той же фазы.

Рисунок 28 - Схема главной изоляции обмотки силового трансформатора

 

Основной изолирующей средой, применяемой в высоковольтных силовых трансформаторах, является трансформаторное масло в комбинации с твёрдыми материалами. Твердые материалы используют в виде покрытий, изолирования или барьеров. Для того чтобы барьеры были эффективны, они должны располагаться перпендикулярно силовым линиям электрического поля. В проходных изоляторах, где электрическое поле в основном радиальное, это без труда достигается путём применения цилиндрических барьеров. В трансформаторах электрическое поле имеет сложную конфигурацию, поэтому приходится применять комбинацию барьеров разной формы.

В трансформаторах применяют в основном три типа барьеров, показанных на рисунке 28: цилиндрический барьер 1, плоскую шайбу 2 и угловую шайбу 3. Количество барьеров зависит от номинального напряжения. В качестве примера показан эскиз изоляции трансформатора 110 кВ.

 

6.7  Изоляция электрических машин высокого напряжения

 

Размеры изоляции статорных обмоток вращающихся машин жестко ограничиваются. Чем выше коэффициент заполнения паза медью, тем больше мощность машины при одинаковых габаритах. Уменьшение размеров изоляционного промежутка требует использования электрически прочных изоляционных материалов и проведения мероприятий по выравниванию поля в изоляции. Для обеспечения надёжной длительной работы изоляции машин необходимо учитывать сложные эксплуатационные условия и электрические, и тепловые, и механические характеристики изоляции.

Особенно высокие требования предъявляются к изоляции мощных турбо- и гидрогенераторов. Увеличение плотности нагрузок в обмотках этих машин и удлинение срока их службы достигается также за счёт использования систем форсированного охлаждения (как правило, водородного).

Для изоляции статорных обмоток высоковольтных электрических машин применяются в основном высокопрочные изоляционные материалы на основе щипаной слюды (микалента, микафолий, миканиты).

 

Лекция 7. Изоляция герметизированных распределительных устройств, оборудование высоковольтных лабораторий

 

Содержание лекции:

-  герметизированные распределительные устройства, оборудование высоковольтных лабораторий, измерения на высоком напряжении.

Цели лекции:

- изучение конструктивных особенностей оборудования высоковольтных лабораторий и герметизированных распределительных устройств.

 

7.1 Изоляция герметизированных распределительных устройств

 

В герметизированных распределительных устройствах (ГРУ) все токоведущие элементы расположены в закрытых металлических кожухах. В качестве изолирующей среды в ГРУ в настоящее время используют сжатый элегаз (SF₆).

 Элегазовые ГРУ имеют ряд преимуществ перед открытыми распределительными устройствами (ОРУ) обычного типа:

- размеры ГРУ значительно меньше, чем ОРУ, например площадь ГРУ на 220 кВ в 30 раз меньше, чем площадь ОРУ, а площадь ГРУ на 1150 кВ в 50 раз меньше площади ОРУ;

- ГРУ не создают радиопомех и работают бесшумно, что важно при размещении их в черте города;

- обслуживание ГРУ безопасно, поскольку все элементы, находящиеся под высоким потенциалом, расположены внутри заземлённых электрических кожухов;

- ГРУ имеют более высокую надёжность, так как все токоведущие элементы изолированы от внешней среды (это особенно важно для прибрежных, сильно загрязненных и высокогорных районов);

- ГРУ пожаробезопасны.

Конечно, стоимость оборудования и монтажа ГРУ в настоящее время пока в 2 раза выше, чем ОРУ. Однако в ряде случаев, например,  необходимость располагать распределительные устройства под землёй (строительство ГЭС в горах) или в закрытых помещениях (районы Крайнего Севера), стоимость оборудования и монтажа ГРУ уже сейчас ниже стоимости обычных распределительных устройств.

Герметизированное распределительное устройство  может состоять из однофазных или трёхфазных ячеек. Крепление и перемещение токоведущих частей обеспечивается изоляционными элементами из твёрдых материалов. Для повышения надёжности, облегчения монтажа, упрощения эксплуатации ячейки ГРУ выполняют состоящими из отсеков, отделенных друг от друга с помощью герметизирующих проходных втулок-изоляторов.

Герметизированное распределительное устройство   практически не требует обслуживания. Так как все элементы ГРУ не имеют контакта с атмосферой, то в них исключены аварии связанные с внешними причинами (загрязнениями, увлажнениями и т.п.). Однако электрическая прочность изоляции ГРУ может существенно снизиться из-за утечки элегаза. Поэтому необходимы периодические добавления элегаза и постоянная проверка регуляторов плотности элегаза. Кроме того, 1 раз в 5-10 лет проводятся ревизии выключателей, разъединителей и других аппаратов ГРУ.

Конструкция ячейки ГРУ существенно зависит от типа и конструкции выключателей. Это объясняется тем, что выключатель является наиболее сложным элементом ГРУ. Корпус выключателя является опорой для двух разъединителей и сборных шин. Доступ к элементам ГРУ для их обслуживания обеспечивается с помощью специальных лестниц и переходов.

 

7.2 Оборудование высоковольтных лабораторий

 

Испытательные трансформаторы. Испытательные трансформаторы, как правило, изготовляются однофазными. Обмотки высокого напряжения выполняются преимущественно слоевыми. Изоляция между слоями из кабельной бумаги и цилиндров из изолирующего материала. В отличие от силовых они работают обычно непродолжительное время, в течение которого напряжение трансформатора повышается до разряда на объекте, после чего трансформатор отключается.

Для защиты обмотки трансформатора от сверхтоков при разряде и ограничения перенапряжений последовательно с обмоткой включают внешний защитный резистор R, сопротивление которого берут порядка 1 Ом на 1 В номинального напряжения трансформатора. Запас электрической прочности изоляции испытательных трансформаторов невелик и обычно не превышает 20-30%.

Испытательные трансформаторы выполняются с одним или двумя выводами. В схеме с одним выводом ВН второй конец обмотки соединяется с сердечником и баком трансформатора непосредственно через прибор (амперметр).

Эта схема (рисунок 29) позволяет производить испытания объектов в условиях, близких к эксплуатационным, т.е. с одним заземленным полюсом.

