Испытание электрической изоляции

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ А.А. ЕЖЕВСКОГО Испытание электрической изоляции методические указания и контрольные задания для студентов направления 130302 Электроэнергетика и электротехника Молодёжный 2020 Содержание Конспект лекций …………………………………………………………….. 4 Задание на контрольную работу и общие указания к выполнению контрольной работы ………………………………………... 79 Рекомендуемая литература Основная 1. Электрофизические основы техники высоких напряжений: Учеб. для вузов/ Под ред. И.П. Верещагина, В.П. Ларионова.- М.: Энергоатомиздат, 1993. – 543 с. 2. Харченко А.Ф. Техника высоких напряжений. Ч.1. Изоляция устройств электроснабжения электрических железных дорог: Уч. пос.- М.: МИИТ, 2010. – 166 с. 3. Серебряков А.С. Техника высоких напряжений. Перенапряжение в электрических системах и защита от них. Уч. пос. – М.: РГОТУПС, 2000. – 120 с. Дополнительная 1. Базуткин В.В., Ларионов В.П., Пинталь Ю.С. Техника высоких напряжений: Изоляция и перенапряжения в электрических системах: Учеб. для вузов/ Под ред. В.П.Ларионова. – М.: Энергоатомиздат, 1986. – 464 с. 2. Радченко В. Д. Техника высоких напряжений устройств электрической тяги. – М.: Транспорт, 1974. – 358 с. 3. Авруцкий В.А., Кужекин И.П., Чернов Е.Н. Испытательные и электрофизические установки. Техника эксперимента: Уч. пос. для втузов/ Под ред. И.П. Кужекина. – М.: МЭИ, 1983. -264 с. Справочная 1. Электротехнический справочник. Т.2. Электротехнические изделия и устройства/ Под ред. профессоров МЭИ. – М.: Издательство МЭИ, 2002. – 518 с. 2. Контактная сеть и воздушные линии. Нормативно-методическая документация по эксплуатации контактной сети и высоковольтным линиям: Справочник. Департамент электрификации и электроснабжения ОАО РЖД. –М.: ТРАНСИЗДАТ, 2004. – 568 с. 3. Правила устройств электроустановок. Разделы 1,2,4. – 7-е изд. –М. Из-во НЦ ЭНАС. ЛЕКЦИИ ПО ДИСЦИПЛИНЕ ИЗОЛЯЦИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ УСТАНОВОК 1.1. Общие сведения Ранее уже было сказано, что изоляция электротехнических установок подразделяется на внешнюю и внутреннюю. Внешней изоляцией является атмосферный воздух и поверхности изоляционных конструкций, соприкасающиеся с воздухом. Внутренняя изоляция – это части изоляционной конструкции, в которых изолирующей средой являются жидкие, твердые или газообразные диэлектрики или их комбинация, не соприкасающиеся с атмосферным воздухом. Внутренняя изоляция имеет ряд особенностей по сравнению с наружной изоляцией. После пробоя (перекрытия) внешней изоляции и отключения источника напряжения электрическая прочность изоляции восстанавливается до исходного уровня. Такую изоляцию называют самовосстанавливающейся. Пробой внутренней изоляции, как правило, представляет собой необратимое разрушение и после него неизбежен дорогостоящий капитальный ремонт или замена изоляции, а иногда и всего аппарата. Внутренняя изоляция является несамовосстанавливаюшейся. Поэтому внутренняя изоляция должна иметь большие запасы прочности, чем внешняя изоляция. Электрическую прочность внешней изоляции можно определить без ее повреждения. Электрическую прочность внутренней изоляции можно определить только с некоторой вероятностью по ряду косвенных показателей. Фактическое значение электрической прочности неизвестно. Атмосферный воздух, являющийся частью внешней изоляции, не подвержен старению, он непрерывно обновляется естественным образом. Поэтому старение внешней изоляции может наблюдаться только на тех участках, где разряд развивается по поверхности твердых диэлектриков. Внутренняя изоляция в процессе эксплуатации неизбежно стареет. К диэлектрикам, используемым для изготовления внутренней изоляции высоковольтного оборудования, предъявляется ряд жестких требований. Они должны обеспечивать высокую кратковременную и длительную электрическую прочность изоляционной конструкции. Кратковременная электрическая прочность – это величина пробивного напряжения при грозовых или коммутационных перенапряжениях. Длительная электрическая прочность – это напряжение, которое может быть приложено к изоляции в течение всего срока службы без ее повреждения. Длительная электрическая прочность внутренней изоляции зависит не только от прочности диэлектрического материала, но и от конструкции изоляции. Изоляционные материалы для внутренней изоляции должны иметь малые диэлектрические потери, малую проводимость и обладать высокой термической стойкостью. Часто внутренняя изоляция выполняет еще и роль теплоотводящей среды, поэтому она должна обладать высокой теплопроводностью. Внутренняя изоляция в процессе эксплуатации в большинстве случаев испытывает механические воздействия: статические, ударные, вибрационные. Поэтому твердые диэлектрики должны иметь достаточную механическую прочность. Диэлектрики, предназначенные для внутренней изоляции, не должны быть токсичными, горючими, взрывоопасными и должны допускать применение современных прогрессивных технологий изготовления изоляции и иметь невысокую стоимость. Как показывает опыт, во многих случаях ни один отдельно взятый диэлектрик не может удовлетворить в полной мере всему перечню предъявляемых требований и наилучшее решение получается при использовании комбинации из нескольких диэлектриков, которые выполняют различные функции и дополняют друг друга. Например, высокопрочные жидкие диэлектрики, заполняя объем изоляции так, чтобы в нем не оставалось пустот и воздушных включений, придают изоляции однородность и тем самым обеспечивают высокую длительную электрическую прочность изоляции. Понятие внутренняя изоляция объединяет различные по устройству и выполняемым функциям изоляционные конструкции. Однако закономерности протекающих в них физических процессов, от которых зависит поведение изоляции в эксплуатации, во многом являются общими. Поэтому для исследования и испытания внутренней изоляции различных высоковольтных устройств применяют одинаковые методы и измерительные средства. Рассмотрим конструкцию внутренней изоляции различных электротехнических установок. 1.2. Материалы для изоляторов Изолятором согласно ГОСТ 27744-88 называют электротехническое устройство, предназначенное для электрической изоляции и механического крепления электроустановок или их отдельных частей, находящимися под разными электрическими потенциалами. Из определения следует, что диэлектрики, из которых изготавливаются изоляторы, должны обладать высокой прочностью, поскольку изоляторы несут значительную механическую нагрузку. Диэлектрики должны иметь и высокую электрическую прочность, позволяющую создавать экономичные и надежные конструкции изоляторов. Пробой тела диэлектрика выводит изолятор из строя, а разряд по поверхности при условии быстрого отключения напряжения не причиняет изолятору никаких повреждений. Поэтому пробивное напряжение твердого диэлектрика в изоляторе должно быть примерно в 1,5 раза выше, чем напряжение перекрытия по поверхности, которое и определяет электрическую прочность изолятора. Диэлектрик должен быть негигроскопичен и не изменять своих свойств под действием метеорологических факторов. При увлажнении и загрязнении поверхности изоляторов, устанавливаемых на открытом воздухе, могут возникнуть частичные электрические дуги. Под их действием поверхность может обугливаться и на ней появляются проводящие следы – треки, снижающие электрическую прочность изоляторов. Повреждение поверхности твердого диэлектрика вследствие поверхностного пробоя, вызывающего образование проводящих следов, называется трекингом диэлектрика. Поэтому диэлектрики для изоляторов, предназначенных для работы на открытом воздухе, должны иметь высокую трекингостойкость или эрозионную стойкость. Всем указанным требованиям в наибольшей степени удовлетворяет глазурованный электротехнический фарфор и стекло, а также некоторые полимеры. Электрическая прочность фарфора в однородном поле при толщине 1,5мм составляет 30-40кВ/мм и уменьшается при увеличении толщины. Электрическая прочность стекла при тех же условиях составляет 45кВ/мм. Механическая прочность фарфора и стекла зависит от вида нагрузки. Например, предел прочности обожженного фарфора составляет: при сжатии 450МПа. при изгибе 70МПа, а при растяжении 30МПа. Таким образом, наиболее высокой механической прочностью обладают изоляторы, в которых фарфор работает на сжатие. Стекло по механической прочности не уступает фарфору и также лучше работает на сжатие. Изоляторы из закаленного стекла имеют ряд преимуществ перед фарфоровыми. Технологический процесс их изготовления полностью автоматизирован. Прозрачность стекла позволяет визуально обнаружить внутренние дефекты. Повреждение стекла приводит к разрушению диэлектрической части изолятора, которое легко обнаруживается при осмотре ЛЭП эксплуатационным персоналом. Стекло более технологичный материал по сравнению с фарфором. Поэтому стеклянным изоляторам можно придать более рациональную форму по сравнению с фарфоровыми изоляторами и получить меньшие габариты при сохранении требуемых электрических характеристик. Еще большими преимуществами по сравнению с изоляторами из стекла и фарфора обладают полимерные изоляторы [26]. Применение полимерных материалов в устройствах контактной сети электрифицированных железных дорог является одним из направлений технического прогресса на железнодорожном транспорте. Полимерные изоляторы имеют следующие преимущества: технологичность, малая масса, компактность, простота монтажа, высокая механическая прочность к ударным воздействиям, большая долговечность, надежность и экономичность. Незаменимыми оказываются полимерные изолирующие материалы и при монтаже контактных подвесок в искусственных сооружениях с ограниченными габаритами. Полимерная изоляция контактной сети в большинстве случаев изготавливается комбинированной: одни материалы, например, стеклопластиковые стержни воспринимают механические нагрузки, а другие, в виде защитной оболочки, обеспечивают электрическую прочность. Стеклопластики состоят из стеклянной арматуры (нитей, лент или тканей) и полимерного связующего на основе полиэфирных, эпоксидных, кремнийорганических и других синтетических смол. Полимерные связующие в стеклопластиках выполняют роль клеящей среды, объединяющей стеклянные волокна в монолитное изделие. На электрифицированных железных дорогах в полимерных изоляторах и изолирующих элементах используются стеклопластиковые стержни диаметром 14-55 мм. Материал защитной оболочки полимерных стержневых изоляторов должен обладать высокой трэкингоэрозионной стойкостью, дугостойкостью, устойчивостью к гидролизу, агрессивным средами ультрафиолетовому облучению. Этим показателям удовлетворяет политэтрафторэтилен (фторопласт-4), кремнийорганические резины (эластомеры) и этиленпропиленовые материалы. В применяемых на электрифицированных железных дорогах полимерных изоляторах защитные оболочки в основном выполняются из кремнийорганической резины зарубежного производства. Для надежной защиты стеклопластика от проникновения влаги оболочка не должна терять герметичность в течение всего срока службы изолятора. Защитная оболочка должна обладать хорошей адгезией к стержню. Для защиты стеклопластика от проникновения влаги и исключения частичных разрядов в пустотах, образующихся между составными частями изолятора при сборке изоляторов используют различные герметизирующие и клеевые материалы: эпоксидные компаунды кремнийорганические пасты, вазелины, силиконовые компаунды холодного отверждения. Применение полимерных изоляторов на ЛЭП позволяет существенно уменьшить массу подвесных изоляторов и заменить гирлянду изоляторов одним. Вероятность безотказной работы полимерных изоляторов должна быть не меньше значения, определяемого из выражения [26]: (1.1) Где t – время с начала эксплуатации, годы; 0,0003 – коэффициент, характеризующий годовую повреждаемость. 1/год. Срок службы полимерных изоляторов контактной сети электрифицированных железных дорог должен быть не менее 25 лет. Независимо от примененного материала изоляторы по своему назначению делятся на линейные и аппаратные [27]. 