Изоляция и перенапряжения: Рабочая программа, задание на контрольную работу, методические указания к выполнению контрольной работы, методические указания к выполнению лабораторных работ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ РФ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Северо-Западный государственный заочный технический университет

ИЗОЛЯЦИЯ И ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ Рабочая программа Задание на контрольную работу Методические указания к выполнению контрольной работы Методические указания к выполнению лабораторных работ

Институт энергетический Специальность 140211 – электроснабжение Направление подготовки бакалавра 140200 – электроэнергетика

Санкт-Петербург 2006 3

ПРЕДИСЛОВИЕ 1. Целью дисциплины является изучение явлений, связанных со старением и нарушением электрической прочности изоляции электроустановок, кабелей, электромашин, линий электропередачи и др., а также описание свойств и характеристик различных изоляционных материалов, изоляторов. 2. Основными задачами дисциплины являются: - знакомство со свойствами и характеристиками внешней и внутренней изоляции электроустановок; с разного вида разрядов и стадий их развития; - овладение основными методами анализа и расчета внешних и внутренних перенапряжений; методами защиты от них; - знание конструктивных и технологических особенностей изоляции высоковольтного оборудования; - умение правильно выбирать защиту электрических установок от грозовых (молниезащита) и внутренних перенапряжений. Дисциплина базируется на знаниях, полученных при изучении дисциплин: физики, химии, математики, теоретических основ электротехники, электроматериаловедения и др.

4

1.

СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ

1.1. Содержание дисциплины по ГОС Изоляция и перенапряжения; виды электрической изоляции оборудования высокого напряжения; изоляция воздушных линий электропередачи; молниезащита воздушных линий; изоляция электрооборудования станций и подстанций, закрытых и открытых распределительных устройств; элегазовая изоляция; молниезащита оборудования станций и подстанций; защита изоляции электрооборудования от внутренних перенапряжений; экологические аспекты электроустановок высокого напряжения. 1.2. Рабочая программа (объем курса 60 часов) Введение (2 часа) [I] , с.3-10 Предмет и задачи курса, дисциплины, связь курса со смежными дисциплинами. Современное состояние и проблемы, возникающие при строительстве линий высокого, сверхвысокого и ультравысокого напряжений. Изоляция электрооборудования, воздействующие на нее перенапряжения и средства защиты от них. Достижения отечественных и зарубежных ученых и изобретателей в решении проблемы изоляции и перенапряжений в современной электроэнергетики. 1.2.1. Основные свойства и электрические характеристики внешней и внутренней изоляции электроустановок (12 часов) [1], c.10-50; [2], c.6-15 Роль газовых диэлектриков в изоляции электроустановок и аппаратов высокого напряжения. Основные процессы и виды ионизации в газе. Возникновение электронных лавин. Искажение электрического поля объемными зарядами. Общая характеристика форм газового разряда. Разряды в однородном поле. Условие самостоятельности разряда. Разрядные напряжения в однородном электрическом поле. Закон Пашена. Зависимость разрядного напряжения от давления газа и других факторов. Газы с повышенной электрической прочностью. Применение газов под давлением. Применение вакуума. Разряды в неоднородном поле. Условие самостоятельности разряда. Влияние полярности. Роль и применение барьеров. Развитие разрядов в длинных воздушных промежутках. Основные стадии и элементы разряда: лавины, стримерная зона, лидер, главный разряд. Время разряда и вольтсекундные характеристики. Корона как форма самостоятельного разряда в резконеоднородном электрическом поле. Последствия влияния короны в 5

электрических установках. Потери мощности на корону при постоянном и переменном напряжениях. Методы уменьшения потерь на корону в электроустановках. Радиопомехи, создаваемые коронным разрядом на проводах. Выбор конструкций и сечения проводов фаз по условиям коронирования и уровню радиопомех. Акустические шумы. Разряд в воздухе вдоль поверхности твердой изоляции. Развитие разряда по поверхности в однородном поле, влияние на него гигроскопичности твердого тела и не плотного прилегания к нему электродов. Разряд по поверхности в неоднородном поле. Скользящий разряд. Влияние удельной поверхностной емкости и удельного поверхностного сопротивления на развитие скользящего разряда. Разряд вдоль загрязненной и увлажненной поверхности диэлектрика. Разряд в жидких диэлектриках. Основные особенности минерального масла как диэлектрика. Механизм пробоя, зависимость пробивных напряжений от степени увлажненности, загрязненности волокнами, от температуры и давления, от длительности воздействия напряжения и других факторов. Примеры других жидких диэлектриков, применяемых в энергетических установках. Разряд в твердых диэлектриках. Основные виды твердой изоляции и особенности ее работы в электрическом поле. Тепловой, электрический и ионизационный пробой твердой изоляции. Примеры применения твердой изоляции из неорганических материалов (керамика, стекло, слюда, асбест) и из органических материалов на основе целлюлозы (бумага и картон, пропитанные жидким диэлектриком, фибра, гетинакс, текстолит, пропитанная древесина); термореактивных смол и термопластических масс. Частичные разряды в высоковольтных конструкциях. Разрушение маслобарьерной и бумажно-масляной изоляции частичными разрядами. Соотношения между доступными рабочими напряжениями и характеристиками частичных разрядов. Основные характеристики частичных разрядов, подлежащие измерению. Старение внутренней изоляции. 1.2. 2. Высоковольтные изоляционные конструкции (8 часов) [I] , с. 190-221, [2], с. 6-50 Общие требования к изоляционным конструкциям. Основные воздействия, которым подвергается изоляция в процессе эксплуатации. Классификация изоляторов. Линейные и опорные изоляторы, их конструкции и характеристики – электрические и механические. Новые материалы для изоляторов. Гирлянды подвесных изоляторов. Опорные изоляторы. Выравнивание напряжения по гирляндам и колонкам изоляторов. Назначение и типы защитной арматуры. Условие работы изоляторов в эксплуатации. Влияние на электрическую прочность загрязнения и увлажнения изоляторов. Мероприятия по приведению к норме внешней изоляции подстанций и линий. 6

Изоляция силовых трансформаторов. Структура изоляции. Понятие о пробивном напряжении маслобарьерной изоляции. Конструктивные особенности изоляции трансформаторов различных классов. Проходные изоляторы конденсаторного типа и их конструкция. Силовые электрические кабели. Структура изоляции. Конструкция кабелей с вязкой пропиткой, маслонаполненных кабелей. Конструкция концевых, соединительных и стопорных муфт. Силовые конденсаторы. Типы силовых конденсаторов. Основные электрофизические характеристики их изоляции. Конструкция секции конденсаторов. Конструкция конденсаторов различных типов. Изоляция электрических машин. Типы изоляции электрических машин, их структура. Методика испытания изоляции в процессе изготовления. 1.2.3. Испытательные установки и измерения высоких напряжений (8 часов) [I] , с. 167-170 Задачи, виды и методы высоковольтных испытаний наружной изоляции линий электропередачи, оборудования подстанций. Высоковольтные испытательные установки промышленной частоты. Испытательные трансформаторы, особенности их устройства и режимы работы. Каскады испытательных трансформаторов. Установки выпрямленного напряжения. Генераторы импульсных напряжений и токов, генераторы коммутационных перенапряжений. Измерительные устройства. Шаровой разрядник. Электростатические вольтметры. Делители напряжения (омические, емкостные, комбинированные) и низковольтные измерительные устройства к ним. Измерение высокого переменного, постоянного импульсного напряжений. Измерение импульсных токов. 1.2.4. Профилактические испытания изоляции высоковольтных конструкций (6 часов) [I] , с. 170-184 Значение профилактических испытаний для снижения аварийности оборудования линий электропередачи подстанций. Виды профилактических испытаний. Испытание повышенным напряжением промышленной частоты, постоянным и импульсным напряжением. Испытание по контролю характеристик изоляций: измерение сопротивления изоляций, абсорбционные методы диагностики изоляции, измерение характеристик частичных разрядов. Основные факторы, влияющие на снижение электрической прочности изоляции в процессе эксплуатации. Эффективность различных методов испытаний для выявлении дефектов. 7

Особенности профилактических испытаний электропередачи, силовых трансформаторов, конденсаторов, электрических машин.