Рисунок 29 - Испытательный трансформатор с одним выводом

 

Но по этой схеме необходима изоляция одного из выводов обмотки на полное напряжение, что требует больших и сложных проходных изоляторов и приводит к увеличению габаритов трансформаторов. По такой схеме обычно изготавливают трансформаторы до 500 кВ.

В схеме с двумя выводами (рисунок 30), с сердечником и баком соединяется средняя точка обмотки. Изоляция вводов должна быть рассчитана на половинное напряжение.

В такой схеме один вывод ВН также может быть заземлён. Но т.к. при этом сердечник и бак трансформатора приобретают потенциал U/2 по отношению к земле и обмотке НН, то обмотка НН должна быть изолирована на указанное напряжение от корпуса, а сам трансформатор – от земли и заземлённого оборудования, что требует большего места для установки. Изготавливаются такие трансформаторы на U=750 кВ.

 

Рисунок 30 -  Испытательный трансформатор с двумя выводами

 

Наиболее распространенной схемой и надежной, а для наружных установок единственной является конструкция с масляной изоляцией в металлическом баке. Однако она связана с необходимостью применения дорогих и сложных проходных изоляторов ВН, что намного увеличивает размеры установки и затрудняет ремонт трансформатора. Поэтому определенный интерес представляют сухие трансформаторы, которые были созданы на напряжение до 1000 кВ. Их преимуществом является небольшой вес и габариты, легкий доступ к обмотке и элементам изоляции, простота ремонта. Основным недостатком сухих трансформаторов является опасность увлажнения изоляции и значительные повреждения дугой при пробое изоляции обмотки.

Для получения напряжений 500-1500 кВ применяют каскадные схемы включения испытательных трансформаторов.

Регулирование напряжения испытательных трансформаторов. Регулирование напряжения испытательных трансформаторов осуществляется со стороны первичной обмотки трансформаторов. Регуляторы напряжения должны удовлетворять следующим основным требованиям:

а) регулирование напряжения должно быть плавным, в регуляторах со скользящими контактами искрение должно отсутствовать;

б) регулятор должен подавать на вход испытательного трансформатора напряжение от нуля до U_1п неискаженной синусоидальной формы;

в) мощность регулятора напряжения должна быть не меньше мощности испытательного трансформатора.

Наиболее совершенным устройством для регулирования напряжения является двигатель-генератор. Этот способ питания обеспечивает плавность регулирования и практически синусоидальную форму кривой напряжения. Недостатком является – высокая стоимость.

Более простым и дешёвым устройством являются индукционные регуляторы, которые выполняются в виде трансформаторов с перемещающейся обмоткой или в виде заторможенного асинхронного двигателя с фазным ротором (потенциал-регуляторы).

Трансформаторы и автотрансформаторы, в которых напряжение регулируется при помощи скользящих контактов плавно или ступенями, относятся к простым и дешёвым регуляторам напряжения. Применяются до 50-100 кВт.

Реостаты со скользящим контактом, включаемые в сеть как потенциометры, применяются до мощностей 1-2 кВт.

Генератор импульсных напряжений (ГИН). ГИН представляет собой установку, предназначенную для генерирования импульсных напряжений, аналогичных атмосферным перенапряжениям.

Впервые ГИН был предложен и выполнен профессором Московского университета в 1914 г. В. Аркадьевым и через 10 лет немецким физиком Э. Марксом (рисунок 31).

Работа ГИНа слагается из двух стадий:

а) заряда;

б) разряда (рабочий режим).

Конденсатор С₁ заряжается от выпрямительного устройства, содержащего трансформатор Т, вентиль В и резистор R (Ом). Этот резистор защищает вентиль В, трансформатор Т от перегрузки и ограничивает толчки тока в первые моменты зарядки конденсаторов.

При зарядке все конденсаторы С подключены к источнику напряжения через зарядные резисторы R₁- R₆ параллельно.

Так как R_1,6 << R^/, то считаем, что через некоторое время, определяемое постоянной цепи заряда (секунды, минуты),

.

 

Рисунок 31 - Генератор импульсных напряжений: а – принципиальная схема; б – схема замещения при разряде. Потенциалы слева от электродов соответствуют концу зарядки, справа разряду ГИН

 

Все конденсаторы С оказываются заряженными до одинакового напряжения U_max.

Разряд ГИН (рисунок 38 б) начинается в тот момент, когда зарядное напряжение в точке 1 достигает величины пробивного напряжения запального разрядника Р₁ (пробой Р₂ и Р₃ исключен, т.к. расстояние между шарами больше, чем у Р₁).

 После пробоя Р₁  точка 1 соединяется с землёй через демпферное сопротивление r_g1 и сопротивление дуги, ее потенциал мгновенно снижается до нуля и начинается разряд конденсатора С₁ по контуру C₁→r_g1→P₁→R₂→C₁. Напряжение на электродах конденсатора в каждый момент времени будет равно падению напряжения от разрядного тока на резисторе R₂.

Так как потенциал верхнего электрода конденсатора С₁ (точка 1) перед пробоем был равен +U, а после пробоя стал равен нулю, то потенциал его нижнего электрода (точка 2) изменяется от 0 до –U. Такой же потенциал приобретает и нижний электрод P₂.

Конденсатор С^//₂ представляет собой емкость элементов ГИН относительно земли, не может разрядиться по контуру С^//₂→R₃→r₂→P₁→земля→ С^//₂,  поэтому потенциал точки 3 и верхнего электрода разрядника Р₂ сохраняется равным +U. В результате под действием разности потенциалов 2U разрядник Р₂ пробивается и точка 3 оказывается соединенной с точкой 2 через сопротивление искры и резистор  r_g2.

В итоге потенциалы верхнего и нижнего электродов конденсатора С₃  изменяются до значений –U  и 2U,  разрядник Р₃ под действием разности потенциалов 3U пробивается и все три конденсатора ГИН оказываются соединенными последовательно. Под действием напряжения 3U пробивается отсекающий разрядник ОР, который разъединяя цепь объекта и измерительных устройств от собственного ГИН до его срабатывания, оказывается приложенным к выходной цепи (точка 7).

Параметрами ГИН являются номинальное напряжение , емкость в ударе С_v, энергия в ударе

,

и коэффициент использования . Для современных ГИН . Имеются ГИНы  на напряжения 3000-5000 кВ, 7500 кВ, 10000 кВ.