1.3 Линейные изоляторы Линейные изоляторы применяются для подвески проводов в ЛЭП, контактной сети и гибких шин в открытых распределительных устройствах. По конструктивному исполнению изоляторы для ЛЭП делятся на штыревые и подвесные. Подвесные изоляторы делятся на тарельчатые и стержневые. Изоляторы для контактной сети делятся по назначению на подвесные, натяжные, фиксаторные и консольные и изолирующие элементы [30]. На рис. 1.1 показана конструкция штыревого линейного изолятора для изоляции и крепления к поддерживающим конструкциям проводов ВЛ напряжением до 10 кВ включительно. Условное обозначение расшифровывается следующим образом: Ш - штыревой, Ф – фарфоровый, 10 – класс изолятора (номинальное напряжение электроустановки, кВ), Г – конструктивное исполнение. Механическая разрушающая сила на изгиб 12,5 кН. Длина пути утечки 265мм. Провод крепится на верхней или боковой бороздке изолятора с помощью вязки или специальных зажимов. Изолятор навертывается на металлический штырь или крюк, расположенный на опоре. Гнездо с резьбой для навертывания штыря или крюка углублено в тело изолятора настолько, что верхняя часть штыря или крюка оказывается на уровне шейки изолятора. Этим достигается уменьшение изгибающего момента, действующего на тело изолятора. На рис.1.2 приведена конструкция стеклянного тарельчатого изолятора типа ПС 120 – Б. Изолятор предназначен для изоляции и крепления к поддерживающим конструкциям проводов контактной сети и ВЛ. Условное обозначение расшифровывается следующим образом: П – подвесной, С - стеклянный, 120 – класс изолятора механическая разрушающая сила при растяжении, кН), Б – модификация изолятора. Длина пути утечки 320мм. Основу изолятора составляет стеклянное тело – тарелка 1, средняя часть которой, вытянутая кверху, называется головкой. На головке крепится шапка 2 из ковкого чугуна, а в гнездо, расположенное внутри головки, заделывается стальной стержень 3. Армировка изолятора, т. е. механическое соединение изоляционного тела с металлической арматурой, выполняется при помощи портландцемента. При последовательном соединении таких изоляторов можно получить гирлянду на любое номинальное напряжение. Соединение изоляторов в гирлянду осуществляется путем введения утолщенной головки стержня в специальное ушко на шапке другого изолятора и закрепления его замком. Применение на линиях разного класса напряжения гирлянд из изоляторов одного и того же типа значительно упрощает организацию их массового производства и эксплуатацию. Важное достоинство тарельчатых изоляторов состоит в том, что при повреждении изоляционного тела, механическая прочность изолятора и, следовательно, всей гирлянды не нарушается и не происходит падения провода на землю. На рис.1.3 приведена конструкция полимерного консольного стержневого изолятора КСК 120 – 6 – 3/0,6. Обозначение расшифровывается следующим образом: К – консольный, С – стержневой, К – оболочка из кремнийорганической резины, 120 – класс изолятора (нормированная разрушающая сила при растяжении, кН), 6 – нормированная разрушающая сила при изгибе, кН, 3 - номинальное напряжение контактной сети, кВ, 0,6 - длина пути утечки, м. Изолятор предназначен для изоляции подкосов и консолей контактной сети постоянного тока напряжением 3 кВ. 1.4. Аппаратные изоляторы Аппаратные изоляторы предназначены для работы в электротехнических устройствах. Они делятся на опорные и проходные. Опорные изоляторы используются в качестве жесткой опоры и служат для крепления токоведущих шин в закрытых распредустройствах, а также для крепления отдельных частей аппаратов. На рис. 1.4 показан опорный фарфоровый изолятор типа ОФ на напряжение 6кВ.для работы внутри помещения, а на рис.1.5 - штыревой опорный изолятор типа ОНШ на напряжение 10 кВ. Обозначение расшифровывается так: О – опорный, Н – нормального исполнения, Ш - штыревой. Материал в опорном изоляторе работает на изгиб. Минимальная разрушающая нагрузка на изгиб изолятора ОНШ, показанного на рис.8.5 составляет 5кН. На рис. 1.6 показана конструкция опорного стержневого полимерного изолятора ИОСК 6 – 80 – 1 УХЛ на напряжение 10кВ. Наибольшее рабочее напряжение 12кВ.Минимальная механическая разрушающая сила на изгиб не менее 6кН. Испытательное напряжение грозовых импульсов не менее 80кВ. Длина пути утечки 22мм. Одноминутное испытательное напряжение частоты 50Гц в сухом состоянии и под дождем не менее 42 и 28кВ. 50% -ное разрядное напряжение промышленной частоты в загрязненном и увлажненном состоянии 12кВ при удельной поверхностной проводимости слоя загрязнения 10 мкСм. Опорные стержневые изоляторы для работы на открытом воздухе отличаются от таких же изоляторов для работы в помещении большим количеством ребер. Ребра служат для увеличения длины пути утечки с целью повышения разрядных напряжений изоляторов под дождем. Проходные изоляторы применяются для изоляции токоведущих частей при прохождении их через стены, потолки и корпуса распределительных устройств, выключателей, трансформаторов и иных электрических аппаратов, имеющих другой электрический потенциал по отношению к токоведущим частям. Типичные конструкции проходных изоляторов на напряжения 6 и 35 кВ для работы в помещениях и на открытом воздухе показаны на рис.8.7. Они состоят из изоляционного фарфорового тела , токоведущего стержня и фланца, с помощью которого изолятор укрепляется на стене, перекрытии или ограждении. Проходные изоляторы, также как изоляторы других типов, конструируют так, чтобы пробивное напряжение их внутренней изоляции превышало разрядное напряжение по поверхности. Проходные изоляторы на напряжение более 35кВ имеют более сложную конструкцию и называются вводами. 1. 5 . Изоляция конденсаторов Название «конденсатор» было введено в конце 18 века, когда существовало представление об «электрических жидкостях» и конденсатор рассматривался как прибор для сгущения, конденсирования этих жидкостей. Конденсатор представляет собой систему из двух или более проводников (обкладок),разделенных диэлектриком (рис.2.1). Основное назначение конденсатора – накапливать электрический заряд и электрическую энергию. Первые специально созданные электрические конденсаторы, которые применяли в России М.В. Ломоносов и Г. Рихман представляли собой стеклянные банки, наполненные водой или дробью, и оклеенные снаружи фольгой. Впервые понятие диэлектрической проницаемости диэлектрика в конденсаторах ввел Фарадей, в честь которого и названа единица емкости – Фарад. В настоящее время в России производятся все виды современных электрических конденсаторов от единиц фарад до долей пикофарад. Важнейшая характеристика конденсатора – удельная энергия, равная отношению запасенной в конденсаторе электрической энергии к объему активного диэлектрика: . (1-2) Здесь: S – площадь пластин конденсатора, d – толщина диэлектрика. Как следует из формулы (1-2) для увеличения удельной энергии следует выбирать материал с высокой относительной диэлектрической проницаемостью и высокой электрической прочностью. Из формулы (1-2) можно выразить энергию конденсатора: . (1.3) Здесь l – линейные разме1-3), энергия конденсатора, а , следовательно, и потери растут пропорционально кубу линейных размеров. Поверхность охлаждения конденсатора растет пропорционально квадрату линейных размеров. Следовательно, с ростом мощности конденсатора ухудшаются условия его охлаждения. Чтобы не вызвать перегрева диэлектрика, необходимо использовать материал с малыми диэлектрическими потерями т.е. с малым значением . Рассмотрим, с учетом сказанного, как выполняется изоляция в различных видах конденсаторов. Силовые конденсаторы используются в установках переменного тока для повышения коэффициента мощности («косинусные конденсаторы»), для продольной компенсации в ЛЭП, в качестве конденсаторов связи и других целей. В установках постоянного тока они работают в схемах с инверторами. Устройство силового конденсатора для повышения коэффициента мощности схематически показано на рис.1.8. В герметизированном корпусе 1 расположены плоскопрессованные рулонные секции 2, стянутые в пакет между металлическими щеками 3 с помощью хомутов 4. Между секциями установлены изолирующие прокладки 5 из электрокартона. Изоляция 6 от корпуса выполнена из электрокартона или кабельной бумаги. Секция представляет собой спирально намотанный рулон из лент диэлектрика и алюминиевой фольги (рис.8.9), выполняющей роль электродов. В рулонных секциях обе поверхности электродов являются активными, вследствие чего сокращается расход металла на электроды. Отдельные секции (рис.1.8) соединяются перемычками 7 в параллельную, последовательную или смешанную схему в зависимости от рабочего напряжения и требуемой емкости. Конденсатор имеет два вывода 8. В силовых конденсаторах используется бумажно-масляная изоляция. Чаще всего изоляцию секций выполняют из 6-8 слоев конденсаторной бумаги типа КОН толщиной 10-15мкм (=-0,003). Внутренний объем конденсатора заполнен пропитывающим составом. В качестве пропитки используют минеральные масла (=2,1-2,2) и синтетические полярные жидкости на основе хлордифенила (ХД) (=4,8-5,5). Конденсаторное масло отличается от трансформаторного более тщательной очисткой. У конденсаторной бумажной изоляции до 30% объема занимают поры между волокнами и узкие щели между слоями бумаг. Поэтому относительная диэлектрическая проницаемость пропитывающей жидкости сильно влияет на емкость конденсатора. При пропитке хлорированными жидкостями емкость конденсатора в два раза превосходит емкость при пропитке минеральным маслом. Рабочие напряженности в конденсаторах промышленной частоты составляют 12-14 кВ/мм при пропитке минеральными маслами и 15-20кВ/мм при пропитке хлорированными жидкостями.. Недостатком синтетических жидкостей ХД является их большая чувствительность к загрязнениям. Кроме того, они токсичны и экологически опасны, так как отсутствует их биологическая деградация. Это делает необходимым централизованное уничтожение пробитых конденсаторов по специальной технологии. Хорошие результаты дает применение комбинированной изоляции, в которой слои бумаги чередуются со слоями неполярной синтетической полимерной пленки. Такой пленкой может быть, например, полипропилен (=2,2-2,3, =180кВ/мм, =0,0004, =1015-1016Ом·м). Для импульсных конденсаторов применяется полиэтилентерефталатная (лавсановая) пленка., а в качестве пропитки – касторовое масло. В комбинированной изоляции бумага между слоями пленки обеспечивает хорошую пропитку между слоями пленки и отсутствие газовых включений в изоляции. В последнее время большинство производителей силовых конденсаторов отказываются от использования бумажного и бумажно-пленочного диэлектрика, переходя к чисто пленочному с экологически безопасными пропитывающими жидкостями. Так например, крупнейший отечественный производитель всех типов силовых конденсаторов Серпуховской конденсаторный завод “КВАР”,внедряя указанную технологию, разработал и освоил выпуск конденсаторов для комплектации силовых фильтров высших гармоник мощностью 300квар с удельной реактивной мощностью 8,1 квар/дм3, что в 1,5-2 раза превышает этот показатель серийно выпускаемой продукции. Керамические конденсаторы составляют более половины всех выпускаемых конденсаторов. Диэлектриком в них является керамика с высокой , что позволяет выполнять конденсаторы с меньшими габаритами и весом. Большая часть керамических материалов с высокой имеют в качестве основной составной части диоксид титана TiO2. Одна из его модификаций – рутил имеет в направлении главной кристаллографической оси =173. Низкочастотная керамика имеет =15000-20000. Имеются полупроводниковая керамика с =50000. Таким образом, керамические материалы по сравнению с полимерными пленками дают огромный выигрыш по значению . Низковольтные и высоковольтные керамические конденсаторы применяются в высокочастотной технике: в измерительных схемах и в радиоаппаратуре. Оксидные конденсаторы используют в качестве диэлектрика тонкую оксидную пленку на поверхности металлов; алюминия, тантала, ниобия. В электролитических конденсаторах сам металл используется как анод, а электролит (корпус) используется в качестве катода. В диффузионных конденсаторах в качестве диэлектрика служит запорный слой на границе p-n перехода в полупроводнике. В конденсатора на МДП структурах (металл-диэлектрик-полупроводник) в качестве диэлектрика используется слой диоксида кремния, выращенный на поверхности кремниевой пластины. Обкладками служит кремний с одной стороны и тонкая пленка с другой. Для изготовления измерительных конденсаторов применяется так называемая образцовая конденсаторная слюда марки СО, которая представляет собой мусковит высшего качества и изготовляется в виде пластинок прямоугольной формы. В высокочастотной технике слюдяные конденсаторы применяются в колебательных контурах радиоаппаратуры. 1.6. Изоляция силовых кабелей Электрическим кабелем (от голландского kabel – канат, трос) называют систему гибких изолированных проводников, имеющих кроме собственной изоляции общую изоляцию и защитную оболочку, предохраняющую изоляцию от внешних механических и других воздействий. Впервые электрические провода с гуттаперчевой изоляцией для взрыва морских мин предложил в 1812 году русский ученый и изобретатель П.Л. Шиллинг. В 1841 году в России выдающийся физик и электротехник Б.С. Якоби впервые в мире построил подземную линию электрического телеграфа, для которой он разработал конструкцию кабелей и наладил их производство. Современный электрический кабель это сложное техническое изделие, в котором используются многие достижения науки и техники. Сейчас потребление кабельных материалов в мире составляет 15 млн.