изоляторов линий аппаратов, кабелей,

1.2.5. Молниезащита электрических установок (12 часов) [I], с.284-293, 325-326; [2], с.166-190 Молния как источник грозовых перенапряжений. Развитие молнии и ее электрические характеристики. Интенсивность грозовой деятельности в природе. Защита подстанций от прямых ударов молнии. Молниеотводы и принцип их действия. Зоны защиты молниеотводов. Эффективность защиты подстанций от прямых ударов молнии. Защита оборудования подстанций от набегающих импульсов грозовых перенапряжений. Вентильные разрядники и ограничители перенапряжений (ОПН) как основные аппараты защиты оборудования подстанции от набегающих импульсов. Конструкции и характеристики вентильных разрядников и ОПН. Заземление в электрических установках высокого напряжения. Требования к заземлению подстанций и станций. Импульсные сопротивления сосредоточенных и протяжных заземлителей. Молниезащита линий электропередачи. Удельное число отключений линий как показатель грозоупорности ЛЭП. Применение тросов для молниезащиты. Защитные промежутки, трубчатые разрядники и их применение для молниезащиты линий.

1.2.6. Внутренние напряжения в электрических системах (12 часов) [I], с.392-404, [2] , с.101-154 Общая характеристика внутренних перенапряжений. Резонансные перенапряжения в длинных линиях. Перенапряжения при плановых и аварийных коммутациях. Влияние короны на проводах и компенсирующих устройств на величину перенапряжений. Феррорезонансные перенапряжения в электроустановках. Коммутационные перенапряжения при отключениях коротких замыканий. Перенапряжения при отключении не нагруженных трансформаторов и линий. Перенапряжения при дуговых замыканиях на землю в системах с изолированной нейтралью. Назначение и основные характеристики дугогасящих аппаратов. Ограничение внутренних перенапряжений. Применение реакторов в дальних электропередачах. Использование коммутационных разрядников и ОПН. Комплексные схемы защиты от внутренних перенапряжений в электропередачах сверхвысокого напряжения. 8

1.3.ТЕМАТИЧЕСКИЙ ПЛАН ЛЕКЦИЙ ДЛЯ ОЧНО-ЗАОЧНОЙ ФОРМЫ ОБУЧЕНИЯ (8 часов) Темы лекций 1. Введение. Разряды в газах, жидких и твердых диэлектриках 2. Высоковольтные изоляционные конструкции и методы их профилактических испытаний 3. Атмосферные перенапряжения и защита от них 4. Внутренние перенапряжения в электрических системах и защита от них

Объем в часах 2 часа 2 часа 2 часа 2 часа

1.4.ТЕМЫ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ (8 часов) Темы лабораторных работ 1. Исследования электрической прочности внешней и внутренней изоляции: воздушных промежутков, жидких и твердых диэлектриков при переменном напряжении промышленной частоты 2. Грозозащита подстанций от набегающих по линии волн

9

Объем в часах 4 часа 4 часа

2.БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1 Техника высоких напряжений / Под ред. Г.С Кучинского.-СПб : Энергоатомиздат,2003. 2 Гончар В. С. Изоляция и перенапряжения: учеб. пособие .- СЗТУ, 2006. 3 Инструкция по устройству молниезащиты зданий и сооружений промышленных помещений; министерство энергетики РФ, 2003.

10

3. ЗАДАНИЕ НА КОНТРОЛЬНУЮ РАБОТУ В процессе изучения дисциплины «Изоляция и перенапряжения» студенты должны выполнить одну контрольную работу, состоящую из трех вопросов, вариант которых выбирается по последней цифре шифра студента (Табл. 2) и одной задачи, вариант которой выбирается по двум последним цифрам шифра студента (Табл. 1). Контрольная работа служит для закрепления учебного материала по данному курсу. Контрольная работа выполняется в отдельной тетради с указанием дисциплины, фамилии и инициалов студентов, шифра, факультета и номера специальности. В тетради должны быть оставлены чистые поля 3-4 см. Ответы на вопросы должны быть краткими и четкими, поясняться формулами, графиками, принципиальными схемами, если это необходимо. Буквенные обозначения в формулах, графические обозначения в схемах должны соответствовать действующим ГОСТ. Необходимо указывать размерности величин, подставляемых в формулы, они также должны соответствовать действующим ГОСТ. В расчетах сначала приводятся расчетные формулы и буквенные обозначения, а затем в них должны подставляться цифры. Графики и принципиальные схемы должны быть выполнены с применением чертежного инструмента. Если они выполнены на отдельных листах, то должны быть вклеены в тетрадь. В тексте пояснительной записки должны быть ссылки на использованную литературу, а в конце записки следует привести список литературы с указанием автора, наименования, места издания, издательство и год издания. Сокращения слов и обозначений должны соответствовать принятым в технической литературе. ЗАДАЧА Рассчитать зону защиты молниеотводов ОРУ-110 кВ, установленных на двух порталах(1 и 2 рис.1) и двух отдельно стоящих молниеотводах, указанных на рис.1(3 и4). Расстояния между молниеотводами L1, L2 и L3, высоты молниеотводов h1 и h2, а также коэффициенты надежности защиты, указанные в табл. 1, соответствуют шифру студента. Расчет зоны защиты молниеотводов провести на высоте hx от уровня земли.