Шаровые разрядники. Длина воздушного промежутка между электродами какой-либо формы может служить мерой напряжения, которое вызвало пробой промежутка. Поскольку пробой воздушного промежутка определяется амплитудным значением приложенного напряжения, то искровые промежутки относятся к группе амплитудных приборов.

Существуют таблицы МЭК и ГОСТ 1516.1, составленные на основании сравнения результатов исследований в различных странах. При пользовании таблицами нужно учитывать ряд особенностей. На практике возможны две схемы включения шарового разрядника: а) симметричная; б) несимметричная (рисунок 32).

Рисунок 32 - Схемы включения шаровых разрядников

 

При симметричном включении пробивные напряжения одинаковы для всех его видов и обеих полярностей; при несимметричном включении сказывается эффект полярности, но учёт его производится только для импульсных напряжений, так как при постоянных напряжениях разброс пробивных напряжений из-за большой погрешности измерений превышает разницу, вызванную эффектом полярности. В связи с этим,  данные о пробивных напряжениях шаровых разрядников сгруппированы в три таблицы: для симметричного включения шаров; для переменного и постоянного напряжений и отрицательных импульсов; для положительных импульсов при несимметричном включении.

Пробивные напряжения приводятся для нормированных диаметров шаров от 2 до 200 см. Каждому диаметру соответствует определенный диапазон расстояний, в котором обеспечивается минимальная погрешность измерений. Наибольшее  расстояние  между шарами не должно превышать 0,75 Д. При S>0,75 Д сильно возрастает погрешность. Производить измерения при S<0,1 Д также не рекомендуется вследствие затруднений при отсчёте S.

Все данные для t=20С, Р=760 мм рт. ст. Для иных температур и давлений воздуха необходимо вводить поправку на плотность воздуха

,

.

Для однородного поля k=1, неоднородного поля k=0,8-1,2.

Так как поле шаров при измерениях остаётся слабо неоднородным, то влияние влажности воздуха незначительно (<1%) и его не учитывают.

Для уменьшения погрешности при измерениях необходимо, чтобы поверхность шаров была гладкой, полированной, без следов грязи и пыли. Отклонения по диаметру допускаются не более 1%.

Близость земли (пол лаборатории), а также различных заземленных или находящихся под напряжением предметов и проводников искажают картину поля между шарами и вызывают дополнительную погрешность, поэтому нормами предусматриваются определенные расстояния от измерительных шаров до земли и посторонних предметов. При измерении напряжений 50 Гц и постоянного тока последовательно с шарами разрядника включают защитный резистор R для ограничения перенапряжений и тока КЗ испытательной установки при разряде, а также защиты поверхности шаров от повреждения дугой (R1Ом/В).

Величина пробивного напряжения подчинена статистическим закономерностям, поэтому при нескольких измерениях одного и того же напряжения имеет место разброс результатов.

Недостатком шаровых разрядников при измерении напряжений 50 Гц и постоянного тока является невозможность вести наблюдение за изменением напряжения во время опыта и необходимость отключать установку после каждого пробоя. Поэтому шаровые разрядники применяются для построения градуировочных кривых высоковольтных установок и измерения напряжения при испытаниях под дождём.

Электростатические вольтметры. Электростатическими называют приборы, в которых электроды перемещаются под действием сил поля. Из теоретической электротехники известно, что механическая сила взаимодействия двух электродов, находящихся под разностью потенциалов U, в общем виде определяется соотношением

,

где  - сила, действующая в направлении х;

      С – емкость электродов.

Из этого выражения следует, что с помощью электростатических вольтметров можно измерять действующие значения постоянного и переменного напряжений.

Если действующее на неподвижный электрод поле однородно, перемещение электрода незначительно или исключено возвращением его в первоначальное положение, емкость С может быть достаточно точно рассчитана, а сила  измерена, то напряжение U можно рассчитать в соответствии с вышеописанным выражением. Вольтметры, удовлетворяющие этим условиям, называют абсолютными.

Абсолютные вольтметры служат для измерения напряжений до 300-400 кВ, для уменьшения габаритов их обычно располагают в баке с повышенным давлением газа. Погрешность вольтметров при измерении составляет 0,01-0,4%, поэтому они применяются в качестве эталонных приборов при градуировке технических вольтметров высокого напряжения.

 

Рисунок 33 - Схемы технических электростатических вольтметров

 

Технические электростатические вольтметры высокого напряжения (ЭСВВ) применяются в тех случаях, когда при измерении допускается погрешность порядка 2-3%. На рисунке 33 показана схема устройства ЭСВВ с вращательным движением электрода, которая применяются во многих конструкциях. Измеряемое напряжение прикладывается к электродам 1 и 2, закрепленным на изоляторах. На выступающую часть подвижной системы (флажок 3), находящуюся перед вырезом в электроде, при этом действует сила , поворачивающая действующую систему на некоторый угол . Противодействующий момент создаётся или пружинкой, или закручиванием упругой растяжки (оси 4), на которой подвешена подвижная система. Показания прибора отсчитывается при помощи светового устройства, состоящего из шкалы 5 и зеркальца 6, а также осветителя 7. Демпферы 8 служат для успокоения колебаний подвижной системы.

Отечественной промышленностью изготавливаются электростатические вольтметры для измерения напряжения до 30, 100, 200 кВ, класс точности таких приборов 1,5 и 2,5.

Электронные осциллографы. Служат для изучения стационарных и переходных процессов в цепях высокого напряжения. Широко используется при изучении перенапряжений, индукционных явлений и при импульсных испытаниях. Для осциллографирования однократных, кратковременных процессов импульсных напряжений используются ЭО с горячим катодом.

Электронные осциллографы с анодным напряжением до 5 кВ и выше получили название высоковольтных. Напряжение на отклоняющих пластинах 1-2 кВ. Напряжение на модуляторе 50 В.

Делители напряжения. Делители напряжения бывают омические, емкостные и смешанные.

Омический делитель напряжения (рисунок 34)  представляет собой    два резистора R и R, соединенные последовательно. Напряжение для измерений снимается с низковольтного плеча делителя R. Коэффициент деления

.