т. в год, из них в США-22%, в Китае 12%, в Японии 8%, в остальной Азии 20%, в бывшем СССР 5%, в остальных странах 33%. Рассмотрим устройство кабелей с различными видами изоляции. На рис.1.10 показан разрез трехжильного силового кабеля с секторными жилами и бумажной изоляцией с вязкой пропиткой [33]. Секторная форма жил позволяет уменьшить наружный диаметр кабеля. Жилы кабеля выполняются из меди или алюминия. Изоляция состоит из двух частей – фазной и поясной. Между жилами кабеля находится двойная фазная изоляция, рассчитанная на линейное напряжение, а между каждой жилой и оболочкой - фазная и поясная. Зазоры между отдельными изолированными жилами заполняется низкокачественной изоляцией (бумажными жгутами). Наибольшее действующее значение рабочей напряженности в кабелях до 10 кВ не превышает значения 2кВ/мм. Чтобы кабель был гибким, жилы его выполняются из большого числа скрученных тонких проводов. Изоляция кабеля должна быть достаточно гибкой, механически прочной и и иметь высокую электрическую прочность. Последнее особенно важно, так как при уменьшении толщины изоляции повышается гибкость кабеля, уменьшается его вес и стоимость, улучшается теплоотвод и повышается рабочий ток кабеля. Кроме того, высокое значение электрической прочности повышает надежность работы кабеля, а, следовательно, снижает его эксплуатационные расходы, так как на поиск места повреждения кабеля и его устранение затрачивается много времени и средств. В настоящее время срок эксплуатации кабеля должен составлять не менее 25-40 лет. Следует отметить, что фактически кабели служат более длительное время. Например, в Санкт-Петербурге некоторые кабели с бумажно-масляной изоляцией на напряжение 10кВ эксплуатируются более 75 лет. Рис.1.10. Трехжильный кабель с секторными жилами: 1 – жила; 2 – фазная изоляция; 3 – поясная изоляция; - 4 – наполнитель; 5 – оболочка; 6 – подушка под броней из пряжи; пропитанной битумом; 7 – броня из стальных лент; 8 – наружный защитный покров. В настоящее время в силовых кабелях высокого напряжения используется бумажно-масляная изоляция. Кабельная бумага отличается от конденсаторной бумаги большей толщиной (80-170мкм) и повышенными механическими характеристиками для большей плотности изоляции при ее намотке. Тангенс угла диэлектрических потерь для непропитанной кабельной бумаги примерно такой же как для непропитанной конденсаторной бумаги и составляет примерно =0,002. В качестве вязкой пропитки ленточной бумажной изоляции применяются масляно-канифольные или синтетические нестекающие составы повышенной вязкости. Добавление канифоли в нефтяные масла приводит к существенному увеличению вязкости пропитывающего состава. Недостатком таких кабелей является то, что при работе с циклической нагрузкой, вызывающей нагревание и остывание кабеля, в изоляции образуются пустоты, которые снижают электрическую прочность изоляции. Металлическая оболочка выполняется обычно из свинца или алюминия. Поверх оболочки накладываются защитные покровы, включающее броню из стальных проволок или лент и слои кабельной пряжи из джутового волокна, пропитанного битумными составами с антисептиками. Описанные кабели применяются до напряжения 35кВ включительно при промышленной частоте и до напряжения 220кВ при постоянном напряжении. Для напряжений 110-220кВ и даже до напряжений 500кВ промышленной частоты используются маслонаполненные кабели, которые, как правило, выполняются одножильными. В таких кабелях ленточная бумажная изоляция пропитывается маловязким маслом, которое может перемещаться внутри жилы кабеля и находиться под избыточным давлением. Вследствие этого исключается появление в изоляции газовых включений при изменениях температуры, и за счет этого длительная электрическая прочность повышается более чем в 3 раза по сравнению с прочностью изоляции, пропитанной вязкими составами [7,8]. Для поддержания неизменного давления масла в кабеле на кабельной трассе через каждые 1-2,5км устанавливают баки давления, которые присоединяются к кабелю через специальные муфты. Чем больше давление масла, тем выше электрическая прочность кабеля, однако при этом усложняется и упрочняющий покров кабеля. Поэтому маслонаполненные кабели высокого давления (около 1,5 МПа) выполняются в стальных трубах. Такие кабели выпускаются на напряжение до 500кВ. Устройство маслонаполненного кабеля высокого давления показано на рис.8.11. В стальном трубопроводе, заполненном маловязким маслом под давлением 1,5МПа помещаются три круглые жилы с изоляцией, которая пропитана вязким составом. Изоляция покрывается эластичным, герметически плотным слоем, который предотвращает контакт изоляции с маслом в трубе, а также увлажнение изоляции при транспортировке и монтаже. Эластичное покрытие свободно передает изоляции давление масла, заполняющего стальную трубу. Преимущество кабелей в трубе состоит в том, что упрощается конструкция оболочки, воспринимающей давление масла. Однако увеличивается объем работ при прокладке кабельной линии за счет сварки стальных труб и наложения антикоррозийных покрытий. Кроме того, значительно возрастает объем масла, что усложняет систему поддержания избыточного давления. При эксплуатации маслонаполненных кабелей возникают проблемы контроля за состоянием изоляционного масла и защиты кабельной линии от коррозии. Разгерметизация маслонаполненных кабелей высокого давления сопровождается большими объемами вытекаемого кабельного масла, увлажнением изоляции кабеля и, как следствие, значительным объемом восстановительных работ. Поэтому при напряжениях до 220кВ применяют газонаполненные кабели, в которых вместо масла используют сухой очищенный азот при повышенном давлении. Эти кабели имеют устройство примерно такое же, как и маслонаполненные, но в них используется изоляция с обедненной пропиткой. Преимущество таких кабелей состоит в том, что получается более простая система обеспечения повышенных давлений за счет использования баллонов со сжатым газом. Газонаполненные кабели могут укладываться на трассах с большим уклоном. Но вместе с тем в таких кабелях условия охлаждения хуже, поэтому рабочие токи меньше [7,8].. Применяются также кабели с элегазовой изоляцией под давлением. Они устроены следующим образом. В стальной трубе на распорках из твердого диэлектрика закреплена токоведущая жила (или три жилы). Линия собирается из таких труб и заполняется элегазом (шестифтористой серой FS6 ) под давлением. Элегаз негорюч, обладает хорошей теплопроводностью и хорошей дугогасительной способностью. Особенно эффективны такие кабели при сверхвысоких напряжениях, где они могут оказаться экономически более выгодными, чем воздушные линии электропередачи[8].. В последнее время кабели с бумажно-масляной изоляцией и маслонаполненные кабели заменяются на кабели с полиэтиленовой изоляцией. В конструкции таких кабелей вблизи центральной жилы в области максимальных напряженностей электрического поля предусмотрено расположение слоев с повышенными значениями электрической проводимости и диэлектрической проницаемости (рис.1.12). В этих слоях, соединенных последовательно с основной изоляцией уменьшаются величины напряженностей поля по сравнению с тем случаем, когда у жилы располагается полиэтилен, из которого изготовлена основная изоляция. При этом возрастает надежность всей конструкции, более равномерно нагружаются электрическим полем все участки изоляции. Для производства таких кабелей были созданы специальные машины-экструдеры, которые обеспечивают одновременное нанесение на центральную жилу всех трех слоев системы изоляции. При этом исключаются воздушные включения и примеси. Преимущество кабелей с полиэтиленовой изоляцией по сравнению с кабелями с вязкой пропиткой состоит в том, что они имеют меньшую массу. Рис.1.12. Схема устройства силового коаксиального кабеля с полиэтиленовой изоляцией (а) и эквивалентная схема соединения элементов его изоляции (б): 1-центральная жила, 2-полупроводящий полиэтилен,3 – полиэтилен с добавкой TiO2 с повышенной , и , 4 – изоляционный полиэтилен, 5 – наружный экран. Динамика выпуска кабелей с бумажно-пропитанной изоляцией (БПИ) и полиэтиленовой изоляцией (ПИ) на предприятиях СНГ такова. Кабели на напряжение 6/1кВ: 1997 г.с БПИ 25%, с ПИ 75%.,2002 г. с БПИ 0%, с ПИ 100%. Кабели на напряжение 6-35кВ: 1997 г. с БПИ 99,7%, с ПИ 0,3%, планируется к 2005 г с БПИ 70%, с ПИ 30%;. Перспективным направлением кабельной промышленности является производство кабелей с полиэтиленовой изоляцией на напряжение до 500кВ. Уже указывалось, что потребление кабельных материалов в мире составляет 15 млн.т. в год. Отходы же кабелей (в том числе вышедших из строя) составляют 5 млн. т. в год. Поэтому остро стоит проблема охраны окружающей среды от этих отходов, их переработки и повторного использования. В Японии в 90-х годах, например, повторно использовали следующие материалы: медь и алюминий -100%, полихлорвинил – 31%, полиэтилен – 17%, сшитый полиэтилен – 50%. В мире разработаны способы переработки отходов пластмассы с помощью дробления и плавления с получением порошкообразного или нефтяного топлива. 1 кг отходов дает 0,6-0,7 кг топлива. 1.7. Изоляция силовых трансформаторов В силовых трансформаторах изоляция состоит из нескольких различных по конструкции элементов, работающих в неодинаковых условиях и имеющих разные характеристики. Воздушные промежутки между вводами по их поверхностям на землю составляют внешнюю изоляцию, а все изоляционные участки внутри бака, - внутреннюю изоляцию трансформатора. В свою очередь внутренняя изоляция подразделяется на главную и продольную. К главной изоляции относится изоляция обмоток относительно земли и между разными обмотками. К продольной изоляции относится изоляция между разными точками одной и той же обмотки: между витками, слоями, катушками. Основные габариты главной и продольной изоляции определяются величинами импульсных перенапряжений - грозовых и коммутационных. Наибольшее импульсное напряжение на главной изоляции может превосходить воздействующее напряжение на 20% при заземленной нейтрали и на 80% при изолированной нейтрали. Если импульс перенапряжения имеет крутой фронт, то на продольной изоляции могут возникать напряжения, более чем в 10 раз превышающие напряжения нормального режима. Наибольшие напряжения на продольной изоляции возникают при срезах, т.е. при пробое какого-либо промежутка, расположенного поблизости от трансформатора. На конструкцию изоляции трансформаторов оказывает сильное влияние то обстоятельство, что в активных частях трансформатора - в обмотках и магнитопроводе при работе выделяется значительное количество тепла. Это заставляет выполнять изоляцию так, чтобы можно было непрерывно охлаждать активные части. В современных силовых трансформаторах в качестве главной изоляции используется преимущественно маслобарьерная изоляция (рис.8.13). Барьеры изготовляются из электрокартона и располагаются перпендикулярно силовым линиям электрического поля. В трансформаторах электрическое поле имеет сложную конфигурацию, поэтому приходится применять комбинацию барьеров разной формы. В основном применяют три типа барьеров: цилиндрический барьер 1, плоскую шайбу 2 и угловую шайбу3. Количество барьеров зависит от номинального напряжения. В ряде случаев цилиндрический барьер выполняется из бакелита. В качестве жидкого диэлектрика используется нефтяное трансформаторное масло. Масло в трансформаторе выполняет две функции: во-первых, оно повышает электрическую прочность изоляции и во-вторых, улучшает условия охлаждения. Масло отводит теплоту потерь от обмоток и магнитопровода трансформатора в 25-30 раз интенсивнее, чем воздух (при свободной конвекции). Продольная изоляция выполняется бумажно-масляной. Продольная изоляция обмоток силовых высоковольтных трансформаторов состоит из двух основных элементов (рис.8.14 ): витковой изоляции (изоляции между проводниками двух соседних прилегающих друг к другу витков одной катушки) и катушечной изоляции (изоляции между проводниками двух соседних катушек, разделенных масляным каналом). Витковая изоляция представляет собой бумажно-масляную изоляцию, в которой слои кабельной бумаги накладываются на провод обмотки вполнахлеста. Изоляция между катушками состоит из масляного канала шириной от 8 до 30мм и бумажной изоляции провода, которая усиливается в случае необходимости дополнительной подмоткой бумаги, охватывающей все витки катушки. Для длительной и надежной работы трансформаторов «Правила технической эксплуатации электрических станций и сетей» (ПТЭ) требуют соблюдения установленного температурного режима трансформаторов и периодического контроля состояния изоляции. Несоблюдение теплового режима при эксплуатации трансформатора ведет к быстрому износу его изоляции. Кроме того, периодически в процессе эксплуатации берутся пробы масла, измеряются значения и . При работе в трансформаторе масло постепенно стареет. При старении увеличивается вязкость масла и ухудшаются его электроизоляционные свойства. Скорость старения возрастает при повышенной температуре, при доступе воздуха и особенно при соприкосновении с озоном. Регенерация начавшего стареть масла, т.е. удаление из него продуктов старения и восстановление исходных свойств, достигается обработкой масла адсорбентами. Для непрерывного процесса регенерации масла в работающем трансформаторе, он снабжается термосифонным фильтром с адсорбентом. Рекомендуется добавление к трансформаторному маслу ингибиторов (антиокислительных присадок) которые замедляют старение масла. Применение правильно выбранных ингибиторов позволяет увеличить срок эксплуатации масла и дает большой экономический эффект. 1. 