11

Таблица 1. Расчетные параметры Параметры молниеотвода

Номер варианта исходные данные 0

1

2

3

4

5

6

7

9

22

21

Номер молниеотвода 1

22

23

24

2

22

23

24

23

22

21

17

18

Высота молниеотвода h, м предпоследняя цифра шифра студента 19 19 19 18 17 16

15

14

17

18

19

19

19

18

17

16

15

14

31

30

29

30

31

30

31

30

31

29

16 26

15 25

14 24

15 25

16 26

15 25

16 26

15 25

16 26

14 24

7

8

9

10

10

9

8

7

6

5

0,999

0,99

0,9

0,99

0,999

0,99

0,9

0,99

0,9

0,999

3 4 Расстояние L1 между молниеL2 отводами, L3 м Высота объекта hx,, м Надежность защиты, Рз

Высота молниеотвода h, м последняя цифра шифра студента 25 26 25 24 23

8

25

26

25

24

Таблица 2. Варианты вопросов контрольной работы Вариант

1

2

3

Номера вопросов варианта

1 11 21

2 12 22

3 13 23

Последняя цифра шифра 4 5 6 7 8 4 14 24

5 15 25

6 16 26

7 17 27

8 18 28

9

0

9 19 29

10 20 30

Вопросы к контрольной работе 1. Газовая изоляция и её применение в электроэнергетике. 2. Основные процессы и виды ионизации в газах. 3. Зависимость электрической прочности газов от различных факторов (давления, разряжения, введения посторонних веществ и др.). 4. Развитие разрядов в длинных воздушных промежутках при воздействии электрического поля. 5. Частичные разряды. Условия их возникновения, их воздействие на изоляцию. 6. Скользящий разряд. Условия возникновения. Его воздействие на изоляцию. 7. Коронный разряд. Условия его возникновения. Основные особенности. Способы снижения потерь мощности на корону и радиопомехи. 8. Частичные разряды в твердых, жидких и газообразных диэлектриках. 12

9. Основные электрические воздействия, которым подвергается изоляция высоковольтных конструкций в процессе эксплуатации. 10. Виды внутренних перенапряжений в электрических установках. Меры защиты от них. 11. Классификация высоковольтных изоляторов, их конструктивные особенности и используемые материалы. 12. Основные электрические характеристики изоляции силовых трансформаторов. 13. Основные электрические и тепловые характеристики изоляции силовых электрических кабелей различной конструкции. 14. Основные электрические характеристики изоляции силовых конденсаторов. 15. Основные электрические характеристики изоляции электрических генераторов и электродвигателей. 16. Методы испытаний изоляции электростанций, подстанций и линий электропередачи. 17. Виды профилактических испытаний изоляции высоковольтных конструкций. 18. Основные факторы, влияющие на снижение электрической прочности высоковольтных конструкций в процессе эксплуатации. 19. Молнии как источник грозовых перенапряжений. Интенсивность грозовой деятельности. Электрические характеристики молний. Способы молниезащиты подстанций. 20. Молниеотводы. Принципы их действия. Зоны защиты подстанций от прямых ударов молнии. 21. Защита оборудования подстанций от набегающих волн перенапряжений. 22. Виды вентильных разрядников и ограничителей перенапряжения – ОПН как основных аппаратов защиты оборудования подстанции от перенапряжений. 23. Виды заземления в электрических сетях. Требования к защитному заземлению станций и подстанций. Типы заземлителей. 24. Молниезащита линий электропередачи. Применение тросов, вентильных разрядников, ОПН, трубчатых разрядников, искровых промежутков. 25. Перенапряжения в длинных линиях электропередачи. Влияние шунтирующих реакторов на величину перенапряжений. 26. Феррорезонансные перенапряжения. Условия их возникновения. Меры их ограничения. 27. Коммутационные перенапряжения при отключениях коротких замыканий. Меры их ограничения. 28. Перенапряжения при отключениях ненагруженных трансформаторов и линий. Меры их ограничения. 29. Перенапряжения при дуговых замыканиях на землю в системах с изолированной нейтралью. Меры их ограничения. 30. Влияние высоких и сверхвысоких напряжений на окружающую среду, на человека.

13

4. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЫ Защита зданий и сооружений, имеющих металлические несущие конструкции или металлическую кровлю, обеспечивается путём заземления металлических частей. Кирпичные, бетонные и железобетонные сооружения, металлические опоры, поддерживающие провода на подстанции, защищают молниеотводами, устанавливаемые на указанных сооружениях, или отдельно стоящими стержневыми молниеотводами . Зона защиты молниеотводов должна охватывать всю территорию подстанции. Тросовые молниеотводы (тросы) на основной территории подстанции применять не рекомендуется из-за опасности в случае обрыва троса закоротить сборные шины подстанции и вывести из строя всю подстанцию. Тросы используют для защиты только воздушных перемычек, например, переходов от трансформаторов на плотине ГЭС до входа на ОРУ на берегу реки. Каждый молниеотвод состоит из молниеприёмника, заземлителя и токоотводящих спусков, соединяющих молниеприёмник с заземлителем. По типу различают стержневые и тросовые молниеотводы. Защитное действие молниеотвода определяется зоной защиты, т.е. пространством около молниеотвода, выбор типа и высоты молниеотвода производится исходя из значений требуемой надежности Рз. Во всех случаях система защиты от прямых ударов молнии выбирается так, чтобы максимально использовались естественные молниеотводы (например, установленные на порталах подстанции), а если обеспечиваемая ими защищенность недостаточна, то устанавливают дополнительно стержневые молниеотводы. В соответствии с рекомендациями «Инструкции по устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций» Министерства Энергетики Российской Федерации, зоной защиты одиночного стержневого молниеотвода высотой h рис.2 является круговой конус высотой ho < h, вершина которого совпадает с вертикальной осью молниеотвода. Габариты зоны определяются высотой конуса ho и радиусом конуса на уровне земли ro .

14

Рис. 1. Стержневые молниеотводы ОРУ – 110 кВ

Приведенные в табл. 3 расчетные формулы пригодны для одиночных молниеотводов высотой до 150 м (рис.2). При более высоких молниеотводах следует пользоваться специальной методикой расчета. Зона защиты двойного стержневого молниеотвода (рис.3) определяется расчетными формулами, указанными в табл. 4. При этом следует знать, что молниеотвод считается двойным, если расстояние между стержневыми молниеотводами L не превышает предельной величины Lmax. В противном случае оба молниеотвода рассматриваются как одиночные. Построение внешних областей зон двойного молниеотвода (полуконусов с габаритами ho и ro), производится по формулам для одиночных стержневых молниеотводов. Таблица 3. Расчет зоны защиты одиночного стержневого молниеотвода Надежность Высота молниеотвода защиты Рз h, м 0,9 От 0 до 100 От 0 до 30 0,99 От 30 до 100 От 100 до 150 От 0 до 30 0,999 От 30 до 100 От 100 до 150

Высота конуса ho, м 0,85h 0,8h 0,8h [0,8-10-3(h-100)]h 0,75 h [0,7-7,14·10-4(h-30)]h [0,65-10-3(h-100)]h 15

Радиус конуса ro , м 1,2h 0,8h [0,8-1,43·10-3(h-30)]h 0,7h 0,6h [0,6-1,43·10-3(h-30)]h [0,5-2·10-3(h-100)]h

