Калина Р.А. Испытательные электрофизические установки высоких напряжений

Подождите немного. Документ загружается.

Сухоразрядное напряжение

.р.с

- это напряжение промышленной

частоты, при котором происходит разряд по чистой и сухой поверхности

изолятора. Мокроразрядное напряжение

.р.м

- это напряжение

промышленной частоты, при котором происходит разряд по поверхности под

стандартным искусственным дождем определенной интенсивности и

структуры.

ГОСТом регламентируются следующие характеристики изоляторов,

проверяемые при испытаниях: выдерживаемое и разрядное напряжения в сухом

состоянии

.р.с

и под дождем

.р.м

, импульсное разрядное напряжение

%50

напряжение пробоя в масле

проб

. Важной характеристикой является также

напряжение начала короны

.к.н

– напряжение, при котором уровень

радиопомех от короны на электродах изоляторов не превышает допустимый.

Изоляция всех типов электрооборудования, подверженного воздействию

грозовых перенапряжений, должна испытываться нормированными грозовыми

импульсами высокого напряжения. ГОСТом регламентируются полный

испытательный импульс с фронтом и длительностью

мкс502,1ττ

вф



срезанный импульс с временем среза

мкс2τ

срез



(рис. 1).

Импульсным разрядным напряжением

%50

называется амплитуда

стандартного грозового импульса, при котором происходит перекрытие

изолятора по чистой и сухой поверхности с вероятностью 0,5.

0,3

0,9

1,0

0,5

срез

срезанный импульс

полный импульс

Рис.1. Форма испытательного импульса

При работе изоляторов в гирлянде неравномерность загрузки их по

напряжению может привести к появлению короны у электродов крайних

изоляторов и способствует образованию радиопомех. Коронный разряд

приводит также к ускоренному старению изоляции и коррозии арматуры. При

рабочем напряжении необходимо соблюдать условие

.к.низ

UU <

, где

.к.н

–

экспериментально определенная для различных типов изоляторов нормируемая

величина напряжения допустимых радиопомех

 

кВ50...28

.к.н

U

из

напряжение на единичном изоляторе.

При плавном повышении напряжения свыше

.к.н

разряд по сухой

поверхности переходит в стримерную форму. Перекрытие происходит при

пересечении одним из стримеров всей поверхности изолятора.

При увлажненной поверхности изоляторов процесс развития разряда

протекает иначе. Ток, протекающий при приложении напряжения по

проводящему слою, подогревает влагу, что обеспечивает местную подсушку

поверхности и образование в этих местах частичных дужек между влажными

проводящими участками. Повышение напряжения приводит к растягиванию

дужек и к перекрытию по поверхности. Такой механизм разряда способствует

снижению разрядного напряжения при длительном воздействии. Импульсное

же разрядное напряжение не зависит от состояния поверхности.

Для получения испытательных импульсов высокого напряжения

используют генераторы импульсных напряжений, собранные по схеме

Аркадьева – Маркса. Принцип работы ГИН можно пояснить по схеме,

представленной на рис.2

5 9

2 8



1 3

Рис.2. Схема, поясняющая принцип действия ГИН

Первая стадия работы ГИН – длительная зарядка параллельно

соединенных емкостей

от источника выпрямленного напряжения

через

защитное

)(

и зарядное

)(

сопротивления, после которой потенциалы

точек 1, 3, 5, 7, 9 схемы равны

, а четных точек – нулю.

На второй стадии происходят практически мгновенная коммутация

заряженных емкостей в последовательную цепь при срабатывании секционных

шаровых разрядников и соответственно разряд ГИН на нагрузку. Первым

срабатывает (или поджигается принудительно) разрядник на первой ступени.

Емкость

разряжается по контуру «земля» - 1 – 0 – 2 и точка 2 приобретает

потенциал

 

U

. Потенциал точки 3 сохраняет значение

U

, а разность

потенциалов между точками 2 и 3 становится равной

. Пробивается второй

промежуток, и потенциал точки 3 принимает значение

U

. Снижение

потенциала точки 3 от

U

до

U

на

приводит к аналогичному

понижению потенциала точки 4 до значения

2U

, при этом разность

потенциалов на третьем промежутке достигает величины

и т.д. В итоге, на

выходе ГИН (точка 9) после последовательного срабатывания n ступеней будет

потенциал

, который и определяет номинальное напряжение ГИН.