8. Изоляция масляных, вакуумных и воздушных выключателей Внутренняя изоляция масляных выключателей (МВ) выполняется с большим запасом электрической прочности, потому что масло является средой, в которой гасится электрическая дуга и изоляцией между разомкнутыми контактами одного полюса. Гашение дуги в МВ осуществляется за счет эффективного ее охлаждения в газообразной среде (газопаровой смеси), образующейся в процессе испарения и разложения масла под воздействием высокой температуры дуги. В процессе эксплуатации, особенно когда гасится затяжная дуга, масло сильно загрязняется углеродистыми частицами, которые снижают электрическую прочность масла. Снижение электрической прочности изоляции масляных выключателей может также происходить из-за влаги, поглощенной им из атмосферы. Влага частично поглощается изоляционными деталями, а частично выпадает на дно выключателя, так как вода тяжелее масла. В холодное время года вода на дне замерзает. При оттепелях лед отделяется от днища бака и поскольку он оказывается легче масла, то всплывает на поверхность масла и образует проводящую «дорожку» от токоведущих деталей к баку выключателя. Для предотвращения всплытия кусочков льда в масляном выключателе устанавливают специальные перегородки. При низкой температуре масло становится вязким, скорость расхождения контактов выключателя уменьшается, и условия гашения дуги затрудняются. При большой вязкости масла в момент выключения может произойти взрыв масляного выключателя. Чтобы избежать таких аварийных ситуаций, у выключателей на 110кВ при понижении температуры окружающего воздуха до -200С включается устройство подогрева масла. В масляные выключатели, устанавливаемые на открытых подстанциях в районах с суровой зимой, заливают специальное «арктическое» масло марки АТМ-65.с температурой застывания -700С. Периодически масло испытывается на пробой, чем определяется его увлажнение и наличие в масле углеродистых частиц. Существуют выключатели, в которых жидкой дугогасящей средой служат негорючие фторорганические синтетические жидкости. Пары фторорганических жидкостей имеют высокую электрическую прочность и малую вязкость. В некоторых коммутирующих аппаратах применяется жидкий элегаз – шестифтористая сера SF6 (гексафторид серы). В вакуумных выключателях гашение дуги происходит в глубоком вакууме (10-2 – 10-5Па). Вакуум обладает весьма высокой электрической прочностью. При длине промежутка 10мм разрядное напряжение превышает 200кВ, поэтому ход подвижных контактов обычно очень мал. Так, например, у вакуумных выключателей на 10кВ он составляет 8-12мм. Вследствие этого значительно уменьшаются габариты выключателя. В воздушных выключателях гашение дуги осуществляется сжатым воздухом при давлении 6-8МПа. В элегазовых выключателях гашение дуги происходит за счет дутья элегаза, электрическая прочность которого в 2,5 раза больше, чем у воздуха. Элегаз выбрасывается не в атмосферу, как у воздушных выключателей, а в замкнутый объем, заполненный элегазом при относительно небольшом давлении. 1.9. Изоляция вращающихся электрических машин Стоимость изоляции в электрических машинах составляет 50-80% стоимости всех других ее материалов. Поэтому к изоляции вращающихся машин предъявляются очень высокие требования в отношении надежности и сроков службы. Активные материалы, т.е. медь обмотки и сталь статора или якоря работают в электрических машинах при больших удельных нагрузках (плотностях токов и индукциях). Соответственно потери мощности в единице объема этих материалов получаются высокими и для эффективного отвода выделяющегося тепла требуются большие перепады температур активных частей над температурой охлаждающей среды. Поскольку тепло от меди отводится через изоляцию, то она должна обладать высокой теплопроводностью и выдерживать высокую температуру. В связи со сказанным во вращающихся машинах используют изоляцию классов B (1300С), F (1550С), и H (1800С),. В электрических машинах изоляция работает в условиях постоянной вибрации, особенно сильных на лобовых частях обмотки. Кроме того, она периодически подвергается ударным механическим воздействиям, возникающим при прохождении по обмотке больших токов при пусках и торможениях машин, а также при набросе и сбросе нагрузки. Неравномерный нагрев отдельных частей обмотки в переходных режимах также приводит к деформации изоляции. Наиболее опасные механические напряжения возникают на участках выхода обмотки из пазов. Основное требование к изоляции электрических машин - в пределах требуемого ресурса противостоять указанному выше комплексу эксплуатационных воздействий. Рис.1.15.. Разрез пазовой части обмотки вращающейся машины: 1 – элементарный проводник; 2 – изоляция проводника; 3 - витковая изоляция; 4 – изоляция катушки (корпусная изоляция); 4 – 5 – полупроводящее покрытие; 6 паз; 7 - -прокладки из миканита; 8- клин. В современных машинах, как правило, используются двухслойные обмотки, когда в одном пазу располагаются катушки двух разных секций (рис.8.15). Изоляция обмоток электрических машин подразделяется на главную (корпусную) и продольную (междувитковую и междукатушечную). Главной называется изоляция между проводниками обмотки и корпусом. Она имеет разную конструкцию на пазовых и лобовых частях. К продольной относится изоляция между витками одной катушки, т.е. междувитковая, а также изоляция между уложенными в одном пазу катушками. Следует заметить, что продольная изоляция является частью корпусной изоляции. Междувитковой изоляцией обычно служит собственная изоляция обмоточных проводов. Главная изоляция в связи с очень жесткими требованиями к электрической и механической прочности и нагревостойкости выполняется только на основе слюдяных изоляционных материалов. В них основным диэлектрическим барьером служит слюдинитовые ленты, изготовленные из слюды двух разновидностей: мусковит и флогопит (табл.1.1). Таблица 1.1. Электрические свойства слюды Виды слюды ,Ом·м при частоте 50Гц Мусковит 1012-1016 6-8 0,015 Флогопит 1011-1012 5-7 0,05 Слюда относится к высшему классу нагревостойкости С (допустимая температура более1800С). Для изоляции электрических машин слюду используют в виде клееных слюдяных изделий – миканитов, микалент или лент из слюдинитовой бумаги. Миканиты – листовые или рулонные материалы, склеенные из отдельных лепестков слюды с помощью клеящего лака или сухой смолы, иногда с применением волокнистой подложки из бумаги или ткани, которые наклеиваются с одной стороны или с обеих сторон. Подложка увеличивает прочность материала на разрыв и затрудняет отставание лепестков слюды при изгибе материала. Вследствие большого содержания слюды миканиты обладают сравнительно высокой нагревостойкостью и относятся к классу В (1300С) даже при употреблении обычных клеящих веществ и органических подложек. При использовании специальных клеящих веществ и неорганических подложек получаются материалы класса F(1550С) и H (1800С), а нагревостойкие (без содержания органических веществ) миканиты, как и чистая слюда, относятся к классу нагревостойкости С. Для пазовой изоляции применяются гибкие миканиты. Разновидностью гибкого миканита является микалента. В настоящее время из слюдяных отходов изготавливают слюдяные бумаги- слюдиниты и слюдопласты, которые во многих случаях заменяют микаленты. Микалента или слюдинитовая лента наматывается с перекрытием в несколько слоев на токоведущие части обмотки машины, пропитывается под вакуумом связующим составом и опрессовывается. Технология изготовления выбирается такой, чтобы достигались высокая прочность и монолитность изоляции в целом. Объясняется это тем, что несмотря на высокую короностойкость самой слюды частичные разряды в газовых включениях, воздействуя на связующие материалы, все же ограничивают сроки службы изоляции. Кроме того, газовые прослойки сильно снижают механическую прочность и теплопроводность изоляции. В качестве пропиточных составов в настоящее время применяется пропиточные компаунды типа КП-99ИД на основе эпоксидных и полиэфирных смол. Такой состав после полимеризации не размягчается при нагреве, а сама изоляция называется термореактивной (в отличие от компаундированной термопластичной изоляции с маслобитумными связующими). В качестве подложки используют стеклоткань. Технология изготовления слюдинитовых лент состоит из следующих стадий: пропитка бумаги, удаление летучих продуктов и армирование стеклоподложками, синтетическими бумагами и полимерными пленками. В качестве пропитывающих составов используются эпоксидные лаки. В настоящее время слюдяные ленты выпускаются двух типов: предварительно пропитанные и непропитанные. Слюдяные ленты, имеющие долю связующего вещества в пределах 35-40%, относят к классу предварительно пропитанных (ЛСМ, ЛСК), а имеющие 5-11% - к классу непропитанных (ЛСКН, ЛСКО). Из предварительно пропитанных лент изготовляют изоляцию типа Слюдотерм и Монотерм. За рубежом эта технология называется RR (resin rich). После намотки таких лент на токоведущие части осуществляется их опрессовка и отверждение под давлением при температуре 1600С. Технология с предварительно пропитанными лентами широко применяется на электромашиностроительных заводах при изготовлении крупных электрических машин, тяговых электродвигателей, а также на предприятиях, занимающихся ремонтом электродвигателей. Одним из преимуществ данной технологии является полная ремонтопригодность электрических машин. Из непропитанных лент изготовляют изоляцию типа Монолит. На изолируемые части наматывается сухая лента, затем производится вакуумно-нагнетательная пропитка горячим составом обмотки в корпусе статора или отдельно до значения 35-40%, опрессовка и полимеризация (запечка) пропиточного состава. За рубежом технология с вакуумно-нагнетательной пропиткой называется VPI (vacuum pressure impregnation), а технология пропитки изоляции в сборе с сердечником статора или якоря получила название “Global-VPI”). По сравнению с компаундированной термореактивная изоляция в нагретом состоянии имеет в 1,5-2 раза более высокую электрическую прочность, в 4-5 раз большую прочность на разрыв и в 3-4 раза меньшие диэлектрические потери. Однако она более хрупкая. При изготовлении изоляции Монолит основное связующее вводится в процессе вакуумно-нагнетательной пропитки Из-за наличия небольшого количества технологического связующего в непропитанной ленте слюдяная бумага легко повреждается при изолировочных работах. Поэтому сохранение целостности слюдяного барьера при изготовлении изоляции является важной составной частью технологии Монолит. В новых лентах Элмикапор АО «Элинар» за счет модификации технологического связующего повышена адгезионная прочность слюдяных бумаг к подложке, что позволяет снизить вероятность повреждения слюдяного барьера в процессе ее переработки. Основные показатели новой ленты находятся на уровне требований лучших зарубежных аналогов. Для ослабления сцепления секций обмотки с сердечником статора и устранения повышенных термомеханических напряжений в изоляции используют антиадгезионный слой. Это позволяет повысить срок службы изоляции Для устранения частичных разрядов в воздушных слоях между поверхностью изоляции и стенками пазов и особенно скользящих разрядов по поверхности изоляции в местах выхода обмотки из паза, где электрическое поле получается резконеоднородным, применяют полупроводящие покрытия. Для их изготовления используют полупроводящие лаки и проводящую ленту ЭЛКОНД-1 толщиной 0,085мм, предварительно пропитанную проводящим связующим. Удельное поверхностное сопротивление ленты ЭЛКОНД-1 после отверждения составляет 105Ом. В качестве примера приведем описание конструкции изоляции обмотки якоря тягового электродвигателя типа НБ-418К6 электровоза ВЛ80с.Каждая катушка обмотки состоит из четырех элементарных проводников, расположенных в пазу плашмя и выполненных из провода ПЭТВСДТ. Корпусная изоляция якорных катушек выполнена из 4-х слоев предварительно пропитанной слюдинитовой ленты ЛСЭК толщиной 0,1мм, наложенных с перекрытием в половину ширины ленты, одного слоя фторопластовой ленты толщиной 0,02мм, наложенной с перекрытием в 1/4 ширины ленты и одного слоя стеклоленты толщиной 0,1мм, наложенной встык. Обмотку три раза пропитывают в лаке ФЛ-98, в том числе один раз вакуум нагнетательным способом. В качестве пазового клина 8 (рис.8.15) используют профильный стеклопластик типа СПП-180-У толщиной 5мм. Повышенные физико-механические характеристики стеклопластика достигаются за счет комбинированной ориентации стекловолокон в продольном и поперечном направлениях. Класс нагревостойкости H. Стеклопластик нетоксичен, но при механической обработке выделяется стеклянная пыль и рабочие места должны быть оборудованы воздухоотсосами. Корпусная изоляция главных плюсов выполняется из пяти слоев микаленты ЛМК-ТТ толщиной 0,13мм и одного слоя стеклоленты ЛЭС толщиной 0,2мм, уложенных с перекрытием в половину ширины лент. На поверхности обмотки, прилегающей к остову, прикреплены предохранительные прокладки из электронита толщиной 1мм. Для повышения монолитности изоляции катушек главных и добавочных полюсов их выпекают после изолирования в специальных приспособлениях, а для повышения влагостойкости покрывают электроизоляционной эмалью ЭП-91 класса нагревостойкости F. В качестве межвитковой изоляции используется асбестовая бумага толщиной 0,3мм, уложенная в два слоя. В процессе изготовления изоляции машины ее электрическая прочность многократно проверяется повышенным напряжением промышленной частоты в течение 1 минуты. Витковая изоляция электрических машин в условиях эксплуатации испытывается повышенным напряжением возбужденной машины, равным (1,15-1,3) Uном. У машин постоянного тока нужно изолировать от корпуса не только витки обмотки, но и коллектор, Кроме того сами коллекторные пластины должны быть изолированы друг от друга. Для этих целей применяют коллекторный миканит в виде штампованных заготовок, которые прокладываются между медными пластинами коллекторов электрических машин. (междупластинная изоляция коллектора). Коллекторный миканит изготовляется из слюды флогопит, как более легко истирающейся. Коллекторный миканит из флогопита истирается щетками машины так же как и коллекторная медь. Это удешевляет эксплуатацию электрической машины, так как не требуется «продораживания» коллектора. Связующим служит глифталь или другие смолы. По сравнении. с остальными типами миканитов он имеет наименьшее содержание связующего (не более4%) и высокую плотность Это обеспечивает прочность коллектора во время работы машины. Для изоляции коллектора от вала электрической машины применяют формовочные миканиты. В заключении отметим, что в настоящее время предприятия, изготовляющие электроизоляционные материалы, разрабатывают и производят не только отдельные виды изоляционных материалов, но целый комплекс совместимых материалов, которые образуют требуемую систему электрической изоляции . 