Басманов В.Г. Изоляция и перенапряжение

Подождите немного. Документ загружается.

В.Г Басманов

Изоляция и перенапряжение

Учебное пособие

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

ВЯТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра электроснабжения

В.Г. Басманов

ИЗОЛЯЦИЯ И ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЕ

Рекомендовано Ученым советом ВятГУ

в качестве учебного пособия

Киров 2005

Печатает по решению редакционно-издательского совета

Вятского государственного университета

УДК 621.311.015.38(07)

Б274

Рецензент:

доктор технических наук, профессор кафедры электроснабжения МЭИ (ТУ) С.И. Гамазин

Басманов В.Г. Изоляция и перенапряжение: Учебное пособие. – Киров: Изд-во ВятГУ, 2005. –

152с.

Учебное пособие предназначено для студентов заочного отделения, обучающихся по

специальности 100400 «Электроснабжение». Рекомендуется при изучении дисциплины «Изо-

ляция и перенапряжение».

В пособии рассмотрены вопросы, связанные с изучением дисциплин «Изоляция и пере-

напряжение». Для студентов заочного отделения приведены задания к контрольной работе и

методические указания по их выполнению.

Редактор Е.Г. Козвонина

Подписано в печать Усл.печ.л.

Бумага офсетная Печать копир Aficio 1022

Заказ № Тираж 32 Бесплатно

Текст напечатан с оригинала-макета, представленного автором

_________________________________________________________________________

610000, г. Киров, ул. Московская, 36.

Оформление обложки, изготовление – ПРИП ВятГУ

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение..........................................................................................................................6

Глава 1. Общая характеристика внешней изоляции электроустановок. Основные

виды электрического разряда в газах ...........................................................................9

Глава 2. Физические процессы при ионизации в газе ............................................. 11

§2.1. Возбуждение и ионизация атомов и молекул. Лавина электронов.

Несамостоятельный и самостоятельный разряды. Плазма ................................. 11

§2.2. Переход от лавинной формы самостоятельного разряда к искровому

разряду в малых искровых промежутках с равномерным полем. Образование

стримеров ................................................................................................................. 15

§2.3. Самостоятельный разряд в неравномерном поле. Лавинная корона....... 16

§2.4. Стримерная корона......................................................................................... 18

§2.5. Переход стримера в искровой разряд в промежутках с неравномерным

полем......................................................................................................................... 20

§2.6. Переход стримера в искровой разряд в длинных воздушных промежутках.

Лидерная стадия разряда ........................................................................................ 20

§2.7. Главный разряд в длинных промежутках.................................................... 21

§2.8. Искра................................................................................................................ 22

§2.9. Длинная дуга в воздухе.................................................................................. 22

§2.10. Последовательность стадий газового разряда........................................... 23

Глава 3. Коронный разряд на линиях электропередач. Корона на проводах при

постоянном напряжении. Корона на проводах при переменном напряжении.

Потери на корону. Методы уменьшения потерь на корону.................................... 24

§3.1. Коронный разряд на линиях электропередач.............................................. 24

§3.2. Корона на проводах при постоянном напряжении..................................... 26

§3.3. Корона на проводах при переменном напряжении .................................... 28

Раздел 2. Разряды в жидких и твердых диэлектриках. Электрические

характеристики внутренней изоляции электроустановок....................................... 32

Глава 1. Основные особенности изоляционных жидкостей. Механизм пробоя

жидких диэлектриков.................................................................................................. 32

§1.1. Основные особенности минерального масла как диэлектрика ................. 32

§1.2. Синтетические изоляционные жидкости. Чистые углеводороды............. 34

§1.3. Подготовка изоляционных жидкостей......................................................... 36

§1.4. Механизм пробоя в жидких диэлектриках .................................................. 37

Глава 2. Маслобарьерная изоляция. Примеры применения маслобарьерной

изоляции: силовые трансформаторы, вводы ............................................................ 39

Глава 3. Твердая изоляция. Тепловой, электрический и ионизационный пробой

твердой изоляции ........................................................................................................ 43

§3.1. Твердая изоляция............................................................................................ 43

Таблица 2.1........................................................................................................... 44

§3.2. Виды твердых изоляционных материалов................................................... 44

3.2.1. Керамические изоляционные материалы................................................ 44

3.2.2. Стекла ......................................................................................................... 45

3.2.3. Слюда.......................................................................................................... 45

3.2.4. Высокомолекулярные полимерные изоляционные материалы............ 46

3.2.5. Эластомеры ................................................................................................ 47

§3.3. Тепловой, электрический и ионизационный пробой твердой изоляции.. 48

3.3.1. Тепловое старение твердой изоляции ..................................................... 48

3.3.2. Тепловой пробой твердой изоляции ....................................................... 50

3.3.3. Электрический пробой твердой изоляции.............................................. 51