ГИН может функционировать в режиме автоматического срабатывания

разрядников ступеней, когда момент коммутации определяется моментом

достижения разности потенциалов между точками 1 и 2 пробивного

напряжения разрядника. При этом потенциал точки 9 ГИН

UnUU



<

, что

связано с ограниченным временем зарядки ГИН и разными постоянными

времени заряда емкостей С

ступеней, возрастающими с увеличением номера

ступени. Недоиспользование емкостей ГИН по напряжению в автоматическом

режиме работы характеризуется коэффициентом использования зарядной

схемы:

1η

зар

<



. (1)

В режиме работы ГИН с полной зарядкой ступеней

1η

зар



. Обычно

многоступенчатые ГИН выполняются с принудительным поджигом

разрядников 1-й ступени, при этом время зарядки может быть достаточно

велико, и

1η

зар



Необходимым условием уверенной коммутации ГИН является точная

настройка промежутков секционных разрядников. Применяются также

управляемые разрядники, например многозазорные, во всех ступенях ГИН либо

в первых ступенях, что существенно повышает диапазон возможного

регулирования амплитуды импульса ГИН.

Для формирования фронта импульса и его спадающей части применяют

формирующие элементы схемы: фронтовое сопротивление

, разрядное

сопротивление

, разрядную емкость

, в состав которой входят как

специальный подстроечный конденсатор, так и емкости объекта испытания,

ошиновки, делителя напряжения, измерительных шаров и т.д.

R



а)

б)

Рис.3. Схема замещения ГИН и принцип формирования волны

Эквивалентная схема замещения разрядного контура ГИН показана на

рис.3. Разряд ГИН аналогичен разряду эквивалентной емкости

nCC



(емкость в ударе ГИН), заряженной до напряжения







nUUU

, на

формирующую цепь

. Напряжение на выходе ГИН определяется

при этом как

















сх02

)(

eenUtU

, (2)

где

р1

сх









- коэффициент схемы ГИН, который характеризует

недоиспользование схемы по напряжению ввиду падения напряжения на

продольном сопротивлении

фд1

RRR 



и затраты части энергии ГИН на

подзарядку емкости

. Постоянные времени Т

и Т

определяют фактически

фронт и длительность импульса и вычисляются как





















р1

рр11

;)(

СС

RCCT

(3)

Амплитуда импульса достигается в момент времени







составляет

всх0сх0m

ηηη



















nUeenUU

. (4)

Параметр





- называется коэффициентом волны и зависит

только от соотношения фронта и длительности импульса.

Таким образом, фронт определяется постоянной времени подзарядки

емкости

в контуре 2 рис.3, а длительность импульса – постоянной времени

разряда емкости ГИН и

на сопротивление

При формировании стандартных испытательных импульсов обычно

соблюдается условие

TT >>

. При этом справедливы следующие упрощенные

соотношения, которые можно использовать для оценки фронта и длительности

грозового импульса:

7,0;25,3 TT

вф



. (5)

Амплитуда импульса может быть определена как

разрзар0всхзар0

ηηηηη 



nUnUU

, (6)

где

всхразр

ηηη 

- коэффициент использования разрядной схемы ГИН.

При более точном описании формы волны ГИН требуется учет

паразитных параметров: эквивалентной емкости элементов конструкции

генератора на землю (С

) и индуктивности разрядного контура (L

). Наличие L

может привести к колебательным явлениям в начальной части импульса.

Колебаний в разрядном контуре не возникает, если обеспечивается условие

апериодичности разряда

р1

р1п

)(

CCL







. (7)

Дополнительное демпфирование колебаний в основном разрядном контуре, а

также в разрядных контурах ступеней, включающих паразитные емкости ГИН

на землю и паразитные индуктивности соединительных проводников на

ступенях, производится введением дополнительных демпферных

сопротивлений R

(рис.2).

Неучет паразитных емкостей ГИН на землю С

при расчетах разрядной

схемы ГИН может привести к завышенным оценкам ожидаемой амплитуды

импульса.

В лабораторной работе ГИН собран на базе 7 конденсаторов в

металлическом корпусе (U

= 20 кВ, С

= 0,5 мкФ, рис.4).

Питание подается от источника выпрямленного напряжения

(трансформатор ЗНОМ – 100/10000 со схемой удвоения напряжения, в которой

– сопротивление для защиты диодов Д

и Д

). Напряжение на емкости первой

ступени ГИН фиксируется киловольтметром. Регулировка амплитуды ГИН

проводится в режиме автоматического срабатывания при помощи поворотной

штанги с электроприводом, на которой укреплены шары секционных

разрядников.

Параметры элементов ГИН в режиме генерирования грозовых импульсов

следующие:

= 0,5 мкФ, С

= 5,5 нФ, R

= 1 кОм,





Ом,

R

Ом.

V~220В кV

д1

д2

ШР

ЭО

ТрАТ

1 0

Рис.4. Принципиальная схема установки ГИН – 140 кВ

Испытания изоляторов на промышленной частоте проводятся на

установке, собранной на основе повышающего трансформатора ИОМ – 100/25

с параметрами

кВ100В,200

номIIномI

 UU

(рис.5). При перекрытии изоляторов

происходит автоматическое отключение установки.