1.10. Расчет электроизоляционных конструкций из минимума среднегодовых расчетных затрат. Координация изоляции В заключении рассмотрим, какие существуют подходы к расчету электрической изоляции, учитывая, что именно электрическая изоляция электрооборудования в значительной степени и предопределяет его размеры, стойкость и безаварийность работы. Традиционный метод проектирования электрической изоляции заключается в следующем [31]. По наибольшему рабочему напряжению Uрм с учетом коэффициента запаса 3 и максимальной напряженности поля Eм определяют толщину изоляции: . (1-4) Недостатком такого подхода является то, что коэффициент запаса 3 не дает возможностей полного учета условий эксплуатации электроизоляционного материала. Внедрение новых электроизоляционных материалов и повышение требований к надежности электрооборудования ставит задачу уже на стадии проектирования проводить оценку не только капитальных затрат, но и срока службы изоляции и вероятность ее безотказной работы, т.е. проводить детальный экономический анализ или как его называют функционально - стоимостный анализ (ФСА). Рассмотрим основные положения ФСА [31,34]. Чтобы выполнять свои функции изоляция должна удовлетворять комплексу требований, главные из которых: а) относительно малые размеры и низкая стоимость; б) изоляция должна быть надежной в работе и обеспечивать заданный срок службы или экономически обоснованный срок службы. Эти требования взаимно противоречивы, поэтому приходится выбирать компромиссный вариант, исходя из минимума среднегодовых расчетных затрат СР , которые определяются по формуле: , (1-5) где: Ск – первоначальные затраты на изготовление изоляционной конструкции; СМ – затраты на монтаж, включая транспортные расходы; СЭ – среднегодовые затраты на эксплуатацию изделия; СУ – стоимость ущерба от внезапного отключения оборудования из-за повреждения изоляции; Q() – вероятность отказа;  - время до отказа оборудования. Размеры электрической изоляции (длина и толщина) определяют затраты на изоляцию. Длина изоляции (например у кабеля или изолятора) обычно задается. В этом случае основным размером, определяющим среднегодовые расчетные затраты является толщина изоляции . При увеличении толщины изоляции растут ее объем, масса и стоимость (кривая на рис.8.16). С другой стороны рост толщины изоляции сопровождается уменьшением рабочей напряженности поля, что неизбежно приведет к уменьшению вероятности пробоя Q() и к увеличению времени до отказа (кривая на рис.8.16). При этом учитывается не только длительное воздействие напряжения промышленной частоты, но и кратковременные воздействия грозовых и коммутационных (внутренних) перенапряжений. Электрическая изоляция, имеющая большую толщину, будет более надежной. Следовательно, ущерб от внезапного отключения оборудования снизится. Однако, чтобы не слишком завышать толщину изоляции с учетом этих больших перенапряжений, для снижения уровней перенапряжения применяют специальные ограничители перенапряжений Эксплуатационные расходы СЭ сравнительно мало зависят от толщины изоляции, так как профилактические осмотры и испытания нормируются ПТЭ ( кривая на рис.8.16). Потери энергии снижаются с ростом толщины , но ими можно пренебречь. С учетом вышеизложенного зависимость среднегодовых расчетных затрат СР и их отдельных составляющих от толщины изоляции будет иметь минимум ( кривая на рис.8.16). Как видно из рис.8.16 минимум среднегодовых расчетных затрат соответствует некоторой толщине О . При этой толщине обеспечивается оптимальная с экономической точки зрения надежность работы изоляции, т.е. допускается некоторая небольшая экономически оправданная вероятность повреждения изоляции или перерыв в электроснабжении неответственных потребителей. Например, среднее число перекрытий для линий электропередач допускается один раз в течение 10 лет, а на подстанциях один раз в течение 50 лет. С помощью профилактических испытаний в эксплуатации постоянно поддерживается этот принятый уровень надежности. Такой подход к выбору изоляции, когда ее прочность согласовывается с воздействующим на нее напряжениям и перенапряжениям, называют координацией изоляции.. Напомним, что при координации (согласовании) изоляции должно учитываться действие ограничителей перенапряжения.. Другими словами, весь комплекс мероприятий, обеспечивающий надежную и экономически целесообразную работу изоляции при рабочем напряжении и воздействии внутренних и грозовых перенапряжений, и называют координацией изоляции или приведением изоляции к норме. Таким образом, координация изоляции является одной из главных задач при проектирования электроустановок. Расчеты и опыты показывают, что электрические поля в изоляционных конструкциях обычно получаются неоднородными, т.е. наибольшая напряженность Емакс значительно превышает среднюю Еср . Емакс = КнЕср , где Кн – коэффициент неоднородности электрического поля. Кривая вероятности отказа определяется значением Емакс . Если электрическое поле сделать более однородным, т.е. уменьшить коэффициент Кн , то кривая вероятности отказа сместится влево и минимум среднегодовых расчетных затрат уменьшится, так как уменьшится толщина изоляции О . Процесс уменьшения неоднородности электрического поля в изоляции называется регулированием электрических полей в изоляции. Методы регулирования электрических полей в наиболее часто применяемых высоковольтных конструкциях и аппаратах рассматриваются в дисциплине «Техника высоких напряжений». ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ И ЗАЩИТА ОТ НИХ Рассмотрим защиту от перенапряжений на примере силовых трансформаторов. При нормальных условиях работы трансформатора между каждым витком его обмотки и заземленным корпусом и между любыми витками обмотки действуют синусоидальные напряжения номинальной частоты, которые не представляют опасности для изоляции трансформатора. К каждому витку обмотки приложено одинаковое вполне определенное напряжение, равное числу вольт на один виток, на которое рассчитывалась обмотка трансформатора. Однако в эксплуатации к обмоткам трансформатора могут прикладываться импульсные напряжения, значительно превосходящие нормальные рабочие напряжения. Такие напряжения называют перенапряжениями. Внешние или грозовые перенапряжения могут возникать при ударах молнии в провода или опоры ЛЭП, к которой подключен трансформатор, а также индуктироваться при ударе молнии вблизи линии. Перенапряжения атмосферного характера обычно длятся несколько десятков микросекунд, а их амплитуда может достигать десятикратного номинального напряжения трансформатора, что очень опасно для изоляции трансформатора. Коммутационные или внутренние перенапряжения возникают при коммутационных операциях (включении и выключении трансформаторов и линий и при резком изменении нагрузки), а также при перемежающихся дуговых замыканиях на землю в системах с изолированной нейтралью. Коммутационные перенапряжения имеют большую длительность по сравнению с атмосферными перенапряжениями, но значительно меньшую амплитуду. Импульсы перенапряжения обычно имеют апериодический характер и движутся вдоль линий электропередачи в виде волн со скоростью, близкой к скорости света. Они могут быть представлены гармоническими колебаниями очень высокой частоты. При импульсных перенапряжениях схему замещения трансформатора, приведенную на рис.4.5 использовать нельзя, так как при высоких частотах и больших значениях начинают сказываться емкости между витками обмоток и между обмотками трансформатора и заземленными частями обмотки (рис.10.6). В результате этого схема замещения становится более сложной. На рис.10.6 показана лишь упрощенная схема замещения при перенапряжениях. В действительности она гораздо сложнее. Отметим, что емкости С и СЗ существуют и при нормальных режимах работы, однако при частоте f=50 Гц емкостные сопротивления их настолько велики, что ими можно пренебречь. Поскольку анализ процессов, связанных с перенапряжениями, носит сложный характер, мы рассмотрим здесь только качественно простейший случай, когда трансформатор имеет одну обмотку и перенапряжение приходит к началу А обмотки при заземленном конце Х. Когда волна перенапряжения с крутым фронтом длительностью около одной микросекунды, двигаясь вдоль линии, достигнет подстанции, на которой установлен трансформатор, напряжение на его выводах, после кратковременного уменьшения до нуля, начинает быстро возрастать. Волновое сопротивление линии гораздо меньше волнового сопротивления трансформатора. Поэтому, когда волна перенапряжения переходит из линии в трансформатор, то амплитуда ее увеличивается, достигая в пределе двукратного значения. Рис.3.1. Упрощенная схема замещения обмотки трансформатора при воздействии на нее импульсных перенапряжений Поскольку фронт волны очень крутой, то индуктивное сопротивление витков обмотки трансформатора резко возрастает, и ток в начале процесса не проходит по виткам обмотки трансформатора, а проходит только по емкостным цепям обмотки. Как показано в курсе ТОЭ, после того, как волна перенапряжения достигнет обмотки трансформатора, емкости начинают заряжаться, и напряжение на выводе А обмотки трансформатора сначала кратковременно падает до нуля, а затем достигает двойного значения амплитуды волны. Рассмотрим, как напряжение распределяется вдоль обмотки трансформатора. Если рассматривать схему замещения трансформатора как однородную линию с распределенными параметрами, то напряжение вдоль обмотки трансформатора при заземленном выводе Х будет распределяться в соответствии с уравнением: . (3.1) Здесь L –длина всей обмотки; x – длина обмотки от конца до точки х, в которой определяется напряжение ; - коэффициент затухания; sinh - гиперболический синус. На рис.10.6. показаны кривые распределения напряжения вдоль обмотки трансформатора при четырех разных значениях α: 1- α=0; 2- α=0,2; 3 – α=0,5; 4 – α=5. Это распределение напряжения называют начальным. Как видно из рис.10.6, если , напряжение вдоль обмотки распределяется неравномерно. На ближайшие к выводу А витки приходится большее напряжение, а на витки, ближайшие к концу обмотки – меньшее напряжение, причем крутизна напряжения в начале обмотки с ростом α увеличивается. При α=5 все напряжение приходится на первые витки, ближайшие к началу обмотки А. У обмоток современных трансформаторов коэффициент затухания α лежит в пределах 5-15. Это значит, что при перенапряжениях в трансформаторах практически все напряжение прикладывается к первым от начала обмотки виткам или катушкам. Такое распределение напряжения является опасным для изоляции обмотки, и, если не принять специальных мер, то изоляция ближайших к началу обмотки витков будет пробиваться, что подтверждается опытом эксплуатации трансформаторов. Отметим, что и при незаземленном конце обмотки, картина неравномерного распределения напряжения вдоль обмотки качественно сохраняется. Хотя рассмотренный нами анализ был проведен лишь для качественной оценки процессов в изоляции обмоток трансформатора, однако он позволяет сформулировать основные положения правильного конструирования обмоток высоковольтных трансформаторов и выбрать меры защиты изоляции от возможных перенапряжений. На основании исследований можно сделать следующие практические выводы. Для надежной работы трансформатора необходимо во-первых, не допускать воздействия на обмотку волн с амплитудой напряжения, превышающей пределы, установленные для данного класса изоляции обмоток (внешняя защита) и во-вторых, усиливать изоляцию крайних катушек и принять меры для выравнивания начального распределения напряжения вдоль обмотки трансформатора в момент прихода волны перенапряжения (внутренняя защита). Соблюдение этих условий позволит повысить эксплуатационную надежность трансформаторов. Для выполнения первого условия трансформаторные подстанции защищают молниеотводами, а линии электропередачи - заземленными тросами, а также вентильными разрядниками (РВ) и нелинейными ограничителями перенапряжений (ОПН). Вентильный разрядник представляет собой защитный аппарат, имеющий однократный или многократный искровой промежуток ИП, соединенный последовательно с варистором - нелинейным резистором НР, выполненным из вилита – материала на основе карбида кремния, обладающего нелинейной вольт-амперной характеристикой (рис.10.7,а). Рис.3.2.