Рисунок 34 - Омический делитель напряжения

 

Требования, предъявляемые к делителю напряжения, заключаются в следующем: он должен иметь устойчивый коэффициент деления K=U/U, не зависящий от режима его работы, температуры, времени, частоты и величины измеряемого напряжения; не должен искажать формы измеряемого напряжения, для этого его индуктивность и паразитная емкость должны быть минимальными; делитель не должен влиять на режим работы исследуемой цепи, т.е. должен обладать высоким входным сопротивлением; на делители недопустимы коронные разряды, и он должен быть защищён от влияния посторонних полей.

Выполнение этих требований затрудняется по мере повышения измеряемых напряжений, когда размеры делителей напряжений возрастают.

Для получения безиндукционных делителей напряжения с малой паразитной емкостью С^/ резисторы R₁ и R₂ выполняются жидкостными, керамическими или проволочными с безиндукционной, например бифилярной намоткой. Применение манганина или константана диаметром 0,015-0,03 мм позволяет получить резисторы небольших размеров с сопротивлением в сотни килоом.

Погрешность при применении омических делителей напряжения определяется в основном наличием паразитных емкостей С^/  элементов делителя на землю и окружающие предметы.

В начальный момент появления прямоугольной волны (t=0) распределение напряжения по делителю будет резко неравномерным вследствие значительных емкостей токов I^/_C,  напряжение на пластинах явления при этом равномерно U_2Н. Через некоторое время (условно при t=) распределение напряжения станет равномерным и конечное напряжение поля на ПЯ будет U_2К> U_2Н.

Таким образом, коэффициент деления К омического делителя, равный в установившемся режиме примерно R/R, в переходном режиме, особенно при регистрации волн с крутым фронтом, не является величиной постоянной и зависит от времени.

Коэффициент деления емкостного делителя напряжений (рисунок 35)

.

Рисунок 35 - Схема емкостного делителя напряжения

 

Смешанный (емкостно-омический) делитель сочетает свойства обоих типов делителей напряжения, его коэффициент деления практически не зависит от частоты. Смешанные делители широко применяют при работе со сверхвысокими напряжениями.

 

Лекция 8. Грозовые и внутренние перенапряжения

 

Содержание лекции:

- молния, как источник грозовых перенапряжений, зона защиты молниеотводов, заземление в электроустановках высокого напряжения, общая характеристика внутренних перенапряжений.

Цели лекции:

- изучение характеристик грозовых и внутренних перенапряжений, молниеотводов и заземляющих устройств.

 

8.1 Молния как источник грозовых перенапряжений

 

Молния как источник грозовых перенапряжений. Молния представляет собой электрический разряд между облаком и землёй или между облаками. Молнии предшествует процесс накопления и разделения электрических разрядов в грозовых облаках, происходящий в результате возникновения в облаках мощных восходящих воздушных потоков и интенсивной конденсации в них водяных паров.

В средних широтах землю поражает 30-40% общего числа молний, остальные 60-70% составляют разряды между облаками или между разноименными частями облаков.

По мере концентрации в нижней части облака отрицательных зарядов увеличивается напряженность электрического поля, и когда она достигает критического значения (20-24 кВ/см в зависимости от высоты облака над землёй), происходит ионизация воздуха и в сторону земли начинает развиваться разряд.

На начальной стадии, называемой лидерной, молния представляет собой относительно медленно (со скоростью в среднем 1,5 м/с) развивающийся слабосветящийся канал (лидер). Зона ионизации лидера имеет избыточный заряд того же знака, что и облако. Заряды облака и лидера индуктируют на поверхности земли и на расположенных на ней объектах заряды  другого знака. По мере продвижения лидера к земле индуктированный заряд и напряженность электрического поля на возвышающихся над поверхностью земли объектах возрастают и с них могут начать развиваться встречные лидеры, имеющие заряды, по знаку обратные заряду лидера. Ток в лидерной стадии имеет порядок десятков и сотен ампер.

Когда канал развивающегося от облака лидера приближается к земле или к одному из встречных лидеров, то между ними на расстоянии 25-100 м возникает высокая напряженность электрического поля, среднее значение которого оценивается в 10 кВ/см. Промежуток пробивается в несколько микросекунд, и в нем выделяется энергия порядка 0,5-5 МДж, которая расходуется на нагрев и термоионизацию. Проводимость в этой части канала резко возрастает, и зона повышенной напряженности перемещается по направлению к облаку со скоростью 1,5 до 1,5 м/с (0,05-0,5 скорости света). Процесс этот, называемый главным разрядом, сопровождается сильным свечением канала разряда. Ток в канале за 5-10 мкс достигает десятков и даже 1-2 сотен килоампер, а затем за время 25-200 мкс спадает до половины амплитудного значения. В течение очень короткого времени канал разряда разогревается до температуры 20-30 тыс.С.

В завершающей (финальной) стадии молнии по каналу в течение десятков миллисекунд проходит ток порядка десятков, сотен ампер. В это время нейтрализуются заряды облака. Часто на ток финальной стадии накладываются импульсы тока повторных разрядов, во время которых разряжаются на землю скопления зарядов, расположенные в разных местах по высоте грозового облака. Лидер повторных разрядов – так называемый стреловидный лидер – движется со скоростью, превышающей скорость лидера первого разряда и имеющий порядок м/с, поскольку он развивается уже по образованному каналу. Скорости нарастания тока главного разряда в повторных разрядах выше, чем в первом, а амплитуды ниже. Яркие вспышки канала при повторных разрядах воспринимаются как мерцание молнии.

В большинстве случаев молния состоит из 2-3 отдельных разрядов, однако наблюдались и с несколькими десятков компонентов. Такая многокомпонентная молния может длиться до 1 с. Чаще всего длительность удара молнии не превышает 0,1 с.

 

8.2 Молниеотводы, принцип действия молниеотводов

 

Молниеотводы, принцип действия молниеотводов. Защита от прямых ударов молнии осуществляется с помощью молниеотводов. Молниеотвод представляет собой возвышающееся над защищаемым объектом устройство, через которое ток молнии, минуя защищаемый объект, отводится в землю. Молниеотвод состоит из молниеприемника, непосредственно воспринимающегося на себя удар молнии, токоотвода и заземлителя.