Размеры внутренних областей определяются параметрами ho и hc, первый из которых задает максимальную высоту зоны непосредственно у молниеотводов, а второй – максимальную высоту зоны посередине между молниеотводами. При расстоянии между молниеотводами L ≤ Lc граница зоны не имеет провеса (hc = ho). Для расстояния Lc ≤ L ≤ Lmax высота hc определяется по выражению hc=[(Lmax- L)/ (Lmax- Lс)]·h0. Входящие в это выражение Lmax и Lc вычисляются по эмпирическим формулам табл. 4, пригодным для молниеотводов высотой до 150м. При большей высоте молниеотводов следует пользоваться специальным программным обеспечением. Размеры горизонтальных сечений зоны вычисляются по следующим формулам( общим для всех уровней надежности защиты). Максимальная полуширина зоны rc в горизонтальном сечении на высоте hc rc= r0(hc-hх)/ h0 . Длина горизонтального сечения x на высоте hx ≥ hc lх=L(h0 - hх )/2(h 0 – hс ) ;hx < h ; Lx = L / 2 . Таблица 4. Расчет параметров зоны защиты двойного стержневого молниеотвода Надежность Высота молниеотвода защиты Рз h, м От 0 до 30 0,9 От 30 до 100 От 100 до 150 От 0 до 30 0,99 От 30 до 100 От 100 до 150 От 0 до 30 0,999 От 30 до 100 От 100 до 150

Lmax, м

Lc, м

5,75h [5,75-3,57·10-3(h-30)]h 5,5h 4,75h [4,75-3,57·10-3(h-30)]h 4,5h 4,25h [4,25-3,57·10-3(h-30)]h 4,0h

2,5h 2,5h 2,5h 2,25h [2,25-0,01007·(h-30)]h 1,5h 2,25h [2,25-0,01007·(h-30)]h 1,5h

Ширина горизонтального сечения в центре между молниеотводами 2rcx на высоте hx ≤ hc rcх= r0(hc-hх)/ hс . Длина горизонтального сечения x на высоте hx ≥ hc lх=L(h0 - hх )/2(h 0 – hс ) ;hx < h ; Lx = L / 2 . Ширина горизонтального сечения в центре между молниеотводами 2rcx на высоте hx ≤ hc rcх= r0(hc-hх)/ hс . Зона защиты нескольких молниеотводов определяется попарными зонами защиты трёх ближайших молниеотводов рис.4. 16

hx

h

ho

r r

0

r

r

Рис.2.Зона защиты молниеотвода A

B L

B-

rx

h

rx

h

A

A-

h hx

B

rcx r

ro

lx2

rx

rx

rcx

Рис.3.Зона защиты двойного молниеотвода

17

hx

Рис. 4.Зоны защиты двойного (а, б) и группового (в) молниеотводов

18

5. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ Данные методические указания включают в себя описание и порядок выполнения лабораторных работ по дисциплине «Изоляция и перенапряжения». Целью этих лабораторных работ являются: 1) Закрепление полученных теоретических знаний по данной дисциплине. 2) Ознакомление на практике с электрической прочностью внешней (воздух) и внутренней изоляций, используемых в электрических устройствах: аппаратах, электрических машинах, трансформаторах, высоковольтных линиях передачи и т.п. 3) Выработка мероприятий для защиты электрооборудования от набегающих по линии электропередачи волн перенапряжений (компьютерный вариант расчетов). Перед тем, как приступить к выполнению лабораторных работ, студент должен ознакомиться с инструкцией по технике безопасности, расписаться в соответствующем журнале и затем неукоснительно соблюдать правила по технике безопасности. При выполнении каждой лабораторной работы студент должен вести записи испытаний или срисовывать с экрана компьютера графики и цифровые данные, а затем анализировать их, проводить расчеты и окончательно оформить их в дальнейшем виде отчета. Отчеты должны быть оформлены технически грамотно, аккуратно, с соблюдением соответствующих ГОСТ на обозначение величин, элементов схем, единиц измерения. В конце отчета необходимо провести анализ по результатам, полученным в процессе работы, сделать выводы. При выполнении лабораторных работ и составлении отчетов следует пользоваться соответствующими учебниками и учебными пособиями, приведенными в конце каждой работы. В отчетах по лабораторным работам следует привести перечень используемых приборов (устройств) с указанием их метрологических характеристик, погрешностей, соответствующих классу точности.

19

Охрана труда и техника безопасности при выполнении лабораторных работ по дисциплине «Изоляция и перенапряжения» 1. Перед выполнением лабораторных работ студентам необходимо изучить инструкцию по технике безопасности при работе на установках с напряжением свыше 1000 вольт и расписаться в журнале инструктажа. 2. Перед началом выполнения лабораторной работы студенты должны ознакомиться со схемой, уяснить порядок включения и выключения аппаратуры, а также порядок выполнения лабораторной работы. 3. Проверить исправность защитного заземления, всех соединительных проводов и сетевых вилок. 4. Во время выполнения лабораторной работы обязательно выполнять все указания преподавателя, ведущего занятие. Запрещается: - производить присоединение или отключение проводов, находящихся под напряжением; - самостоятельно производить ремонт аппаратуры и макетов; - отлучаться из лаборатории без разрешения преподавателя. 5. При возникновении аварийной ситуации или обнаружения искрения или запаха дыма следует немедленно отключить аппаратуру и доложить преподавателю. 6. Запрещается при отключении сетевого питания выдергивать питающий шнур из розетки за провод. Это необходимо делать, держась за вилку. 7. После окончания лабораторной работы все схемы, макеты, аппаратура должны быть отключены от сети питания. Рабочее место следует привести в порядок. 8. При плохом самочувствии студента в лабораторию с высоковольтной установкой он не допускается, так как работа с высоковольтным напряжением требует повышенного внимания и ответственности.

20

РАБОТА 1 Исследование электрической прочности диэлектриков 1. Цель работы Исследование электрической прочности газообразных (воздух), жидких и твердых диэлектриков. 2. Содержание работы 1. Изучение явлений пробоя газообразных диэлектриков в различных условиях. 1) Влияние однородного и неоднородного электрического поля на прочность газов. 2) Влияние величины зазора между электродами в однородном и неоднородном полях на электрическую прочность газов. 2. Исследование электрической прочности жидких диэлектриков. Многократный пробой трансформаторного масла в условиях малых и больших промежутков времени между пробоями. 3. Исследование электрической прочности твердых диэлектриков. 1) Влияние толщины диэлектрика на его электрическую прочность. 2) Зависимость электрической прочности от количества слоев изоляции и их толщины: бумажно-масляной изоляции; лакоткани; полимерных пленок. 4. Построение графиков для газообразных и твердых диэлектриков. Анализ их. Написание выводов по полученным экспериментальным данным (с использованием теоретических знаний). 3. Пояснения к работе Электрическая прочность является одной из основных характеристик изоляционных материалов. Электрическая изоляция не может выдерживать очень большие напряжения; в диэлектрике возникают процессы, приводящие к возрастанию сквозного тока, а при некотором значении напряжения, превышающем критическое, в нем образуется проводящий канал. При этом плотность тока увеличивается до ~108 А/м2, а сопротивление резко падает. Электрическая прочность характеризуется пробивной напряженностью Eпр =

U пр h

,

которая равна напряжению пробоя Uпр, отнесенному к толщине диэлектрика h в месте пробоя. 1. Внешней изоляцией называются части изоляционной конструкции, в которых изолирующей средой является атмосферный воздух, в том числе, у поверхности твердого диэлектрика. Например, к внешней изоляции относятся воздушные промежутки между проводами разных фаз линий электропередачи, 21