Принципиальная схема защиты трансформатора с использованием вентильного разрядника (а) и согласование вольт-секундных характеристик трансформатора и вентильного разрядника (б) Вентильный разрядник подключают параллельно защищаемому объекту – трансформатору Т. Чем больше величина напряжения, прикладываемого к искровому промежутку разрядника, тем быстрее он пробивается. Эта зависимость 2, показанная на рис. 10.7,б, называется вольт-секундной характеристикой разрядника. В нормальных условиях искровой промежуток не пробит и ток через РВ не протекает. Когда же перенапряжение падающей волны uПАД достигнет значения, определяемого вольт-секундной характеристикой 2 разрядника РВ, то происходит его срабатывание, т.е. искровой промежуток ИП пробивается, соединяя линию, по которой идет перенапряжение, и защищаемую изоляцию с землей и отводя электрические заряды опасной волны перенапряжения в землю через искровой разряд. Вольт-секундная характеристика 2 вентильного разрядника РВ с учетом разброса его параметров должна лежать ниже вольт-секундной характеристики 1 защищаемой изоляции (рис.10.7,б). По опытным данным этот интервал должен быть не менее 15-20%. При выполнении этого требования появление опасных для изоляции трансформаторов перенапряжений невозможно, так как при набегании импульса перенапряжения uПАД пробой ИП происходит при напряжении uПР раньше, чем произойдет пробой изоляции защищаемого объекта. Необходимость включения в защитную цепь искрового промежутка связано с тем, что вилит обладает слабой нелинейностью. Наличие искрового промежутка значительно увеличивает напряжение срабатывания разрядника, а, следовательно, и напряжение на защищаемом объекте. Чтобы улучшить защитные характеристики разрядника и отказаться от искровых промежутков, необходимы резисторы из материала с резко нелинейной вольт-амперной характеристикой и достаточной пропускной способностью. Такие материалы позволяют, отказавшись от искровых промежутков, обеспечить глубокое ограничение перенапряжений и удешевить изоляцию защищаемого оборудования. Высоконелинейные резисторы на основе окиси цинка с применением окислов других металлов получили название оксидно-цинковых резисторов (ОЦР). Аппараты глубокого ограничения перенапряжений с высоконелинейными оксидно-цинковыми резисторами получили название ОПН – ограничители перенапряжений нелинейные. Уровень ограничения грозовых перенапряжений с помощью ОПН составляет (2,2-2,4)UФ в сетях 110 кВ и снижается до2UФ в сетях 750 кВ. Соблюдение второго условия по ограничению перенапряжений представляет большие трудности и приводит к усложнению конструкции обмоток и технологии их производства. В настоящее время масляные трансформаторы напряжением до 35 кВ включительно имеют защиту от перенапряжений в виде усиленной изоляции начальных и концевых катушек обмотки ВН, где наибольшая вероятность появления перенапряжений. Число катушек с усиленной изоляцией составляет 5-7 % от общего числа катушек обмотки. Толщину изоляции в этих катушках увеличивают в три раза. Простейшим мероприятием для выравнивания начального распределения напряжения является емкостная защита, основанная на применении разомкнутых «емкостных колец», являющихся электростатическими экранами. Эти кольца изготовляются из электрокартона с металлизированной поверхностью. Они охватывают несколько первых начальных витков обмотки и соединяются с началом обмотки. Схема замещения обмотки трансформатора с электростатическими экранами вокруг первых катушек трансформатора приведена на рис.10.8. Электростатический экран позволяет снять большое напряжение с первых витков обмотки за счет того, что он его несколько продвигает дальше от начала обмотки. Физически действие экрана можно объяснить следующим образом. Согласно законам коммутации ток через катушку и напряжение на конденсаторе не могут изменяться скачком. В первый момент времени катушка представляет собой разрыв, а незараженный конденсатор – короткое замыкание. Таким образом, конденсаторы СЗ в первый момент времени оказываются незаряженными. Ближайшие к началу обмотки незаряженные конденсаторы СЗ и обусловливают большое напряжение на первых витках обмотки. Роль емкостных колец или экранов заключается в том, что они создают конденсаторы СЭ, через которые могут заряжаться конденсаторы СЗ. Чтобы распределение напряжения вдоль обмотки было близко к линейному, емкости экранов СЭ должна быть неодинаковыми. По мере удаления от начала обмотки емкость должна уменьшаться. Для этого экран располагают так, чтобы расстояние от обмотки до экрана увеличивалось по мере удаления от ее начала. В этом случае токи через емкости СЭ и СЗ в соответствующих точках будут равны и обмотка не нагружается токами емкостей на землю. Распределение напряжения будет равномерным. Выше было показано, что при α=0, когда СЗ=0, распределение напряжения вдоль обмотки становится равномерным. Выполнить трансформатор так, чтобы его обмотки не имели емкости на землю, невозможно. Однако их можно исключить из схемы другим путем. Наличие емкостей СЭ, через которые заряжаются емкости СЗ от подведенного перенапряжения, позволяет сделать цепи СЭ -СЗ независимыми от обмотки и вынести их в качестве отдельной схемы. В этом случае для обмотки как бы соблюдается условие СЗ=0, α=0 и распределение напряжений будет равномерным. В некоторых случаях экранируют всю обмотку. Рис.3.3. Схема замещения обмотки трансформатора с электростатическими экранами вокруг первых катушек трансформатора Рассмотренные выше специальные конструкции обмоток высшего напряжения повышает импульсную прочность трансформаторов. Такие трансформаторы получили название грозоупорных или нерезонирующих. КОНТРОЛЬ ИЗОЛЯЦИИ ПО ВОЗВРАТНОМУ НАПРЯЖЕНИЮ И НАПРЯЖЕНИЮ САМОРАЗРЯДА 4.1. Контроль изоляции по кривой возвратного напряжения Опыт, в котором наблюдается возвратное напряжение, состоит в следующем. Неоднородная изоляция, которую для простоты будем считать двухслойной, заряжается в течение одной минуты при постоянном напряжении, чтобы в ней накопился заряд абсорбции (рис.6.5,а). В этом режиме высоковольтные реле Р1 и Р2 включены. Затем изоляция отключается от источника постоянного напряжения и ее электроды замыкаются накоротко на очень малый промежуток времени Δt (реле Р1 и Р2 выключены). После этого реле Р1 остается выключенным, а реле Р2 включается . Начинается процесс восстановления напряжения на изоляции. Рис.4.1.Принципиальная схема устройства для измерения возвратного напряжения и напряжения саморазряда (а). Зависимость возвратного напряжения от времени (б). За время Δt кратковременного замыкания электродов геометрическая емкость СГ полностью разряжается, а заряд абсорбции , накопленный на границе слоев, остается практически неизменным. На рис.6.5,а полярность напряжения на конденсаторах показана до замыкания электродов накоротко. В период времени Δt емкости слоев С1 и С2 включены параллельно и заряд абсорбции распределится на обе емкости и зарядит их до напряжения: . (4.1) После размыкания внешних электродов изоляции емкости С1 и С2 вновь оказываются соединенными последовательно и заряженными до одинакового напряжения U0, но разной полярности. Напряжения на слоях будут: U20 = +U0, а U10 = -U10. Поэтому в момент размыкания электродов (примем его за t = 0) напряжение на изоляции, как сумма напряжений на слоях, будет равно нулю. Однако далее емкости С1 и С2 будут разряжаться на сопротивления утечки своих слоев R1 и R2 c разной скоростью, так как постоянные времени слоев =R1C1 и =R2C2 неодинаковы. На изоляции появится напряжение uв, равное разности двух экспонент (рис.6.5,б): . (4.2) Это напряжение и называют возвратным напряжением. По величине и форме возвратного напряжения можно судить о состоянии изоляции. Пример 4.1. Корпусная изоляция якоря тягового электродвигателя представлена в виде двухслойного диэлектрика (рис.6.1,б) с параметрами: R1 = 60МОм, R2=180МОм, С1 = 0,2мкФ, С2 =0,3мкФ. Рассчитать величину возвратного напряжения на изоляции якоря, заряженного от источника постоянного напряжения U = 1000 В после отключения его от источника напряжения и кратковременного замыкания электродов. Чему будет равно возвратное напряжение через 30 секунд после начала процесса восстановления напряжения? Решение: Постоянные времени слоев: Заряд абсорбции или внутренний поглощенный заряд равен: . Напряжение на конденсаторах С1 и С2 при кратковременном замыкании электродов изоляции накоротко: Возвратное напряжение будет изменяться по закону (6-37) Кривая, построенная по уравнению (6-37) приведена на рис.6.6. Возвратное напряжение через 30 секунд после начала процесса восстановления напряжения будет равно: Рис.4.2 Зависимость возвратного напряжения от времени для примера 4.1. Рис.4.3 Зависимость напряжения саморазряда от времени при длительном (uC) и кратковременном (uC' ) заряде изоляции для примера 4.1.. 4.2. Контроль изоляции по кривой напряжения саморазряда После отключения изоляции от источника постоянного напряжения U (реле Р1 и Р2 на рис.6.5,а выключены) заряженные емкости слоев С1 и С2 неоднородной изоляции будут разряжаться на сопротивления утечки своих слоев R1 и R2, т.е. будет происходить постепенный саморазряд изоляции. Напряжение саморазряда на изоляции будет равно сумме напряжений на отдельных слоях изоляции, т.е. будет равно сумме экспонент: . (4.3) Если изоляция заряжалась в течение длительного времени, то напряжения на слоях в начальный момент времени будут прямо пропорциональны величинам активных сопротивлений слоев: ; . (4.4) Следовательно: . (4.5) Если же изоляция разряжается после кратковременного подключения к источнику постоянного напряжения, то процесс саморазряда в этом случае будет описываться уравнением: (4.6) Здесь: ; . (4.7) Следовательно: . (4.8) Отметим, что разность двух напряжений саморазряда uc и дает значение возвратного напряжения. Действительно: (4.9) Здесь: . Пример 4.1. Определить напряжение саморазряда изоляции якоря тягового электродвигателя с параметрами, данными в примере 6.3 для двух случаев: длительного и кратковременного заряда изоляции от источника напряжения 1000В. По двум напряжениям саморазряда определить возвратное напряжение. По двум напряжениям саморазряда определить возвратное напряжение. Решение При длительном заряде изоляции напряжения на слоях будут равны: Напряжение саморазряда: (6-45) При кратковременном заряде изоляции напряжения на двух слоях будут равны: . Напряжение саморазряда (6-46) На рис.6.7 приведены зависимости uc и uc| , рассчитанные по формулам (6-45) и (6-46). Возвратное напряжение получается как разность этих напряжений (на рис.6.7 – это заштрихованная область): . Выражение для возвратного напряжения совпадает с полученным ранее в примере 4.1. ПРОФИЛАКТИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ, ДИАГНОСТИКА И ИСПЫТАНИЯ ИЗОЛЯЦИИ 5.1Система эксплуатационного контроля изоляции Электрические установки могут нормально работать лишь с исправной изоляцией. В процессе эксплуатации, как уже указывалось в главе 7, из-за увлажнения, перегрева, динамических нагрузок и перенапряжений происходит общее старение изоляции, т.е. ухудшение ее физико-химических характеристик. В изоляции возникают распределенные и местные (сосредоточенные) дефекты, которые в конечном итоге приводят к пробою изоляции. Чтобы своевременно выявлять развивающиеся дефекты и не допускать внезапных пробоев электрической изоляции, свойства ее в процессе эксплуатации периодически проверяют. Для этого производят периодический контроль и испытания изоляции, а в случае необходимости и ее ремонт. Такие мероприятия обеспечивают поддержание необходимой степени надежности электрооборудования в процессе его эксплуатации. К одной группе профилактических методов контроля относятся так называемые неразрушающие испытания, при которых используются малые напряжения и различные косвенные способы оценки характеристик изоляции (измерение сопротивления изоляции, тангенса угла диэлектрических потерь, емкости и других параметров). Контроль параметров изоляции этими методами производится при малых напряжениях, которые не причиняют вреда электрооборудованию и не могут его разрушить. Поэтому их и называют неразрушающими методами контроля. Вторую группу составляют испытания с использованием напряжения, повышенного по сравнению с рабочим и вызывающего ускоренное разрушение изоляции в дефектном месте. Поэтому их часто называют разрушающими. Существенным недостатком таких испытаний является то, что приложение повышенного напряжения не исключает появления дефекта, которого не было до испытания. Итак, основной задачей профилактических испытаний является выявление развивающихся дефектов с тем, чтобы своевременно заменить электрооборудование с дефектной изоляцией. Периодичность и нормы испытаний устанавливаются стандартами и ведомственными инструкциями для каждого вида оборудования. При такой системе обслуживания контроль и ремонт оборудования производят по времени наработки. Наработкой может быть время, количество преобразованной электроэнергии или пробег для электрооборудования локомотивов. Как показывает практика, такая система технического обслуживания не является оптимальной. Большие резервы повышения эффективности заложены в системе обслуживания по реальной потребности или по реальному техническому состоянию. Переход к такой системе невозможен без использования надежных методов выявления дефектов и оценки технического состояния изоляции. Эти вопросы решает техническая диагностика. При неразрушающих испытаниях для оценки качества изоляции большое значение имеет изменение ее характеристик во времени. Поэтому с повышением частоты контроля увеличивается вероятность своевременного выявления дефектов. Ниже приводится описание основных методов профилактического контроля и испытаний электрической изоляции. 