3.3.4. Ионизационный пробой твердой изоляции............................................ 53

Раздел 3. Испытательные установки и измерения высоких напряжений............. 57

Глава 1. Испытательные установки высокого напряжения .................................... 57

§1.1. Испытательные трансформаторы ................................................................. 57

§1.2. Генераторы импульсных напряжений и токов............................................ 58

1.2.1. Генераторы импульсных напряжений .................................................... 59

1.2.2. Генераторы импульсных токов................................................................ 61

Глава 2. Измерения на высоком напряжении. Электростатические

киловольтметры. Измерение максимальных значений напряжения с помощью

шаровых разрядников. Измерение напряжения с помощью делителей ............... 63

§2.1. Электростатические вольтметры.................................................................. 63

§2.2. Измерительные разрядники .......................................................................... 64

§2.3. Делители для измерений высоких постоянных, переменных и импульсных

напряжений .............................................................................................................. 65

Раздел 4. Линейная и станционная изоляция. .......................................................... 68

Профилактика изоляции установок высокого напряжения .................................... 68

Глава 1. Изоляторы высокого напряжения. Линейные изоляторы, станционно-

аппаратные изоляторы ................................................................................................ 68

§1.1. Изоляторы высокого напряжения................................................................. 68

§1.2. Линейные изоляторы ..................................................................................... 70

§1.3. Станционно-аппаратные изоляторы............................................................. 73

Глава 2. Изоляция силовых электроустановок напряжением выше 1000 В ......... 76

§2.1.Общие положения ........................................................................................... 76

§2.2. Изоляция вращающихся электрических машин ......................................... 77

§2.3. Изоляция силовых трансформаторов........................................................... 79

§2.4. Изоляция кабелей ........................................................................................... 80

Глава 3. Профилактика изоляции. Основные методы профилактики изоляции.

Профилактика изоляции силовых трансформаторов, линейной изоляции,

вращающихся машин, кабелей................................................................................... 82

§3.1. Профилактика изоляции. Основные методы профилактики изоляции .... 82

3.1.1. Контроль изоляции по tgδ ........................................................................ 83

3.1.2. Методы контроля с использованием явления абсорбции..................... 86

3.1.3. Испытание повышенным напряжением.................................................. 89

3.1.4. Контроль изоляции по распределению напряжения на элементах

конструкции ......................................................................................................... 90

3.1.5. Обнаружение ионизационных процессов в изоляции........................... 91

§3.2. Профилактика изоляции силовых трансформаторов ................................. 92

§3.3. Профилактика линейной изоляции .............................................................. 94

§3.4. Профилактика изоляции вращающихся машин.......................................... 94

§3.5. Профилактика изоляции кабелей.................................................................. 95

Раздел 5. Грозовые перенапряжения и защита от них............................................. 98

Глава 1. Молния как источник грозовых перенапряжений. Параметры молнии.

Воздействие тока молнии ........................................................................................... 98

§1.1. Молния как источник грозовых перенапряжений ...................................... 98

§1.2. Основные параметры молнии ....................................................................... 99

§1.3. Воздействие молнии....................................................................................... 99

Глава 2. Защита от прямых ударов молнии. Зоны защиты стержневых

молниеотводов........................................................................................................... 102

§2.1. Защита от прямых ударов молнии.............................................................. 102

§2.2. Зоны защиты молниеотводов...................................................................... 102

§2.3. Конструктивное выполнение молниеотводов........................................... 106

Глава 3. Защита линии электропередачи от молнии. Применение тросов для

защиты линии электропередачи. Зоны защиты тросов. Трубчатые разрядники и их

применение для защиты линий. Рекомендуемые способы грозозащиты линий 108

§3.1.Защита линии электропередачи от молнии ................................................ 108

§3.2. Применение тросов для защиты линии электропередачи........................ 109

§3.3. Зоны защиты тросовых молниеотводов..................................................... 110

§3.4. Трубчатые разрядники и их применение для защиты линий .................. 111

§3.5. Рекомендуемые способы грозозащиты линий .......................................... 113

Глава 4. Защита оборудования подстанций от набегающих с линии импульсов

грозовых перенапряжений. Вентильный разрядник как основной аппарат защиты

подстанционного оборудования от набегающих импульсов. Нелинейные

ограничители перенапряжений................................................................................ 116

§4.1. Защита оборудования подстанций от набегающих с линии импульсов

грозовых перенапряжений.................................................................................... 116

§4.2. Вентильный разрядник как основной аппарат защиты подстанционного

оборудования от набегающих импульсов........................................................... 121

§4.3. Нелинейные ограничители перенапряжений ............................................ 127

Глава 5. Молниезащита зданий и сооружений. Молниезащита зданий и

сооружений I категории, II категории, III категории............................................. 129