промежутки между контактами разъединителя, внешние поверхности изоляторов и т.п. На электрическую прочность внешней изоляции влияют атмосферные условия: давление, температура, влажность. На электрическую прочность изоляторов наружных установок существенно влияют загрязнения их поверхности, атмосферные осадки. 2. Внутренней изоляцией называются части изоляционной конструкции, в которых изолирующей средой являются жидкие, твердые, газообразные диэлектрики или их различные комбинации, не имеющие прямых контактов с атмосферным воздухом. К наиболее распространенным видам внутренней изоляции оборудования высокого напряжения энергосистем относятся: 1) масло-барьерная изоляция – МБИ; 2) бумажно-масляная пропитанная изоляция – БПИ; 3) изоляция на основе слюды – микалента, слюдотерм и др.; 4) пластмассовая изоляция – полиэтилен, поливинилхлорид, фторопласт и др. 5) газовая изоляция – азот, элегаз и др.; 6) масляная изоляция – трансформаторное масло, конденсаторное масло, хлорированные дифенилы и др. 3. Пробивная напряженность воздуха в нормальных условиях невелика по сравнению с большинством жидких и твердых диэлектриков. При нормальных условиях и однородном электрическом поле прочность равна E пр ≈ 3

кВ , при мм

растояниях между электродами h≈10 мм. Если же электрическое поле неоднородно, а расстояния большие (как это имеет место в большинстве изоляционных конструкций), то электрическая прочность уменьшается. Например, при h=1…2метра – E пр ≈ 0.5

кВ кВ , при h=10…20 метров - E пр ≈ 0,15 . мм мм

Воздух относится в самовосстанавливающимся изоляциям, т.е. после пробоя и снятия напряжения его свойства восстанавливаются. Твердые диэлектрики после пробоя (образования в них проводящего канала) свои свойства не восстанавливают. Поэтому их пробой стараются не допускать. Реальный твердый диэлектрик имеет в себе посторонние включения, трещинки, воздушные включения. В этих местах возникает усиление электрического поля, и по ним идет частичный разряд. Он приводит к постепенному старению изоляции (ухудшению электрических характеристик: уменьшению ρ – электрического сопротивления, увеличению tgδ – диэлектрических потерь и т.п.), и через какое-то время это может привести к пробою. В жидком диэлектрике, например, в масле, вещество постоянно циркулирует и наблюдается большая устойчивость к частичным разрядам. Однако масло очень чувствительно к присутствию влаги и газовых пузырьков, которые в сильной степени снижают его электрическую прочность. После пробоя и снятия напряжения свойства диэлектриков восстанавливаются, но не полностью. Электрическая прочность жидких диэлектриков, например, трансформаторного, высушенного от влаги масла, в десять раз больше

22

прочности воздуха

E пр = 30 − 50

кВ , мм

а электрическая прочность твердых

неоднородных диэлектриков достигает величин порядка ~100

кВ . мм

4. Приведем краткое описание некоторых видов разрядов, предшествующих явлению старения и пробоя в изоляционных материалах. Частичные разряды Частичными разрядами (ЧР) называют процессы в изоляции, которые развиваются под действием приложенного напряжения и распространяются лишь на часть изоляционного промежутка. Возникают частичные разряды в ослабленных местах изоляции: трещинах, посторонних твердых или газообразных включениях. Скользящий разряд Это термически ионизированный канал разряда, развивающегося вдоль твердого диэлектрика, на поверхности которого нормальная составляющая напряженности электрического поля превышает тангенциальную составляющую. Коронный разряд Коронный разряд, или корона, - это самостоятельный разряд, возникающий в резконеоднородных полях, когда ионизационные процессы могут происходить только в узкой области, вблизи электродов. 4. Описание лабораторной установки Исследование электрической прочности изоляционных материалов производится при помощи установки, схема которой приведена на рис. 5. Она состоит из установки АИИ-70 и специальной камеры для испытания образцов диэлектриков. Установка АИИ-70 включает в себя пульт, внутри которого установлены: высоковольтный трансформатор, пускорегулирующая и сигнальная аппаратура. Заземляющая штанга служит для снятия емкостного заряда с испытуемого образца после пробоя. Электродами, между которыми исследуются различные виды разрядов и прочность воздуха, являются сферы диаметром 25 мм, а также заостренные электроды, которые крепятся на текстолитовом основании в горизонтальном положении. Жидкие изоляционные материалы (масла) испытываются на пробой в стандартном фарфоровом разряднике с двумя дисковыми электродами с закругленными краями, имеющими диаметр 25 мм и закрепленными на расстоянии 2,5 мм друг от друга. Для испытания твердых диэлектриков служит приспособление, изготовленное из текстолита. Электродами в нем являются два металлических цилиндра диаметром 25 мм, укрепленные в вертикальном положении. Образец исследуемого материала помещается в горизонтальном положении между двумя цилиндрическими электродами. 23

Перед началом проведения исследования электрической прочности изоляционных материалов необходимо ознакомиться с испытательной установкой и инструкцией по технике безопасности для работающих с высоким напряжением – свыше 1000 В. После этого расписаться в соответствующем специальном журнале. Различные переключения в испытательной камере и включение высоковольтной установки проводятся только с разрешением преподавателя и в его присутствии. При нахождении кого бы то ни было в камере дверь её должна быть открыта!

SF1

SF2

S

F

TV1

PV

TV2

F

Рис. 5 Принципиальная схема испытательной установки АИИ-70: SF1, SF2 –автоматические выключатели; S3 – выключатель дверной блокировки; S – защитный выключатель (разъем); HL1, HL2– сигнальные лампы; PV – вольтметр; TV1 – регулятор напряжения; TV2 – высоковольтный трансформатор; R3 – защитный резистор; ИО – испытуемый объект; F - предохранитель 5. Порядок проведения испытаний 5.1.Изучение явлений пробоя воздуха в различных условиях 1. К шинам высоковольтного однофазного трансформатора установки подключить разрядник со сферами (шар-шар) и установить расстояние между ними, указанное преподавателем (5, 10, 15, 20 мм). Затем выйти из помещения камеры, плотно закрыть за собой дверь для замыкания блокировочного контакта. 2. Рукоятку «защита» на пульте АИИ-70 установить в положение «чувствительная», вставить колодку в вилку «сеть» на пульте. Рукоятка регулятора напряжения установки должна быть в крайнем левом положении. 24