5.2. Методы контроля изоляции с использованием явления абсорбции Эти методы базируются на двух основных явлениях, которые возникают в диэлектриках под действием электрического поля: электропроводности и электрической поляризации. Электропроводность связана с наличием примесей в диэлектрике, а поляризация – с ориентацией связанных зарядов в диэлектрике и накоплением зарядов на границе раздела диэлектриков в неоднородной изоляции. Эти явления были подробно рассмотрены ранее и здесь мы остановимся только на применении этих методов. Электропроводность технических диэлектриков и изоляционных конструкций носит, как правило, примесный характер. Чем больше в изоляции загрязняющих примесей, тем выше ее электропроводность и ниже электрическая прочность. Поэтому проводимость, или обратная ей величина – сопротивление утечки Rу, изоляции могут служить косвенными показателями степени загрязнения изоляции и, следовательно, общего состояния изоляции. При подключении диэлектриков к постоянному напряжению, кроме постоянного тока утечки наблюдается в течение непродолжительного времени так называемый ток абсорбции, спадающий со временем до нуля по экспоненциальному закону. После окончания переходного процесса в схеме будет протекать лишь сквозной ток проводимости Iу. В процессе старения ток абсорбции уменьшается. Следовательно, по току абсорбции можно судить о состоянии изоляции и степени ее старения. Поскольку ток i через изоляцию с момента подачи на нее постоянного напряжения со временем уменьшается, стремясь к установившемуся значению Iу, то величина сопротивления R с течением времени возрастает, стремясь к установившемуся значению .В зависимости от соотношения Iу и Iабм процесс увеличения R будет происходить по-разному (рис.6.3). При кривая имеет точку перегиба. Состояние изоляции оценивают с помощью абсолютного значения сопротивления изоляции, а также с помощью коэффициента абсорбции Kaб, который равен отношению токов, измеренных через 15с и 60с с момента приложения напряжения Сопротивление изоляции есть величина обратная току утечки, поэтому коэффициент абсорбции определяют также как отношение одноминутного значения сопротивления изоляции R60 к пятнадцатисекундному значению R15: Правила технической эксплуатации нормируют значение коэффициента абсорбции Kаб для крупных электрических машин. Изоляция считается сухой, если Kaб >1,3 при температуре 10˚-20˚С. Если Kaб<1,3, то изоляция увлажненная, и ее необходимо сушить. Измерение сопротивления изоляции R60 и R15 входит в программу обследования трансформаторов РАО «ЕЭС России». В соответствии с «Объемом и нормами испытания электрооборудования» [25] абсолютное значение сопротивления изоляции трансформаторов напряжением свыше 35 кВ должно быть не менее 50% значения исходных (заводских) величин. В процессе эксплуатации происходит старение электрической изоляции, и коэффициент абсорбции снижается. На рис.9.1 показаны плотности распределения коэффициента абсорбции Каб для тяговых электродвигателей типа НБ-406, снятые на Московском электромеханическом ремонтном заводе для трех случаев: 1 – до ремонта; 2 – после среднего ремонта; 3 – после капитального ремонта. По приведенному рис.5.1 можно с уверенностью 99% утверждать, что, если Каб ≥ 2,6, то этот двигатель прошел или капитальный или средний ремонт. Если же Каб ≤ 1,4, то с вероятностью 90% можно утверждать, что он нуждается в ремонте. Плотности распределения одноминутного значения сопротивления изоляции R60 для тех же самых случаев: мало различимы. Коэффициент абсорбции дает объективную оценку состояния изоляции, т.к. учитывает заряд абсорбции. Однако контроль заряда абсорбции по току абсорбции неудобен тем, что ток абсорбции мал и промышленные помехи сильно искажают его. Поэтому удобнее пользоваться другими методами обнаружения явления абсорбции. Так, например, на практике можно применить метод измерения возвратного напряжения и напряжения саморазряда. Эти методы были описаны в §§6.4 - 6.5. Опыт, в котором наблюдается возвратное напряжение, состоит в следующем (рис.6.5). Неоднородная изоляция заряжается в течение одной минуты при постоянном напряжении, чтобы в ней накопился заряд абсорбции. Затем изоляция отключается от источника постоянного напряжения и ее электроды замыкаются накоротко на очень малый промежуток времени Δt, после чего вновь размыкаются. За время Δt геометрическая емкость СГ полностью разряжается, а заряд абсорбции, накопленный на границе слоев, остается практически неизменным. Этот заряд распределится на обе емкости и зарядит их до одинакового напряжения . После размыкания внешних электродов изоляции емкости С1 и С2 вновь оказываются соединенными последовательно. Емкости С1 и С2 будут разряжаться на сопротивления утечки своих слоев R1 и R2 c разной скоростью, т.к. постоянные времени слоев R1C1 и R2C2 неодинаковы. На изоляции появится напряжение uв, равное разности двух экспонент (рис.6.5): . Это напряжение и называют возвратным напряжением. По величине и форме возвратного напряжения можно судить о состоянии изоляции. Как показали исследования, наиболее информативным является возвратное напряжение, измеренное на 30-й секунде после начала измерения, которое обозначают uв30. На рис.9.2 приведены дифференциальные функции распределения uв30. тяговых электродвигателей типа НБ-406 для трех случаев: до ремонта, после среднего ремонта и после капитального ремонта. Три максимума в кривой плотности распределения uв30 до ремонта относятся к разным пробегам. Согласно Правилам ремонта электрических машин электроподвижного состава тяговые электродвигатели поступают в ремонт с пробегами кратными 350тыс.км. (350, 700, 1050 и 1400 тыс.км.). Двигатели с пробегами 350, 700 и 1050 тыс. км. проходят средний ремонт с пропиткой якорей и полюсных катушек, а двигатели с пробегом 1400 тыс. км. проходят капитальный ремонт с полной заменой обмотки. Хотя согласно Правилам пробег между ремонтами составляет 350 тыс. км, в действительности же двигатели поступают в ремонт как с пробегом меньше 350тыс.км. так и с перепробегами. Реальные пробеги поступающих в ремонт ТЭД лежат в довольно широких интервалах (±20%). Примем первый интервал пробегов равным 350-700 тыс.км. (середина интервала 525 тыс.км.), второй интервал 700-1050 тыс.км. (середина интервала 875 тыс.км.) и третий интервал 1050-1400 тыс. км. (середина интервала 1225 тыс.км.). Три максимума в кривой плотности распределения Uв30 до ремонта при напряжениях 155, 95, и 20 В относятся к разным пробегам и соответствуют средним значениям интервалов 525, 875 и 1225 тыс. км. Два явных максимума в кривой плотности распределения Uв30 после среднего ремонта также относятся к двум средним значениям интервалов пробегов, после которых выполняется средний ремонт. Один максимум соответствует отремонтированным двигателям со средним пробегом 525 тыс.км. и наблюдается при напряжении Uв30 =215 В, а второй максимум соответствует отремонтированным двигателям со средним пробегом 875 тыс.км. и наблюдается при напряжении Uв30 =155 В. Кривая распределения Uв30 после капитального ремонта имеет закон, близкий к нормальному, и небольшую дисперсию. Максимум плотности распределения соответствует возвратному напряжению Uв30 =220 В. Полученные кривые дают возможность построить зависимость возвратного напряжения от пробега P и вида ремонта (рис.9.3). Из рис. 9.3 видно, что с увеличением пробега P изоляция стареет и возвратное напряжение снижается. Средний ремонт восстанавливает свойства изоляции и повышает возвратное напряжение примерно на 60 В. После средних ремонтов выполняется капитальный ремонт, который полностью восстанавливает качество изоляции. На рис.9.3 видно, что у двигателей, имеющих средний пробег 1225 тыс. км. среднестатистическое возвратное напряжение Uв30 составляет 20 В, что говорит о большой изношенности изоляции. Свойства такой изоляции нельзя восстановить средним ремонтом, и требуется полная замена обмотки. Рис. 5.3. Зависимость возвратного напряжения от пробега и вида ремонта. Вместе с тем, если у двигателя с таким пробегом возвратное напряжение оказывается значительно больше 20 В, то это значит, что изоляция имеет еще значительный запас до полного износа. В качестве решающего правила используется значение возвратного напряжения, равное 80 В. Свойства такой изоляции можно восстановить средним ремонтом, т.е. пропиткой изоляции и ее сушкой, что позволяет экономить дефицитные обмоточные и изоляционные материалы, удешевляет ремонт и продляет срок службы ТЭД до следующего ремонта. Итак, о старении изоляции без ее разрушения, как показали исследования, можно судить по характеру процессов поляризации, а именно по величине возвратного напряжения, как ни по одному другому параметру. Это доказывается следующими положениями. С увеличением пробега изоляция изнашивается, ее электрическая прочность снижается. С ростом пробега уменьшается и возвратное напряжение, которое может характеризовать состояние изоляции даже лучше чем пробивное напряжение. Дело в том, что пробивное напряжение характеризует лишь кратковременную прочность изоляции и в ряде случаев она может быть достаточно высокой. Однако электрическая прочность при длительном воздействии напряжения оказывается недостаточной из-за ухудшившихся электрических характеристик изоляции. В частности, в процессе старения изоляции увеличиваются диэлектрические потери, которые могут привести к тепловому пробою изоляции при длительном приложении напряжения. Для каждого вида изоляции существует свой внутренний ресурс, который характеризуется способностью изоляции в течение определенного времени выдерживать приложенное напряжение и противостоять разрушающему воздействию процессов, протекающих при этом напряжении. Внутренний ресурс определяется количеством вещества, которое должно быть разрушено для того, чтобы привести к резкому снижению электрических параметров, переходящему затем в один из видов пробоя. Внутренний ресурс у каждого вида новой изоляции есть величина постоянная, и естественно он постепенно уменьшается с ростом пробега. Уменьшается и возвратное напряжение. Следовательно, величина возвратного напряжения в настоящее время лучше, чем какой-либо другой параметр характеризует изношенность изоляции. Если после отключения изоляции от источника постоянного напряжения U она не разряжается на землю, и заряженные емкости слоев С1 и С2 (рис.6.5) неоднородной изоляции будут разряжаться только на сопротивления утечки своих слоев R1 и R2, то этот процесс называют саморазрядом изоляции. Напряжение на изоляции будет равно сумме напряжений на отдельных слоях изоляции, т.е. будет равно сумме экспонент (формула 6-38): . Измерение напряжения саморазряда позволяет рассчитать некоторые параметры изоляции, которые существенно различаются в зависимости от степени старения изоляции. Например, по напряжению саморазряда можно рассчитать две постоянные времени: и , а также коэффициент абсорбции Каб, постоянную времени заряда изоляции τ, а также заряд абсорбции на границе раздела двух диэлектриков неоднородной изоляции QГР. Для определения указанных параметров используются формулы (6-9а) и (6-31): На рис.9.4 приведена зависимость постоянной времени τ и заряда на границе раздела QГР для тяговых электродвигателей типа ДК-117 вагонов метрополитена от пробега. Эти зависимости получены в результате статистической обработки большого массива экспериментальных данных, полученных в Нижегородском метрополитене. Приведенные зависимости также можно использовать для целей диагностики. Значение постоянных времени для изоляции ТЭД с пробегами 500,1000 и 1500 тыс. км. составили соответственно:32,58; 28,68 и 24, 52 с, т.е. с ростом пробега постоянная времени уменьшается. Заряд QГР составил для ТЭД с пробегом 500, 1000 и 1500 тыс.км. соответственно 13,9; 10,3 и 8,45∙10-6 Кл. На рис.9.5 приведена зависимость заряда QГР от пробега. Полученную зависимость можно экстраполировать показательной функцией: , (5-1) где Р – пробег ТЭД в тыс. км (рис.5.5). Качество q изоляции ТЭД с пробегом Р можно оценивать отношением [35]: (5-2) В табл.3 приведены рассчитанные значения качества изоляции для пробегов от 500 тыс. км. до 3000 тыс.