§5.1. Молниезащита зданий и сооружений ........................................................ 129

§5.2. Молниезащита зданий и сооружений I категории, II категории, III

категории................................................................................................................ 133

5.2.1. Молниезащита зданий и сооружений I категории............................... 133

5.2.2. Молниезащита II категории ................................................................... 135

5.2.3. Молниезащита III категории.................................................................. 137

Раздел 6. Задачи и контрольные вопросы............................................................... 139

Вопросы к экзамену .................................................................................................. 151

Библиографический список...................................................................................... 152

Введение

Основной задачей техники высоких напряжений является обеспечение элек-

трической изоляции проводов и элементов аппаратов, находящихся под напряже-

нием. Изоляция является существенной составной частью конструкций устройств

высокого напряжения и обычно помимо изоляционных задач выполняет еще и

другие функции, в частности восприятие или передачу механических сил, отвод

тепла или герметизацию от окружающей среды.

Изоляция электроустановок может быть разделена на внешнюю и внутрен-

нюю изоляцию. К внешней изоляции относятся воздушные промежутки и части

изоляционных конструкций, которые соприкасаются с воздухом. Внутренняя изо-

ляция находится внутри корпуса трансформатора или аппарата, кабельной обо-

лочки и т.д., она состоит из комбинации различных жидких, твердых и газообраз-

ных диэлектриков.

Под влиянием больших напряженностей электрического поля, которые мо-

гут возникать в процессе эксплуатации, возможна частичная или полная потеря

изоляцией ее диэлектрических свойств – пробой изоляции. Характер повреждения

и его последствия различны для внешней и внутренней изоляции.

Основной особенностью внешней (воздушной) изоляции является зависи-

мость ее электрической прочности от атмосферных условий: давления, темпера-

туры и влажности воздуха. На электрическую прочность изоляторов наружной

установки существенно влияют также загрязнения их поверхности и атмосфер-

ные осадки.

Электрическая прочность внутренней изоляции электрооборудования прак-

тически не подвержена влиянию атмосферных условий. Ее особенностью являет-

ся старение, т. е. ухудшение электрических характеристик в процессе эксплуата-

ции. Очень трудно избежать возникновения в изоляции частичных разрядов.

Вследствие изменения температурного режима, вызванного колебаниями тока

нагрузки, в бумажно-масляной изоляции кабеля образуются газовые пузырьки,

в которых возникают частичные разряды. На острых кромках электродов, на кре-

пежных деталях аппаратуры возникает коронный разряд. Под действием этих

разрядов изоляция разрушается, загрязняется продуктами разложения.

Вследствие диэлектрических потерь изоляция нагревается. При затруднен-

ном теплоотводе, что характерно для изоляции большой толщины, чрезмерный

нагрев может привести к тепловому пробою изоляции.

Воздушная (внешняя) изоляция после пробоя полностью самовосстанавли-

вается, если снимается напряжение или гаснет дуга в месте пробоя.

Пробой твердой и комбинированной изоляции - явление необратимое, при-

водящее к выходу из строя электрооборудования. Жидкая и внутренняя газовая

изоляция самовосстанавливается, однако пробои приводят к ухудшению их ха-

рактеристик. Вследствие этого состояние внутренней изоляции контролируется

во время эксплуатации, чтобы выявить развивающиеся в ней дефекты и предот-

вратить аварийный отказ электрооборудования.

Изоляция электрических установок постоянно находится под воздействи-

ем рабочего напряжения. В процессе эксплуатации возможны повышения напря-

жения сверх рабочего - внутренние перенапряжения. Источником их являются

электродвижущие силы генераторов системы, а причиной - нормальные или

аварийные коммутации, сопровождающиеся колебательными процессами или ре-

зонансными явлениями в системе. Помимо внутренних перенапряжений на изо-

ляцию электроустановок могут воздействовать также грозовые перенапряжения,

причиной возникновения которых являются удары молнии в электроустановки.

Воздушные сети вследствие большой протяженности достаточно часто по-

ражаются молнией. При этом на изоляции линий возникают весьма высокие

напряжения, которые изоляция выдержать не может. Происходит пробой воз-

духа вдоль гирлянды изоляторов, переходящий в поддерживаемый источником

рабочего напряжения дуговой разряд. На линиях 3 - 35 кВ эффективным спосо-

бом ликвидации замыканий фаз на землю является компенсация тока в месте

замыкания с помощью дугогасящего реактора, включаемого между нейтральной

точкой источника и землей. Вследствие компенсации тока и прекращения посту-

пления энергии дуга в месте замыкания не может поддерживаться и быстро гас-

нет. В установках напряжением 110 кВ и выше экономически целесообразно при-

менять глухое заземление нейтрали. В этом случае короткие замыкания на линии

ликвидируются с помощью автоматического повторного включения (АПВ). Од-

нако АПВ не всегда оказываются успешными, поэтому существенным мероприя-

тием, значительно сокращающим число аварийных отключений линии, являет-

ся применение грозозащитных тросов. Совместное применение тросов и АПВ

сводит к минимуму аварийные отключения воздушных линий при поражениях

их молнией.