Защитное действие молниеотвода характеризуется его зоной защиты, т.е. пространством вблизи молниеотвода, вероятность попадания молнии в которое не превышает определенного достаточно малого значения.

Молниеотводы по типу молниеприёмников разделяются на стержневые и тросовые. Стержневые молниеотводы выполняются в виде вертикально установленных стержней (мачт), соединенных с заземлителем, а тросовые - в виде горизонтально подвешенных проводов. По опорам, к которым крепится трос, прокладываются токопроводы, соединяющие трос с заземлителем.

Открытые распределительные устройства подстанций защищаются стержневыми молниеотводами, а линии электропередачи - тросовыми. Для защиты шинных мостов и гибких связей большой протяженности также могут применяться тросовые молниеотводы.

Необходимым условием надёжной защиты является хорошее заземление молниеотвода, так как при ударе молнии в молниеотвод с большим сопротивлением заземления на нем создаётся высокое напряжение, способное вызвать пробой с молниеотвода на защищаемый объект.

 

8.3 Зоны защиты молниеотводов

 

Зоны защиты молниеотводов. Зоны защиты молниеотводов высотой  h30 м были определены в 1936-1940 гг. А.А.Акопяном (ВЭИ) на основе лабораторных исследований. Надёжность их подтверждена длительным опытом эксплуатации. Они вошли как составная часть в ряд нормативных документов. В последующем установленные зоны защиты были распространены на молниеотводы высотой до 100 м, при этом А.А.Акопяном была введена поправка, учитывающая снижение эффективности молниеотводов высотой больше 30 м вследствие боковых ударов молнии, поражающих молниеотводы в точках ниже его вершины. В настоящее время в связи с потребностями практики нормированы зоны защиты молниеотводов высотой до 150 м.

Зона защиты одиночного стержневого молниеотвода высотой h150 м представляет собой круговой конус с вершиной на высоте h<h, сечение которого на высоте h имеет радиус r (рисунок 36).

Рисунок 36 - Сечение зоны защиты стержневого молниеотвода

 

Граница зоны защиты находится по формулам (все размеры в метрах).

h=0,85h,

r=(1,1-0,002h)·(h-).

Вероятность прорыва молнии через границу зоны не превышает 0,005. Если допустить вероятность прорыва молнии 0,05, то зона защиты расширяется. В ряде случаев такая зона удовлетворяет потребностям практики, так как для объектов высотой до 30 м число разрядов обычно меньше 0,1 в год. Поэтому при вероятности прорыва 0,05 описывается формулами

h=0,92h,

r=1,5(h-).

Зона защиты двухстержневых молниеотводов, находящихся вблизи друг от друга [на расстояние, меньшем (3-5)h], расширяется по сравнению с зонами отдельных молниеотводов. Возникает дополнительный объём зоны защиты, обусловленный совместным действием двух молниеотводов. Зоны защиты двойного стержневого молниеотвода (рисунок 37) описывается формулами:

а) при вероятности прорыва P=0.005

,

;

б) при вероятности прорыва P=0.05

,

,

где r - зона защиты одиночного молниеотвода на уровне земли (h=0).

Рисунок 37 - Зона защиты двойного стержневого молниеотвода:

 а – сечение вертикальной плоскостью, проходящей через оси молниеотвода;

б – сечение горизонтальной плоскостью на высоте h_x

 

Если    расстояние l   между   молниеотводом    превышает 3h(P=0.005) или 5h (P=0.005), каждый из молниеотводов следует рассматривать как одиночный.

 

8.4 Заземления в электроустановках высокого напряжения

 

Заземления в электроустановках высокого напряжения. Заземления состоят из заземлителей и соединительного провода.

Заземлители делятся на:

а) сосредоточенные  в виде стальных труб, стержней, уголков длиной 2-3 м, забитых вертикально в землю;

б) протяженные в виде длинных горизонтальных полос.

Для получения нужного сопротивления R_з заземляющие устройства выполняют из нескольких одиночных заземлителей, соединенных вместе.

Сопротивление одиночных заземлителей переменному току может быть определено по следующим выражениям.

Для трубчатого

,

для полосового

,

для кольцевого

,

где  - удельное сопротивление грунта Ом м;

       l – длина заземлителя, м;

      d – диаметр электрода, м;

      h – глубина заложения заземлителя под поверхностью земли, м;

      b – ширина полосы, м;

      D – диаметр кольцевого заземлителя, м.

Импульсное сопротивление сложного заземлителя, состоящего из «n» труб, соединенных полосой l рассчитывается

,

где R_ит и R_эп - импульсное сопротивление одиночного  трубчатого и                         полосового заземлителя;

        - импульсный коэффициент использования сложного заземлителя,      учитывающий взаимное экранирование одиночных заземлителей.

Коэффициент  зависит от числа трубчатых заземлителей, отношения a/l и тока заземлителя. Для трубчатых заземлителей целесообразно n=2-4, a/l=2-3, при этом =0,75-0,85. При больших значениях (>1000 Ом м) выполняют вертикальные глубинные заземлители (до грунтовых вод).

Сопротивление глубинного заземления рассчитывается

,

где g₁и l₁  - протяженность и проводимость i-го слоя грунта.

В настоящее время в качестве естественных заземлителей металлических опор в грунтах и высокой и средней влажности используют их железобетоные фундаменты.

Удельное сопротивление грунта определяется, как правило, на месте путём измерений. Оринтеровочно можно считать, что

 

 

Заземлители обычно укладывают на глубину 0,6-0,8 м, учитывая высушивание грунта летом и промерзание зимой.

Импульсным сопротивлением заземлителя называют отношение импульсного падения напряжения на заземлителе к протекающему по нему импульсному току

.

Импульсное сопротивление грунта RR заземлителя для переменного тока (т.к. Е на поверхности заземлителя очень большая, I_u несколько килоампер -  ионизация воздушных включений, в результате сопротивление слоя грунта снижается).

На сопротивление протяженного заземлителя влияет также индуктивность полосы, которую учитывают коэффициентом .

R= R

=0,25-1,2 – берётся по таблицам или рассчитывается.

 

8.5 Общая характеристика внутренних перенапряжений

 

Общая характеристика внутренних перенапряжений. Внутренними называются перенапряжения, вызываемые различными переходными  электромагнитными процессами в электрической системе.