3. После этого надо включить автоматы, расположенные на стене слева от камеры: сначала А 1 , затем А 2 и А 3 . При этом должна загореться зеленая лампочка на пульте и лампочка «Стой! Высокое напряжение» на световом табло испытательной камеры. Теперь можно нажимать кнопку «Вкл.» на пульте и после этого на нем должна загореться красная лампочка. 4. Плавно вращая рукоятку регулятора напряжения по часовой стрелке, повысить напряжение до пробоя воздуха между сферами; при этом должен сработать автомат на пульте. Отсчет напряжения вести по верхней шкале киловольтметра, встроенного на пульте (это более чувствительная шкала – U эффективное). Записать показания и сразу же поставить рукоятку регулятора напряжения (путем вращения против часовой стрелки) в крайнее левое положение. При одном и том же промежутке между сферами произвести пробой 3 раза и записать среднее значение в таблицу по форме 5. 5. После окончания испытания прочности данного промежутка между сферами выключить автоматы А 2 и А 3 , открыть дверь камеры, взять заземляющую штангу и коснуться её металлическим концом высоковольтного электрода разрядника, чтобы снять остаточное напряжение. Затем повесить штангу на место. После этого поставить следующее расстояние между сферами (указанное преподавателем) и все повторить в той же последовательности, что и в предыдущих пунктах испытания. Данные испытаний занести в таблицу. Расстояние менять несколько раз (4-5), чтобы можно было по средним показателям вольтметра построить зависимость E np =f(h), где h – расстояние между сферами. 6. После этого заменить одну из сфер заостренным электродом, т.е. создать неоднородное электрическое поле для воздуха, и при тех же промежутках между электродами снова провести испытания на электрическую прочность воздуха. Следует провести наблюдение явления, предшествующего пробою, – легкого потрескивания, коронного свечения около острия, переходящего в проводящий светящийся канал. Такие явления характерны для неоднородного электрического поля. 7. Возникновение видов разрядов можно проследить на пластине стекла, помещенного между вертикальными электродами второго разрядника. При плавном увеличении напряжения у кромки электродов появляется коронный разряд в местах скопления загрязнений или влаги. При дальнейшем увеличении напряжения возникает скользящий разряд, постепенно переходящий в дуговой, при этом происходит короткое замыкание между электродами по поверхности стеклянной пластины. Стекло является однородным диэлектриком, и его электрическая прочность во много раз превышает электрическую прочность воздуха. Поэтому пробой происходит в окружающей среде – воздухе вдоль поверхности стекла. После этого испытания следует записать величину напряжения, при котором возник коронный разряд и, наконец, дуговой разряд (табл. 5а). 8. Исследование барьерного эффекта. 25

В промежуток между электродами шар-шар (сферы) и затем шар-игла (шарострие) при расстоянии ~10 мм между ними поставить барьер из легкого картона и проследить его влияние на прочность соответствующих воздушных промежутков. Данные записать в отчет и объяснить полученный результат, т.е. влияние барьера на электрическую прочность газовой изоляции. В табл.5 записываются средние арифметические значения пробивного напряжения для каждого промежутка в однородном и неоднородном полях. Формулы для определения прочности диэлектриков

Emax =

U max = 2U эфф ;

U max . h

где U max - показание вольтметра по нижней шкале, кВ; U эфф - показание вольтметра по верхней шкале, кВ. Для приведения напряжения пробоя, полученного при данных условиях ( U пр .ср ), к нормальным условиям, его нужно разделить на относительную плотность воздуха δ:

U пр .н =

U пр .ср

δ

.

Плотность воздуха определяется по формуле

δ =

0 ,386 Р , 273 + t

где Р- давление воздуха, мм. рт. ст.; t – температура, ºС. Перед выполнением работы надо записать атмосферное давление и температуру.

26

Таблица5. Пробивные напряжения Переменное напряжение

h,

Шар-шар Однородное поле

мм

Шар-игла Неоднородное поле

U пр.эфф ,

U пр. max ,

Enp. max ,

U пр.эфф ,

U пр. max ,

Enp. max ,

кВ

кВ

кВ/мм

кВ

кВ

кВ/мм

Примечания

5 10 15 20

Таблица 5а. Напряжение появления разряда Uэфф, кВ Umax, кВ -

Вид разряда Коронный Скользящий Дуговой

5.2. Исследование электрической прочности жидких изоляционных материалов В качестве жидкого изоляционного материала испытывается трансформаторное масло (не очень хорошей очистки). Разрядник, наполненный маслом, подключить к испытательной установке с помощью специальных зажимов. Затем выйти из камеры, закрыть за собой дверь. Включить автоматы А 2 , А 3 и автомат на пульте установки АИИ-70. Плавно повышая напряжение на установке с помощью рукоятки, внимательно наблюдать за поведением масла в разрядке. Заметить начало кипения, образование газовых пузырьков и вспышку, означающую пробой масла. После пробоя сделать выдержку в течение ~5 минут и снова пробить масло. Третий пробой произвести без выдержки, и заметить величину напряжения. Четвертый, пятый, шестой пробои производить после пятиминутной выдержки. Данные занести в табл. 5. Вычислить среднее значение U np без учета третьего пробоя и определить E max .np. с учетом расстояния между электродами в масле, равного 2,5 мм, по формулам

U пр. max .cp. = 2

(U пр.1 + U пр.2 + U пр.3 + U пр.4 + U пр.5 + U пр.6 ) 6 E пр . max =

27

U пр .cp. max h

.

;

Таблица 6. Пробивные напряжения масла h, мм

U пр.1 ,

U пр.2 ,

U пр.3 ,

U пр.4 ,

U пр.5 ,

U пр. ,

U пр.cp.эф. ,

U пр.cp. max ,

E max ,

кВ

кВ

кВ

кВ

кВ

кВ

кВ

кВ

кВ/мм

Из полученных результатов сделать вывод. Объяснить причину многократного пробоя масла в целях определения его реальной электрической прочности. 5.3. Исследование электрической прочности твердой изоляции Влияние толщины твердого диэлектрика на его электрическую прочность. Образец тонкого полиэтилена поместить между вертикальными цилиндрическими электродами и определить его прочность, плавно повышая приложенное к нему напряжение. После этого определить электрическую прочность образца полиэтилена большей толщины. Сравнить эти показания и сделать вывод. Взять несколько слоев тонкого полиэтилена и исследовать прочность одного, двух, трех слоев. Построить зависимость прочности этого диэлектрика от числа слоев. Сделать выводы. Такие же исследования провести со слоями бумажно-масляной изоляции (конденсаторной бумаги). Такие же исследования провести со слоями лакоткани или другими твердыми пропитанными и непропитанными диэлектриками, предложенными преподавателем. Все данные испытаний занести в табл. 7, построить графики E max в функции числа слоев, общей толщины и сделать выводы. Исследовать место и характер пробоя слоев, пропитанных и непропитанных твердых диэлектриков Таблица 7. Пробивные напряжения твердых диэлектриков Название материала и колич. слоев, n

Метод испытания (плавное повышение напряжения или выдержка)

Толщина одного слоя d, м

Общая толщина слоев h, м

28

U пр .эфф , U пр . max ,

Enp. max , Место

кВ

кВ/мм

кВ

характеристика пробоя

и

Расчетные формулы

h=nd;

U пр. max = U пр.эфф 2 ;

Eпр. max =

U пр. max h

.

6. Содержание отчета 1. Цель и краткое содержание работы. 2. Электрическая схема испытательной установки. 3. Результаты определения прочности воздушной изоляции в однородном и неоднородном электрических полях при разных расстояниях между электродами. 4. Графики E np. max = f (h) , построенные для воздушной изоляции в однородном и неоднородном полях. 5. Результаты испытаний жидкого диэлектрика. 6. Результаты испытаний твердых диэлектриков одно- и многослойных, пропитанных и непропитанных. 7. Графики E np. max = f (h) , для различных твердых диэлектриков. 8. Результаты исследования барьерного эффекта. 9. Исследование различного вида разрядов по поверхности твердого диэлектрика. 10. Краткие выводы.