Помимо нарушения изоляции воздушных линий удары молнии приводят к

появлению на проводах импульсов высокого напряжения, которые, распростра-

няясь по проводам, достигают подстанций и воздействуют на установленное

там электрооборудование.

Значения грозовых перенапряжений зависят от интенсивности ударов

молнии и характеристик пораженных объектов и поэтому являются статистиче-

ской величиной. Внутренние перенапряжения зависят от вида коммутации, ре-

жима и характеристик электрической сети и коммутационных аппаратов. Поэто-

му при многократном повторении одной и той же коммутации в системе каждый

раз возникают различные перенапряжения. Таким образом, внутренние перена-

пряжения, как и грозовые, имеют статистический характер.

Ограничение перенапряжений в электрических установках до экономиче-

ски приемлемых значений производится с помощью защитных аппаратов: труб-

чатых и вентильных разрядников, нелинейных ограничителей перенапряжений

(ОПН).

Взаимное согласование значений воздействующих напряжений, характери-

стик защитной аппаратуры и электрических характеристик изоляции, обеспе-

чивающее надежную работу и высокую экономичность электрической установки,

представляет собой главную технико-экономическую задачу проектирования

электроустановки и называется координацией изоляции.

В соответствии с изложенным выше, в пособии рассматриваются электри-

ческие характеристики внешней и внутренней изоляции электроустановок, экс-

плуатация изоляции при рабочем напряжении, грозовые и внутренние перена-

пряжения и их ограничение, координация и методы испытания изоляции, а также

изоляционные конструкции линий электропередачи и основных видов электро-

оборудования.

Раздел 1. Разряд в газах и общие характеристики внешней изоляции

Глава 1. Общая характеристика внешней изоляции электроустановок.

Основные виды электрического разряда в газах

Изоляция электроустановок может быть разделена на внешнюю и внутрен-

нюю изоляцию. К внешней изоляции относятся воздушные промежутки (напри-

мер, между проводами ЛЭП, между проводами и опорой) и части изоляционных

конструкций, которые соприкасаются с воздухом. Внутренняя изоляция находит-

ся внутри корпуса трансформатора или аппарата, кабельной оболочки и т.д., она

состоит из комбинации различных жидких, твердых и газообразных диэлектри-

ков.

Целесообразность использования диэлектрических свойств воздуха в энер-

гетических установках разных классов напряжения объясняется меньшей стоимо-

стью и сравнительной простотой создания изоляции. Для ее выполнения изоли-

руемые электроды (провода, шины и др.) располагаются на определенных рас-

стояниях друг от друга и от земли и закрепляются с помощью изоляционных кон-

струкций из твердых диэлектриков – изоляторов. При этом чисто воздушные про-

межутки и промежутки в воздухе вдоль поверхностей изоляторов образуют внеш-

нюю изоляцию установки.

Для внешней изоляции характерна зависимость электрической прочности от

метеорологических условий, определяющих состояние основного диэлектрика –

воздуха, а также состояние поверхностей изоляторов, т.е. количество и свойства

загрязнений на них. На разрядные напряжения чисто воздушных промежутков и

вдоль изоляторов внутренней установки оказывают влияние давление Р, темпера-

тура Т и абсолютная влажность воздуха Н, а на разрядные напряжения вдоль изо-

ляторов наружной установки – кроме того, вид и интенсивность атмосферных

осадков, количество и состав загрязнений в атмосфере и ветровые условия.

Показатели метеорологических условий непрерывно меняются во времени,

поэтому воздушные изоляционные промежутки выбирают так, чтобы они имели

требуемую электрическую прочность и при таких неблагоприятных условиях.

Внешняя изоляция обладает способностью быстро восстанавливать свою

электрическую прочность до исходного уровня после пробоя и отключения от ис-

точника напряжения.

Основной диэлектрик внешней изоляции – атмосферный воздух не подвер-

жен старению, т.е. независимо от воздействующих на изоляцию напряжений и

режимов работы оборудования его средние характеристики остаются неизменны-

ми во времени.

Электрическая прочность воздуха при нормальных условиях составляет 25 -

30 кВ при расстояниях между электродами более 1 см. Поэтому изоляционные

расстояния по воздуху в установках высокого и сверхвысокого напряжения дос-

тигают нескольких метров. Размеры же электродов (проводов, шин и др.), вы-

бранных по плотности тока, механической прочности и другим условиям, оказы-

ваются сравнительно небольшими, и радиусы кривизны их поверхностей состав-