Внутренние перенапряжения подразделяются:

- перенапряжения при дуговых замыканиях на землю;

- коммутационные перенапряжения при включении и отключении различных цепей в нормальном и аварийном режимах, внезапных изменениях нагрузки, коротких замыканиях и т. п.;

- резонансные перенапряжения.

Внутренние перенапряжения характеризуются:

- кратностью (уровень) по отношению к амплитудному значению фазового напряжения;

- длительностью – от сотен микросекунд до секунд, минут, часов;

- повторяемостью и степенью распространения – охватывают часть или всю систему.

Внутренние перенапряжения являются процессами случайными, их параметры носят статистический характер и оцениваются статистическими методами.

При оценке перенапряжений, наибольших их значений позволяют ориентировочно подразделить подстанции на 4 группы:

- к первой группе относят подстанции 110-220 кВ с выключателями, дающими повторное зажигание дуги;

- ко второй – подстанции 110-220 кВ с выключателями, не дающими повторных зажиганий;

- к третьей – узловые подстанции напряжением 500 кВ;

- к четвертой – промежуточные подстанции.

В сетях с изолированной нейтралью (до 35 кВ) заземление одной фазы не нарушает в большинстве случаев работу системы, но напряжение в здоровых фазах повышается до линейных. Внутренние перенапряжения выше, чем в сетях с глухозаземленной нейтралью. Следовательно, уровень изоляции таких сетей должен быть выше, чем сетей с глухозаземленной нейтралью.

 

Лекция 9. Аппараты и устройства защиты от перенапряжений

 

Содержание лекции:

- защитные промежутки, трубчатые и вентильные разрядники, нелинейные ограничители перенапряжения.

Цели лекции:

- изучение устройств и аппаратов ограничения перенапряжений.

 

9.1 Общие положения

 

Принцип действия защитного аппарата состоит в том, что он предотвращает появление на электроустановке импульсов перенапряжений, опасных для её изоляции, и не препятствует работе электроустановки при рабочем напряжении.

Простейшим защитным устройством является искровой промежуток, включенный параллельно изоляционной конструкции. Для предупреждения перекрытия или пробоя изоляции вольт-секундная характеристика защитного искрового промежутка ПЗ с учётом разброса должна в идеальном случае лежать ниже вольт-секундной характеристики защищаемой изоляции (рисунок 38). При выполнении этого требования появление опасных для изоляции электроустановок перенапряжений невозможно, так как при набегании импульса напряжения U_пад происходит пробой ПЗ с последующим резким падением («срезом») напряжения. Вслед за импульсным током  в защитный промежуток по ионизированному пути устремляется ток, обусловленный напряжением промышленной частоты - сопровождающий ток. Если электроустановка работает в сети с заземленной нейтралью или если пробой ПЗ произошёл в двух или трех фазах, то дуга сопровождающего тока может не погаснуть и импульсный пробой переходит в устойчивое короткое замыкание, которое вызывает аварийное отключение электроустановки. Чтобы этого избежать, следует обеспечить гашение дуги сопровождающего тока.

Рисунок 38 - Принцип действия защитного устройства:

а – схема включения защитного промежутка (ПЗ); б – согласование вольт-секундных характеристик защищаемой изоляции (1) и ПЗ (2)

 

Защитные аппараты, обеспечивающие не только защиту изоляции от перенапряжений, но и гашение дуги сопровождающего тока в течение времени меньшего, чем время действия релейной защиты, получили название защитных разрядников.

Имеются два различных способа гашения дуги: в трубчатых разрядниках гашение дуги происходит путем интенсивного продольного дутья, в вентильных разрядниках – путем снижения значений сопровождающего тока с помощью сопротивления, включенного последовательно с искровым промежутком.

В ограничителях перенапряжений (ОПН – ограничитель перенапряжения нелинейный) в силу очень большой нелинейности характеристики резистора сопровождающий ток при рабочем напряжении имеет значение долей миллиампера, что безопасно для защитного аппарата и не создаёт заметных потерь энергии. Поэтому ОПН выполняются без искровых промежутков.

 

9.2 Защитные промежутки

 

Конструктивно защитные промежутки выполняются в виде стержневых электродов, создающих резконеоднородное поле. Для таких электродов характерно значительное возрастание разрядного напряжения при малых временах, что не всегда позволяет осуществлять координацию вольт-секундных характеристик изоляции и защитных промежутков во всём диапазоне предзарядных времён.

Переход импульсного тока при пробое ПЗ в устойчивую дугу может сопровождаться аварийным отключением электроустановки или участка электрической сети. Для повышения надёжности электроснабжения желательно ПЗ устанавливать на тех участках сети, которые оборудованы устройствами автоматического повторного включения (АПВ).

В установках до 35 кВ защитные промежутки имеют небольшую длину. Во избежание случайного их замыкания (например, птицами) в заземляющих спусках защитных промежутков создаются дополнительные искровые промежутки. Электроды защитных промежутков в установках 3-10 кВ целесообразно выполнять в виде рогов, так как под действием электродинамических сил и тепловых потоков воздуха дуга растягивается и может погаснуть. Самопогасание дуги между электродами в виде рогов происходит при токе в дуге, не превышающем 300 ампер.

Простота и дешевизна стержневых промежутков определяют их широкое применение, особенно в сетях низших классов напряжения. На ЛЭП высокого и сверхвысокого напряжения принимаются специальные меры по ограничению внутренних перенапряжений, поэтому стержневые промежутки могут применяться в качестве координирующих, т.е. для ограничения максимального значения набегающего на подстанцию импульса напряжения и тока через вентильные разрядники при грозовых перенапряжениях.

 

 

9.3 Трубчатые разрядники

 

Принципиальная схема устройства и включения трубчатого разрядника (РТ) показана на рисунке 39. Основу разрядника составляет трубка из газогенерирующего материала. Один конец трубки заглушен металлической крышкой, на которой укреплен внутренний стержневой электрод 2. На открытом конце трубки расположен другой электрод в виде кольца 3. Промежуток l₁ между стержневыми и кольцевыми электродами называется внутренним, или дугогасящим промежутком. Трубка отделяется от провода фазы  внешним искровым промежутком l₂, иначе газогенерирующий материал трубки постоянно разлагался бы под действием токов утечки.