В табл.1 приведены электрические характеристики некоторых типов

изоляторов.

Тр

АТ

ИО

~ 220

Рис.5. Схема испытания изоляционных конструкций

на переменном напряжении

Таблица 1. Электрические характеристики некоторых типов изоляторов

Тип изолятора

кВ,

.к.н

Выдерживаемое напряжение, кВ

Гц50

сухая

поверхность

Гц50

под дождем

имп

1,2/50

срезимп

ПС70-А (ПС-6А) 28 60 40 90 100

ПС120-Б (ПС-11) 32 65 45 100 115

ОНСУ-10-300 - 47 34 80 100

В режиме автоматического срабатывания ГИН напряжение питания

трансформатора Тр выставляется равным 100 В и остается неизменным.

Амплитуда импульса регулируется изменением напряжения срабатывания

секционных шаров путем включения привода поворотной штанги.

Шаровой разрядник ШР при градуировке является эталонным

измерительным прибором со шкалой в виде таблицы 50%-х разрядных

напряжений U

50%

, установленной ГОСТом. Измерение при помощи шаров

импульсного напряжения производится в режиме автоматического

срабатывания ГИН. Расстояние между измерительными шарами

устанавливается поочередно (S = 2, 3 и 4 см) и, регулируя амплитуду импульсов

ГИН, добиваются для выставленных значений вероятности пробоя промежутка

0,5 (Р

пр

= 0,5). Далее находится соответствующее табличное разрядное

напряжение U

50% табл

. Фактически амплитуда импульса определяется с учетом

поправки на атмосферные условия:

табл%50

UU

, (8)

где

p386,0

δ 

, p – давление, мм рт. столба; Т – абсолютная температура, К.

При нормальных атмосферных условиях (p

= 760 мм рт. ст., t

= 20

С) d =

Характеристика генератора

)(

срабm

UfU 

в автоматическом режиме

снимается в диапазоне

сраб

= 8…20 кВ.

Напряжение начала короны определяется визуально, по факту погасания

коронного разряда при плавном снижении напряжения. Напряжение

перекрытия в сухом и увлажненном состояниях определяется при плавном

подъеме напряжения с постоянной скоростью до перекрытия. Поверхность

изолятора увлажняется водопроводной водой. При испытании на переменном

напряжении выполняется по 3 опыта и определяется среднее напряжение,

которое сравнивается с данными табл.1.

Порядок выполнения работы

1. Ознакомиться с электрической схемой ГИН и его конструкцией.

2. Произвести расчет длительности фронта (

) и длительности волны (

) на

выходе ГИН в режиме генерирования грозового импульса, оценить

коэффициент использования разрядной схемы 

разр

3. В режиме автоматического срабатывания ГИН снять экспериментально

зависимость амплитуды волны напряжения на выходе от напряжения

срабатывания разрядника первой ступени

 

срабm

UfU 

4. Используя градуировочную кривую ГИН (п.3), определить 50%-процентное

импульсное разрядное напряжение предложенных типов изоляторов

 

%50

5. С помощью установки высокого переменного напряжения определить

следующие электрические характеристики испытываемого изолятора:

 напряжение начала видимого коронного разряда

.к.н

;

 напряжение перекрытия в сухом состоянии

.р.с

;

 напряжение перекрытия при увлажненной поверхности

.р.в

;

6. Сравнить полученные в пп.4 и 5 разрядные напряжения с испытательными

напряжениями, напряжение начала короны с нормируемым.

7. Ознакомиться с основными видами и характеристиками подвесных,

опорных и проходных изоляторов на выставке.

8. Составить отчет по работе, в который включить:

 электрическую схему ГИН и схему испытаний на переменном

напряжении;

 аналитический расчет по п.2;

 результаты градуировки измерительной системы;

 график зависимости

)(

срабm

UfU 

;

 значения измеренных разрядных и испытательных напряжений

испытуемого изолятора

Контрольные вопросы

1. С какой целью проводятся испытания изоляции повышенным

напряжением?

2. Принцип работы ГИН.

3. Каково значение элементов

в схеме ГИН?

4. Как измерить амплитуду импульса напряжения при помощи шарового

разрядника?

5. Какие трудности могут возникнуть при испытании на ГИН объектов с

большой емкостью?

6. Как определить 50-процентное разрядное напряжение?

7. Почему скорость подъема напряжения при испытании на промышленной

частоте должна быть постоянной?

8. Чем объяснить увеличение электрической прочности изоляторов на

импульсном напряжении в сравнении с напряжением переменной частотой

50 Гц?