29

РАБОТА №2 Защита подстанций от набегающих волн перенапряжения 1.Цель работы Выработка мероприятий для защиты оборудования подстанций заданного класса напряжения от набегающих по линии волн перенапряжения заданных параметров. 2. Содержание работы 1. Составление расчетной схемы. 2. Определение мероприятий для защиты оборудования подстанций от набегающих по линии волн перенапряжений. 3. Определение зависимости перенапряжений на силовом трансформаторе от расстояния между ним и защитным аппаратом при заданных параметрах набегающей волны перенапряжения. 4. Определение зависимости перенапряжений на силовом трансформаторе от длительности фронта набегающей волны. 5. Составление отчета. 3. Пояснения к работе Основной причиной возникновения опасных перенапряжений на оборудовании подстанции являются коммутационные перенапряжения и удары молний в провода линии электропередач, в опоры и грозозащитные тросы. Эти перенапряжения приводят к проявлению набегающих на подстанцию по линии волн. Наиболее неблагоприятным является тупиковый режим, когда на подстанцию приходит только одна линия электропередачи и в работе находится только один силовой трансформатор. Расчет перенапряжений на оборудовании начинается с составления эквивалентной схемы, которая учитывает принципиальную схему и план подстанции. В эквивалентной схеме все оборудование заменяется соответствующими входными емкостями. Полученная таким образом схема замещения оказывается сложной даже для компьютерных расчетов, и поэтому на практике используют упрощенную эквивалентную расчетную схему, показанную на рис.6.

30

В этой схеме узловыми точками являются: 1 – линейный разъединитель, 2 – разветвление по ходу волны к трансформатору и защитному аппарату, 3 – силовой трансформатор и 4 – защитный аппарат. Форму набегающей волны также упрощают. Фронт волны принимают косоугольным до достижения максимального значения, которое в пределах расчетного времени не меняется.

31

4. Порядок выполнения работы 1. Ввести параметры оборудования, соответствующие заданному классу напряжения подстанции, и волны перенапряжения, соответствующей электрической прочности гирлянды изоляторов воздушной линии. Класс напряжения задается преподавателем. 2. Ввести параметры защитного разрядника типа РВС для заданного класса напряжения. 3. Провести расчет. 4. Проверить, пересекает ли полученная в результате расчета кривая напряжения на защищаемой подстанции вольт-секундную характеристику какого-либо из защищаемых аппаратов. При положительном ответе выполнить п.5. 5. Ввести параметры защитного разрядника типа РВМГ для заданного класса напряжения. Провести расчет и проверить, пересекает ли полученная в результате расчета кривая напряжения на защищаемой подстанции вольтсекундную характеристику какого-либо из защищаемых аппаратов. При положительном ответе выполнить п.6. 6. Ввести параметры защитного разрядника типа ОПН для заданного класса напряжения. Провести расчет и проверить, пересекает ли полученная в результате кривая напряжения на защищаемой подстанции вольт-секундную характеристику какого-либо из защищаемых аппаратов. 7. Для выбранного типа разрядника определить зависимость перенапряжений на защитном аппарате от расстояния между ним и защитным разрядником для четырех значений расстояния (10,15,30,45 м) при длительности фронта падающей волны 1 мкс. Полученные результаты ввести в таблицу 14. 8. Для расстояния L=15 м определить зависимость перенапряжений для 4-х значений (0.5, 1.0, 1.5, 2.0) мкс, табл. 15. 5. Определение мероприятий для защиты оборудования подстанции от набегающих по линии волн напряжения заданных параметров Определение мероприятий по защите оборудования подстанции от набегающих по линии волн осуществляется с помощью программы sapod4.exe. Программа размещена в директории \LAB. Перед ее запуском для обеспечения возможности вывода графики на принтер необходимо запустить программу graphics.com. После запуска, нажатия любой клавиши и далее клавиши “Enter”, появляется окно (см. рис.6). В верхнем левом углу приведена расчетная схема, вверху справа от нее – параметры, под ними – подсказка их соответствия схеме и внизу слева – табло ввода новых параметров. Внизу в центре окна – клавиши: “F1” – помощь, “F2” – дальше и “F10” – меню. Нажатие клавиши “F1” поверх существующего на экране окна выводит дополнительное окно (рис. 7.) с подсказкой, как можно изменить существующие в памяти машины параметры.

32

В программе sapod4.exe заведены параметры для подстанции класса напряжения 330 кВ. В данной лабораторной работе необходимо выработать мероприятия для защиты оборудования подстанций по указанию преподавателя для одного из классов напряжения: 110, 220, 330 или 500 кВ. Поэтому необходимо будет, указанным на рис.7 способом, заменить параметры схемы на рис.6 согласно табл.8. Отказ от замены выбранного параметра может быть осуществлен нажатием клавиши “Esc”.

Таблица 8. Усредненные параметры расчетной схемы U, кВ l1,2, м l2,3,м l2,4,м Z1,2, Ом Z2,3,Ом Z2,4, Ом Zл, Ом С1, пФ С2, пФ С3, пФ 110

25

30

10

400

400

400

400

250

500

800

220

40

30

10

300

300

300

380

300

600

2000

330

60

40

15

320

320

320

310

400

700

3000

500

80

50

20

270

270

270

290

500

800

4200

После ввода данных следует нажать клавишу «F2». При этом появляется окно (рис.8) для изменения параметров вольт-амперной характеристики защитного аппарата. Согласно рис. 7 и таблице 9 заменяем параметры ВАХ разрядника (защитного аппарата) и нажимаем клавишу «F2»

33

Таблица 9. Параметры ВАХ защитных аппаратов U, кВ

l1, кА

U1, кВ

110 220 330 500

1 1 -

250 450 -

110 220 330 500

1 1 1 1

224 350 500 750

110 220 330 500

3 3 3 3

230 430 620 825

l2, кА U2, кВ Разрядник РВС 3 320 3 600 Разрядник РВМГ 3 270 3 460 3 650 3 950 ОПН 5 250 5 460 5 650 5 860

l3, кА

U3, кВ

10 (5) 10 (5) -

370 (330) 730 (679) -

Uпр, кВ 285 530 -

10 10 10 10

313 590 770 1080

265 400 600 1130

10 10 10 10

280 500 700 920

0,1 0,1 0,1 0,1

Примечание. В ОПН пробивных напряжений нет, так как нет искровых промежутков. Пробивное напряжение 0,1 кВ необходимо ввести только потому, что иначе не работает программа.

Появляется окно замены параметров вольт-секундных характеристик силовых трансформаторов (рис. 9.). Для изменения параметров ВСХ силовых трансформаторов используется табл. 10.

34

Таблица 10. Параметры ВСХ силовых трансформаторов U, кв

t1, мкс

t2, мкс

t3, мкс

U1, кВ

U2, кВ

U3, кВ

110

1,5

3

10

165

550

382

220

1,5

2

8

300

1000

750

330

1,5

2

8

400

1210

960

500

1,5

2

8

600

1650

1360

Следующее нажатие клавиши “F2” приводит к появлению окна замены параметров вольт-секундных характеристик электрических аппаратов (рис. 10). Эти замены можно произвести по справочным данным, приведенным в табл. 11.