Рисунок 39 - Устройство трубчатого разрядника

 

Защитное действие трубчатого разрядника характеризуется его вольт-секундной характеристикой  и сопротивлением заземления. При воздействии на РТ импульса грозового перенапряжения оба промежутка пробиваются (перекрытие по внешней поверхности не может произойти, поскольку разрядное расстояние по этой поверхности намного больше длины внутреннего промежутка), и происходит ограничение импульса напряжения. По каналам разряда пробитых промежутков проходит сопровождающий ток рабочей частоты. Под действием высокой температуры канала дуги переменного тока в трубке происходит интенсивное выделение газа. Давление в трубке увеличивается. Газы, устремляясь к открытому концу трубки, создают продольное дутьё, в результате чего дуга гасится при первом же прохождении тока через нулевое значение. Срабатывание разрядника сопровождается выхлопом раскаленных газов и звуком, напоминающим выстрел.

В маркировке трубчатых разрядников указывают номинальные напряжения и пределы отключаемых токов. Например, марка РТФ-110/0,8-5 означает разрядник трубчатый фибробакелитовый на напряжение 110 кВ с пределами отключаемых токов 0,8-5 кА (действующее значение).

 

9.4 Вентильные разрядники

 

Применяются для защиты изоляции электрооборудования подстанций разрядники РВ, также наравне с ними используются нелинейные ограничители напряжения. В соответствии с защитными характеристиками этих аппаратов устанавливаются уровни изоляции трансформаторов и аппаратов подстанций.

Основными элементами вертикального разрядника являются многократный искровой промежуток и соединенный последовательно с ним резистор с нелинейной вольт-амперной характеристикой (рисунок 40). При воздействии на РВ импульса грозового перенапряжения пробивается искровой промежуток ИП и через разрядник проходит импульсный ток, создающий падение напряжения на сопротивлении резистора. Благодаря нелинейной вольт-амперной характеристике это падение напряжения мало меняется при существенном изменении импульсного тока (рисунок 41).

Одной из основных характеристик РВ является остающееся напряжение U_ост, представляющее собой падение напряжения на сопротивлении резистора при определенном импульсном токе (5-14 кА в зависимости от типа РВ), который называется током координации.

Рисунок 40 - Схема включения вентильного разрядника

 

Остающееся напряжение и близкое к нему по значению импульсное пробивное напряжение искрового промежутка РВ U_пр должны быть на 20-25% ниже разрядного или пробивного напряжения защищаемой изоляции (координационный интервал).

Вслед за импульсным током через РВ проходит сопровождающий ток промышленной частоты. Сопротивление нелинейного резистора при рабочем напряжении резко возрастает, сопровождающий ток существенно ограничивается, и при переходе его через нулевое значение дуга в искровом промежутке гаснет.

Наибольшее напряжение промышленной частоты на РВ, при котором надёжно обрывается сопровождающий ток, называется напряжением гашения U_гаш, а соответствующий сопровождающий ток – током гашения I_гаш.

Гашение сопровождающего тока может осуществляться в условиях однофазного замыкания на землю, поэтому в качестве напряжения гашения принимается напряжение на здоровых фазах при однофазном замыкании на землю

U=К U.

 

Рисунок 41 - Вольт-амперные характеристики вентильных разрядников: 1 и 2 разные нелинейности резистора; 1 и 3 разные токи гашения

 

Основу нелинейного резистора разрядника составляет порошок электротехнического карборунда SiC, на поверхности карборунда имеется запорный слой толщиной порядка 100 мкм из окиси кремния SiO, сопротивление которого нелинейно зависит от напряженности электрического поля. При малых напряженностях поля (при небольших напряжениях на резисторе) удельное сопротивление слоя составляет -  и практически все напряжение ложится на него, так как удельное сопротивление самого карборунда значительно меньше – около . При повышении напряженности поля сопротивление запорного слоя резко падает и значение сопротивления нелинейного резистора начинает определяться собственно карборундом. Свойства материала резко менять своё сопротивление в зависимости от напряжения, обеспечивать пропускание очень больших токов при высоких напряжениях и весьма малых при пониженных, называют «вентильными». Отсюда и название аппарата «вентильный разрядник».

Нелинейные резисторы РВ выполняются в виде дисков, состоящих из карбонудового порошка и связующего материала. В зависимости от технологии изготовления получают диски из вилита или терлита. В качестве связки используется жидкое стекло. На искровые промежутки РВ возлагается подключение нелинейного резистора при перенапряжениях и его отключение при прохождении сопровождающего тока.

Простейший единичный промежуток (рисунок 42) состоит из двух латунных электродов, разделенных миканитовой шайбой. Электрическое поле между электродами близко к однородному. В воздушных прослойках между поверхностью электродов и миканитом в силу разности диэлектрических проницаемостей воздуха и миканита возникает ионизация, в результате чего межэлектродное пространство снабжается начальными электронами. Пробой промежутка происходит при коэффициенте импульса, близком к единице.

Гашение сопровождающего тока многократным ИП основан на нестабильности горения короткой дуги в промежутке с холодными электродами. После погасания дуги происходит относительно медленное восстановление электрической прочности.

Рисунок 42 - Единичный искровой промежуток с

 неподвижной дугой (разрез):

1-          латунные электроды; 2 – миканитовая шайба; 3 – искровой промежуток

 

По электрическим характеристикам разрядники подразделяются на 4 группы.

К первой группе относятся разрядники РВТ (токоограничивающий) и РВРД (с растягивающей дугой). Разрядники этих серий комплектуются из тервитовых дисков и токоограничивающих искровых промежутков. Защитное отношение этих разрядников существенно ниже, чем разрядники серии РВМ. Разрядники на 3-10 кВ, предназначенные для защиты вращающихся машин, имеют остающееся напряжение при токе 3 кА и импульсное пробивное напряжение не выше испытательных напряжений изоляции машины. Высокая пропускная способность тервита позволяет использовать эти разрядники для ограничения внутренних перенапряжений.