Лабораторная работа № 5

ИЗМЕРЕНИЕ РАЗРЯДНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ

ВОЗДУШНЫХ ПРОМЕЖУТКОВ

Цель работы - знакомство с характером пробоя воздушных промежутков

типа плоскость - плоскость, стержень - плоскость, стержень - стержень,

измерение разрядных напряжений, изучение зависимости пробивного

напряжения от вида электродов, расстояния между электродами, от формы

поданного напряжения и его полярности.

Основные понятия и количественные характеристики

Воздух является диэлектриком, то есть веществом, в обычном состоянии

не проводящим электрический ток. Откуда же в воздухе берутся свободные

электрические заряды, за счет которых начинает протекать электрический ток?

Основной причиной появления заряженных частиц в воздухе является ударная

ионизация - появление заряженных частиц при столкновении электронов с

нейтральными молекулами. Первый свободный электрон привносится извне в

том плане, что причиной его откола от нейтрального атома является внешние

ионизаторы типа естественной радиоактивности, космических лучей или

ультрафиолетового излучения. При поддержании ионизации электрическим

полем разряд становится самостоятельным, не зависящим от внешних

ионизаторов. Закономерности самостоятельного разряда определяются в

первую очередь величинами и распределением в пространстве электрического

поля, то есть в первую очередь формою электродов.

Пробоем изоляции называют потерю диэлектриком изоляционных

свойств при превышении напряжением некоторого критического значения,

называемого пробивным напряжением

пр

. Соответствующая напряженность

электрического поля E

пр

= U

пр

/h, где h - расстояние между электродами,

называется электрической прочностью промежутка.

В однородном электрическом поле (электроды типа плоскость -

плоскость, сфера - сфера) самостоятельный разряд развивается по всей длине

промежутка, что приводит к пробою промежутка. В резконеоднородном поле

(стержень - плоскость, стержень - стержень) самостоятельный разряд

начинается при сравнительно небольшом напряжении вблизи стержня -

возникает корона. При более высоком напряжении будет пробой, причем

электрическая прочность в этом случае в несколько раз меньше, чем в

однородном электрическом поле.

Можно отметить несколько наиболее существенных факторов,

определяющих закономерности развития разряда в воздушном промежутке. Во-

первых, основными частицами, ответственными за пробой, являются

отрицательно заряженные электроны; однополярность основных частиц влечет

за собой различия в пробое в промежутке с неодинаковыми электродами при

разной их полярности. Во-вторых, при ионизации нейтральных молекул

остаются малоподвижные положительные ионы, которые в промежутке

стержень - плоскость либо экранируют положительное острие, либо резко

усиливают поле вблизи отрицательного острия. И, в-третьих, на развитие

проводящего канала в газе, называемого стримером, существенное влияние,

кроме ударной ионизации, оказывает фотоионизация в объеме газа и ионизация

на катоде из-за воздействия фотонов и положительных ионов.

По указанным причинам промежуток с резконеоднородным полем

отличается от промежутка с однородным полем наличием коронного разряда и

меньшей электрической прочностью. В промежутке стержень - плоскость

существует эффект полярности: корона начинается при меньшем напряжении

на отрицательном острие, но пробивные напряжения промежутка с

отрицательным острием значительно больше, чем с положительным (а на

переменном напряжении нужно ожидать пробоя промежутка при

положительной полуволне на острие - и на амплитуде синусоиды напряжения).

Зависимость пробивного напряжения от расстояния между электродами

типа плоскость - плоскость, сфера - сфера подчиняется закону Пашена; в

нормальных условиях пробивное напряжение растет с ростом расстояния

между электродами, но медленнее, чем расстояние.

Описание экспериментальной установки

В лабораторной работе используются испытательные установки

переменного напряжения WPT-4.4/100 и постоянного напряжения GPT-6/120.

Последняя отличается от установки высокого переменного напряжения только

наличием высоковольтного полупроводникового выпрямителя. Установки

позволяют получить переменное напряжение до 100 кВ (действующее

значение) и до 120 кВ выпрямленного напряжения со скоростью подъема 2% в

секунду и с автоматическим отключением при пробоях испытуемого объекта.

Упрощенная принципиальная схема установки приведена на рис. 1.

Установка содержит испытательный трансформатор Т2 на напряжение

100 кВ, автотрансформатор Т1, подвижный контакт которого перемещается

электроприводом, замковый выключатель S1, контактор S2 включения

высокого напряжения (кнопка этого контактора одновременно включает и

электропривод регулятора напряжения), ограничительный резистор R1,

выпрямитель V (для установки выпрямленного напряжения) и измерительные

приборы: вольтметр P1, включенный к отводам высоковольтной обмотки, и

миллиамперметр P2, измеряющий либо переменный, либо постоянный ток в

зависимости от типа установки.

Испытательные трансформаторы и все высоковольтные части установок

расположены на испытательном поле за ограждением, снабженным световой

сигнализацией включения высокого напряжения и блокировкой двери,

отключающей высокое напряжение при открывании двери.