35

Таблица 11 .Параметры ВСХ электрических аппаратов U, кв

t1, мкс

U1, кВ

t2, мкс

U2, кВ

110

2

570

8

460

220

2

1130

8

900

330

2

1350

8

1100

500

2

1800

8

1500

Следующее нажатие клавиши “F2” вызывает аналогичное вышеприведенным окно ВСХ линейной изоляции для ввода новых данных вольт-секундной характеристики линейной изоляции. Вольт-секундная характеристика линейной изоляции описана формулой Горева-Машкиллейсона U = A 1+

B t

где В=1,562, а А – в зависимости от класса напряжения (табл. 12).

36

Таблица 12.Значение коэффициента А Класс напряжения, кВ Число изоляторов в гирлянде Коэффициент А

110

220

330

500

7

14

18

22

722

1445

1858

2270

Очередное нажатие клавиши “F2” выводит последнее окно ввода новых данных «Внешнее воздействие». Внешнее воздействие характеризуется максимальным значением импульса напряжения Um и длительностью фронта импульса равной 1,2 мкс, а максимальное значение напряжения равным импульсной прочности гирлянды изоляторов согласно табл. 13.

Таблица 13. Минимальная импульсная прочность гирлянд Класс

110

220

330

500

830

1400

1850

2350

напряжения, кВ U0,5 кВ

Если потребуется, то в этом же окне можно изменить время окончания расчета tk и шаг по времени dt. Нажатие клавиши “F2” выводит результаты расчета (рис. 11). Все данные по которым был произведен расчет, и результат расчета (защищено или не защищено оборудование) записываются для составления отчета.

37

Как видно из этого рисунка, кривые перенапряжений на трансформаторе и аппарате пересекают соответствующие кривые вольт-секундных характеристик. Это означает, что в реальных условиях изоляция этого оборудования при таких воздействиях будет пробита. Для устранения повреждения изоляции рекомендуется заменить сначала разрядник (вместо РВС поставить РВМГ, а после него, если надо будет, – ОПН), если этого недостаточно, то следует уменьшать расстояния l2.3, l2.4 (см. рис. 6) и длительность фронта воздействующего напряжения. Для изменения указанных параметров следует нажать клавише “F10”, после чего поверх существующего окна появляется дополнительное окно (рис. 12). Клавишами “↑” и “↓” подводим курсор-стрелку на исходные данные и нажимаем “Enter”. Поверх существующего окна появляется дополнительное окно «Исходные данные» (рис. 13), а окно (см. рис. 12) стирается. Аналогичным образом подводим курсор-стрелку на ВАХ разрядника, нажимаем клавишу “Enter” и попадаем в окно ВАХ разрядника (см. рис. 8). Известным способом вводим новые данные следующего разрядника (см. табл. 9), нажимаем клавишу “F10”, попадаем в окно (см. рис. 12), выбираем пункт «Расчет», нажимаем клавишу “Enter” и получаем окно (см. рис. 11) с новыми результатами расчета. Для отчета записываем введенные изменения и констатацию защищено или нет оборудование. Если расчет покажет, что изоляция будет пробита, то вместо РВМГ ставим ОПН и повторяем расчет. Если и при этом защитном аппарате не будет защищено оборудование от опасных перенапряжений, то необходимо уменьшить расстояния l2.3, l2.4 (см. рис. 6) или увеличивать длительность фронта воздействующего импульса напряжения с проведением расчета после каждого 38

проведенного изменения до тех пор, пока кривые перенапряжений на оборудовании подстанции не станут ниже соответствующих кривых вольтсекундных характеристик. Окно (см. рис. 11) с результатами расчета, при которых оборудование защищается, рекомендуется вывести на принтер, нажав “Shift + Print Screen”.

6. Определение зависимости перенапряжений на силовом трансформаторе от расстояния между ним и защитным аппаратом при заданных параметрах набегающей волны напряжения Исходными данными для выполнения этого пункта программы являются данные, полученные в п. 5. параграфа 4. Согласно рис. 6 расстояние между защитным аппаратом и трансформатором равно сумме расстояний l2.3 и l2.4. Первая точка для определения этой зависимости может быть взята из последнего расчета параграфа 5, когда изоляция трансформатора защищена. Для этого записывается суммарное расстояние между трансформатором и защитным аппаратом и нажимается клавиша “F2”. Табл. 14 Длина линии Максимальное напряжение Напряжение и момент времени, соответствующие пересечению кривых ВСХ изоляции и волны перенапряжения

L, м Umax

10 -

15 -

30 -

45 -

t

-

-

-

-

Появляется детализированное окно результатов расчета (рис. 14), в котором в большем масштабе показана верхняя половина (см. рис. 11). Внизу под графиками приведены наибольшие значения перенапряжений на 39

трансформаторе, которые соответствуют вышеприведенному расстоянию. Используя окна (см. рис. 12 и 13), проводим расчеты для семи-восьми расстояний между трансформатором и защитным аппаратом. Полученные значения Umax и соответственные им расстояния записываются для оформления отчета (табл. 14).

7. Определение зависимости перенапряжений на силовом трансформаторе от длительности фронта набегающей волны Для определения зависимости перенапряжений на силовом трансформаторе от длительности фронта набегающей по линии волны рекомендуется установить все параметры, которые были получены в параграфе 5 при обеспечении защиты изоляции от электрического пробоя. Для этого, используя окна (см. рис. 12 и 13), необходимо провести от четырех до шести расчетов при изменении длительности фронта воздействующей волны в пределах от 1.2 до 5 мкс. (табл. 15). Значения длительности фронта и Umax на трансформаторе записываются в табл. 15 для построения в отчете зависимости Umax= f(tф).

40

Табл. 15 Длительность фронта Максимальное напряжение Напряжение и момент времени, соответствующие перечислению кривых ВСХ изоляции и волны перенапряжения

t, мкс

0,5

1,0

1,5

2,0

Umax

-

-

-

-

t

-

-

-

-

Эти результаты могут быть использованы при расчете длины защитного подхода, в пределах которого с высоким уровнем надежности исключается прямое попадание молнии в провода подходящей к подстанции линии. 8. Содержание отчета Отчет должен содержать: а) расчетную схему, параметры оборудования и результаты расчета (см. рис. 11) для случая, когда изоляция оборудования полностью защищена от повреждения; б) график зависимости максимальных перенапряжений на силовом трансформаторе от расстояния между ним и защитным аппаратом (см. табл. 14); в) график зависимости максимальных перенапряжений на силовом трансформаторе от длительности фронта набегающей волны (см. табл. 15); г) выводы по работе.

41

Литература Перенапряжения в энергетических установках высокого напряжения: Учебное пособие. – СПб.:СПбГТУ, 1999. – с. 13-21. Содержание Предисловие……………………………………………………………………..стр 3 1. Содержание дисциплины……….……………………………………………стр 3 2. Библиографический список…………………………………………….……стр 7 3. Задание на контрольную работу…………………………………………….стр 8 4. Методические указания к выполнению контрольной работы…………...стр 11 5. Методические указания к выполнению лабораторных работ……….…..стр 15 Работа 1………………………………………………………………….…..стр 17 Работа 2………………………………………………………………….…..стр 25

42