Магнитно-вентильные разрядники на напряжение 3-35 кВ составляют серию РВМ (магнитный), а на напряжение 110-500 кВ – серию РВМГ (магнитно-  грозовой). Они относятся ко второй группе. В разрядниках этих серий применены искровые промежутки с магнитным гашением и вилитовые диски диаметром 150 мм, что увеличило их пропускную способность.

Широко распространенные разрядники серии РВС (станционные) относятся к третьей группе. Они применяются для защиты электрооборудования напряжением 15-220 кВ. Разрядники этой серии на высшие классы напряжений комплектуются из стандартных элементов на более низкие напряжения. Стандартный элемент, например на 35 кВ (РВС-35), содержит 32 единичных искровых промежутка (рисунок 42) и 11 вилитовых дисков диаметром 100 мм и высотой 60 мм. Контакт между дисками осуществляется посредством металлизации их поверхностей. Комплект искровых промежутков и вилитовых дисков помещается в герметизированный фарфоровый чехол. Герметизация необходима для предохранения вилита от действия влаги и для обеспечения стабильности разрядных характеристик искровых промежутков.

К четвёртой группе относятся разрядники серии РВП (подстанционное) и РВО (облегченный, для защиты сельских сетей) на напряжение 3-10 кВ. Нелинейные резисторы этих разрядников комплектуются из вилитовых дисков, искровой промежуток набирается из элементов.

Комбинированные вентильные разрядники серии РВМК (рисунок 55) предназначены для ограничения как грозовых, так и внутренних перенапряжений в системах 330-750 кВ. Нелинейные резисторы комбинированных разрядников изготавливаются из тервита, имеющего =0,154-0,25, что хуже, чем у вилита.

 

9.5 Нелинейные ограничители перенапряжений

 

Основной недостаток вентильных разрядников связан с тем, что резисторы на основе карборунда обладают сравнительно невысокой нелинейностью. Снижение защитного отношения РВ достигается ценой значительного усложнения искровых промежутков, которые в разрядниках первой группы принимают на себя часть напряжения гашения.

Разработанные в последнее время резисторы на основе окиси цинка обладают значительно большой нелинейностью, чем резисторы на основе карборунда. Это позволило создать новый тип защитного аппарата – нелинейный ограничитель напряжений (ОПН).

Преимуществами ОПН являются: возможность глубокого ограничения перенапряжений, в том числе и междуфазных; малые габариты, позволяющие использовать их в качестве опорных изоляционных колонн, большая пропускная способность.

Уровень ограничения коммутационных перенапряжений с помощью ОПН составляет (1,65-1,8)U_ф. Уровень ограничения грозовых перенапряжений составляет (2,2-2,4)U_ф в сетях 110 кВ, снижается до 2U_ф для линий электропередач 750 кВ.

Ограничители комплектуются в виде параллельно соединенных колонок из дисков диаметром 28 и высотой 8 мм. Торцы дисков металлизированы и обеспечивают контакт между дисками. В соответствии с пропускной способностью число параллельных колонок резисторов в ОПН варьируются от 4 ограничителей напряжения на 110 кВ до 30 в ограничителях на 750 кВ.

Коэффициент нелинейности резисторов ОПН в области ограничения коммутационных перенапряжений имеет значение 0,03-0,05. При ограничении грозовых перенапряжений, когда токи, протекающие через ОПН, достигают нескольких килоампер, коэффициент нелинейности возрастает до 0,07-0,01. Такая высокая нелинейность обуславливает прохождение при рабочем напряжении или резонансных перенапряжениях через нелинейные резисторы токи порядка долей миллиампера на одну параллельную колонку. Это позволяет исключить искровой промежуток и подключать резистор ОПН непосредственно к сети.

 

Список литературы

 

1.       Кучинский Г.С., Кизеветтер В.В., Пинталь Ю.С. Изоляция установок высокого напряжения.– М.: Энергоатомиздат, 1987.-386 с.

2.       Базуткин В.В., Ларионов В.П., Пинталь Ю.С Техника высоких напряжений. Изоляция и перенапряжения в электрических системах. –М.: Энергоатомиздат, 1986. –464 с.

3.       Техника высоких напряжений. Теоретические и практические основы применения: Пер. с нем. / Под ред. В.П.Ларионова. –М.: Энергоатомиздат, 1989. –555 с.

4.       Борисов В.Н., Халилов Ф.Х. Изоляция электрооборудования электрических станций и подстанций.–М.: Издательство МЭИ, 1992. –243 с.

5.       Электрическая часть станций и подстанций. / Под ред. А.А.Васильева/. –М.: Энергия, 1980. –608 с.

Содержание

 

Введение...........................................................................................................................3

Лекция 1. Общие понятия об электрических разрядах в газе……….........................4

Лекция 2. Виды ионизации газов, условие самостоятельности разряда....................6

Лекция 3. Разряды в однородных и резко неоднородных полях ………………….10

Лекция 4. Разряды при кратковременном воздействии напряжения.

                 Коронный разряд…………………………………………………………..12

Лекция 5. Пути снижения потерь на корону. Поверхностный разряд

                 и изоляция установок высокого напряжения…………………………….17

Лекция 6. Конструкция линейных и подвесных изоляторов,

                 кабелей, конденсаторов, электрических машин………………………....22

Лекция 7. Изоляция герметизированных распределительных

                 устройств, оборудование высоковольтных лабораторий……………….33

Лекция 8. Грозовые и внутренние перенапряжения…………………………..……42

Лекция 9. Аппараты и устройства защиты от перенапряжений…………………...49

Список литературы……………………………………………………………………56

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Сводный план 2006 г., поз 137

 

 

 

 

 

 

Борисов Владимир Николаевич

Оржанова Жанар Керимбековна

 

 

 

ТЕХНИКА ВЫСОКИХ НАПРЯЖЕНИЙ.

ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ И ИЗОЛЯЦИЯ

 

Конспект лекций

(для студентов всех форм обучения специальности

050718 – Электроэнергетика)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Редактор Т.С.Курманбаева

 

 

Подписано в печать «____»______2006 г.              Формат 60 х 84  1/16

Тираж 100 экз.                                                           Бумага типографская №2

Объем – _____ уч.изд.л.                                           Заказ ___. Цена _____тенге.

        

 

 

 

Копировально-множительное бюро

Алматинского института энергетки и связи

050013, Алматы, Байтурсынова, 126