км. Качество изоляции для ТЭД с пробегами 500, 1000 и 1500 тыс. км. составляет 0,76: 0,58: и 0,44. Таблица 9.1. Пробег тыс. км. 500 1000 1500 2000 2500 3000 Заряд 10-6 Кл 14,2 10,8 8,1 6,2 4,7 3,5 Качество изоляции - 0,76 0,58 0,44 0,33 0,25 0,19 Прогнозирование показало, что ТЭД с зарядом меньшем чем 3,5∙10-6 Кл имеют большой износ изоляции и непригодны для дальнейшей эксплуатации. ТЭД с пробегом 3000 тыс. км. , имеющие заряд более 4,7∙10-6 Кл могут эксплуатироваться до очередного текущего ремонта. Доля таких двигателей, имеющих пробег 3000 тыс. км. составит по предварительным прогнозам примерно 11%., т. е. каждый девятый ТЭД может после выработанного ресурса 3000 тыс. км. пройти еще 500 тыс. км., если применять прибор для объективной оценки состояния изоляции по величине заряда на границе раздела двух сред. Таким образом, применение рассмотренного метода оценки состояния корпусной изоляции позволит перейти от системы ремонта по пробегу к системе ремонта по реальному техническому состоянию. Такой переход обеспечит повышение эксплуатационной надежности тяговых двигателей и снижение эксплуатационных расходов за счет экономии дефицитных обмоточных и изоляционных материалов. Рис.\5.5 Зависимость заряда на границе раздела двух диэлектриков для ТЭД ДК-117 от пробега Р. Для измерения рассмотренных выше параметров: сопротивления изоляции, кривой саморазряда и возвратного напряжения в Нижегородском филиале РГОТУПС разработано устройство, защищенное авторским свидетельством. Принципиальная схема устройства приведена на рис.9.6. Устройство включает в себя: высоковольтный стабилизированный источник питания ВИП с выходным напряжением 1000 В, измеритель тока И1, измеритель напряжения И2 и два высоковольтных реле Р1 и Р2, управляемых микропроцессорным контроллером. Схема замещения неоднородной изоляции тягового двигателя представлена в виде двух конденсаторов С1 иС2, зашунтированных резисторами R1 и R2. Устройство работает следующим образом. Сначала оба реле Р1 и Р2 обесточены и объект измерения разряжается на землю в течение одной минуты. Затем включаются оба реле и в течение одной минуты объект испытания заряжается от высоковольтного источника питания. Во время заряда измерителем И1 измеряется ток утечки, а измерителем И2 напряжение на изоляции. Далее автоматически рассчитывается сопротивление изоляции и коэффициент абсорбции. Если требуется измерить напряжение саморазряда, то после заряда изоляции реле Р1 отключается, а реле Р2 остается включенным. Измеритель напряжения И2 в течение одной минуты измеряет напряжение саморазряда. Чтобы измерить возвратное напряжение, предварительно заряженную изоляцию кратковременно (в течение 5 секунд) разряжают на землю (оба реле выключены). Затем реле Р2 включается, а реле Р1 остается выключенным и возвратное напряжение измеряется измерителем И2.напряжение 5.3. Контроль изоляции по емкостным характеристикам Существует несколько методов проверки качества изоляции по емкостным характеристикам. Метод "емкость – температура" основывается на измерении емкости при увеличении температуры. Опытным путем установлено, что если при повышении температуры на 50˚С емкость увеличивается не более чем на 30%, то изоляцию можно считать нормальной, в противном случае – увлажненной. Критерий неувлажненности изоляции выражается так: (5-3) где: Сгор – емкость изоляции при температуре 70˚С; Схол – емкость изоляции при температуре 20˚С. Емкость в этом методе измеряют мостом Шеринга. Метод "емкость – частота" основывается на измерении емкости при различных частотах. Известно, что вода, являясь полярным диэлектриком, обладает большим значением относительной диэлектрической проницаемости (ε = 80). Поэтому при малых частотах, когда диполи частиц влаги успевают ориентироваться вдоль линий переменного электрического поля, они увеличивают емкость изоляции. Однако при увеличении частоты, когда диполи не успевают ориентироваться с частотой приложенного напряжения, величина емкости резко уменьшается, т.е. механизм дипольной поляризации как бы выключается. Зависимость емкости от частоты для дипольного диэлектрика приведена на рис. 6.4. При методе "емкость – частота" емкость изоляции измеряют на частотах 2 и 50 Гц и определяют отношение С2/С50, которое служит показателем качества изоляции. Опытным путем установлено, что отношение С2/С50 для неувлажненной изоляции трансформаторов близко к единице. Измерения на реальных трансформаторах показали, что при значении С2/С50 меньшем 1,05 систему изоляции можно считать неувлажненной. Чем больше увлажнение изоляции, тем больше становится и отношение С2/С50 . В действующей в настоящее время инструкции по эксплуатации трансформаторов включение трансформаторов без сушки после капитального ремонта допускается при следующих значениях отношения емкостей С2/С50, измеренных на частотах 2 и 50 Гц (табл.5.2) [22]: Таблица 5.2. Допустимые значения отношения емкостей С2/С50 для возможности включение трансформаторов без сушки после капитального ремонта 1,2Температура при измерении, оС 10 20 30 40 50 60 70 Трансформаторы до 35кВ включительно 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 Трансформаторы 110-150кВ 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 Для измерения емкостей С2 и С50 используют прибор, получивший название прибора контроля влажности (ПКВ). Принципиальная схема его в упрощенном виде приведена на рис. 9.7. 9.7. Упрощенная схема прибора для контроля влажности. Переключатель П периодически подключает испытуемую изоляцию СХ к источнику постоянного напряжения Uо (в положении 1 емкость СХ заряжается), а затем к измерителю И с малым входным сопротивлением (в положении 2 емкость СХ разряжается). Среднее количество заряда, переносимого через измеритель И в единицу времени, или средний ток i измерителя И пропорционален емкости СХ. Система управления переключателем П обеспечивает два режима работы: с частотой 2 Гц и 50 Гц. В методе "емкость – время" измеряют емкости СГ (геометрическую) и ΔC (емкость, отражающую процесс накопления заряда абсорбции в неоднородной изоляции). Критерием качества изоляции является отношение ΔС/СГ. Опытным путем установлено, что для нормальной изоляции отношение ΔС/СГ не превышает 0,1, а для увлажненной изоляции отношение ΔС/СГ > 0,1. Принципиальная схема прибора для измерения емкостей СХ и ΔС показана на рис.9.8. Испытуемая изоляция СХ сначала заряжается в течение одной минуты от источника стабилизированного напряжения Uо. Затем переключатель П1 на короткое время (5-10 мс) подключает емкость СХ к эталонному конденсатору СЭ. За это время конденсатору СЭ успевает передать заряд только геометрическая емкость СГ. Емкость конденсатора СЭ выбирается такой, чтобы СЭ >> CГ, поэтому напряжение на нем UЭ” оказывается практически пропорциональным СГ. Действительно: . (5.4) Отсюда геометрическая емкость определится . (5.5) Напряжение UЭ на конденсаторе СЭ измеряется с помощью измерителя И с большим входным сопротивлением. 5.8.Принципиальная схема прибора для измерения Сх и ΔС. Для измерения емкости ΔС испытуемая изоляция повторно заряжается. После этого она отключается от источника напряжения и на короткое время (5-10 мс) замыкается ключом П2 "накоротко", чтобы разрядить только СГ. Затем переключателем П1 емкость СХ соединяется на время 1 сек с эталонным конденсатором СЭ. После отключения переключателя П1 заряд на эталонном конденсаторе СЭ, а следовательно и напряжение на нем получается пропорциональным ΔС. По результатам двух измерений определяют отношение ΔС/СГ. 5.4. Контроль изоляции по величине тангенса угла диэлектрических потерь Схема замещения изоляции на переменном напряжении может быть представлена как параллельное соединение конденсаторов СХ и резистора RХ (рис. 4.1а) независимо от того, является ли изоляция однослойной, двухслойной или многослойной, т.к. явление накопления зарядов на границе раздела двух слоев на переменном напряжении отсутствует. В сопротивлении RХ происходит рассеивание энергии. Отношение активной проводимости к емкостной проводимости называется тангенсом угла диэлектрических потерь и обозначается . Таким образом, для параллельной схемы замещения выразится (рис.4.1,а): (5-6) Из формулы (-9.6) следует, что не зависит от размеров изоляции и является косвенным показателем состояния изоляции. Диэлектрические потери пропорциональны и выражаются формулой (4-1). Измерение при частоте 50 Гц является одним из наиболее распространенных методов контроля изоляции электрооборудования высокого напряжения, поскольку распределенные дефекты (увлажнение, ионизация газовых включений) вызывают увеличение диэлектрических потерь. Измерение значения дает представление о качестве изоляции, а характер изменения при периодических измерениях позволяет судить об ухудшении свойств изоляции. Оценка состояния изоляции по значениям предусматривается Правилами устройства электроустановок (ПУЭ) почти для всех видов изоляции. В некоторых случаях снимают зависимость от приложенного напряжения. У изоляции нормального качества значение при напряжениях до 1,5Uраб в большинстве случаев остается практически неизменным (кривая 1 на рис.9.9). Если же при повышении напряжения начинает быстро возрастать (кривая 2 на рис.9.9), то это свидетельствует об ионизации и возникновении частичных разрядов (ЧР) в газовых включениях. За счет ЧР возрастает рассеяние дополнительной энергии, что и вызывает резкий рост . Зависимость = f(U) получила название "кривой ионизации". По ней можно ориентировочно определить напряжение UЧР появления ЧР. Оно определится как напряжение, при котором начинается рост . Величину изоляции измеряют с помощью моста переменного тока Р5026 или Р5026М (моста Шеринга), принципиальная схема которого приведена на рис.9.10. Плечами моста переменного тока являются: СХ, RХ - емкость и сопротивление утечки испытуемой изоляции; СN - эталонный конденсатор с малыми потерями; R3 - регулируемый образцовый резистор; R4 и С4 - нерегулируемый образцовый резистор и регулируемый образцовый конденсатор. К одной из диагоналей моста подводится переменное напряжение (до 10 кВ). В другую диагональ включен гальванометр Г, служащий индикатором моста. Защитные разрядники Р предохраняют измерительные плечи моста в случае пробоя испытуемой изоляции. Для уменьшения ошибок измерения вследствие наводок от внешних полей мост экранируется. Изменяя величину сопротивления резистора R3 и емкости конденсатора С4, добиваются равновесия моста, при котором индикатор Г не отклоняется от нулевого значения. Как известно, условием равновесия моста переменного тока является равенство произведений полных сопротивлений (или полных проводимостей) противоположных плеч моста, т.е.: (5-7) или (5-8) Подставим в формулу (9-8) значения проводимостей каждого плеча: и перемножим выражения в скобках: (5-9) Приравнивания действительные и мнимые части равенства (9-9), получим два условия равновесия моста (по амплитуде и фазе): или (510) или (5-11) Учитывая, что , из уравнения (9-10) получим: . (5-12) Пренебрегая членом , в уравнении (9-11) найдем выражение для : . (5-13) Обычно берется равным Ом. Тогда , если берется в Фарадах, или , если берется в микрофарадах. Схема измерения , показанная на рис 5.10, называется “нормальной” схемой. Она может быть использована лишь в том случае, если оба электрода испытуемого объекта изолированы от "земли". Однако в условиях эксплуатации часто один из электродов испытуемой изоляции "наглухо" заземлен и “нормальная” схема не может быть использована. В таких случаях измерение производят по так называемой "перевернутой" схеме, которая отличается от основной тем, что высокое напряжение подается в точку соединения резисторов R3 и R4, а заземляются точки соединения СХ и СN. В "перевернутой" схеме оба измерительных плеча и индикатор Г оказываются под высоким потенциалом. Чтобы обеспечить безопасные условия работы с мостом, ручки регулируемых элементов моста (R3, C4 и Г) выполняются на двойное номинальное напряжение моста. В качестве источника высокого напряжения обычно применяют измерительный трансформатор напряжения НОМ-10. В условиях эксплуатации обеспечить хорошую экранировку испытываемой конструкции практически невозможно. Поэтому для уменьшения ошибки, обусловленной внешними влияниями, производят два измерения с изменением фазы испытательного напряжения на 180˚, а величину определяют, как средневзвешенное двух измерений, т.е. , (5-14) где: СХ1 и СХ2 – емкости изоляции по результатам первого и второго измерений. Измерения с изменением фазы испытательного напряжения на 180˚ дают ошибки с разными знаками, которые при усреднении результатов измерений отчасти компенсируются. Измерение тангенса угла диэлектрических потерь обмоток трансформаторов производится между каждой обмоткой и корпусом при заземленных свободных обмотках. Измерения на трансформаторах, залитых маслом, допускается производить при напряжении, не превышающем 60% заводского испытательного напряжения измеряемой обмотки, но не выше 10 кВ. Наибольшие допустимые значения в процентах, устанавливаемые ПУЭ [29] для обмоток трансформаторов приведены в таблице 9.3. Таблица 5.3. Наибольшее допустимое значение в процентах для обмоток трансформаторов. Трансформаторы Температура обмотки, ˚С 10 20 30 40 50 60 70 35кВ мощностью более10000 кВА и 110 кВ всех мощностей 1,8 2,5 3,5 5,0 7,0 10,0 14,0 220кВ всех мощностей 1,0 1,3 1,6 2,0 2,5 3,2 4,0 Примечание. Значения , указанные в таблице, относятся ко всем обмоткам данного трансформатора. Правила регламентируют также значения для изоляции высоковольтных вводов трансформаторов и трансформаторного масла [29]. Следует отметить, что величина , , измеренная на промышленной частоте, зависит не только от свойств изоляции, но и от свойств масла, залитого в трансформатор и соотношения объемов масла и твердой изоляции. Это делает критерии отбраковки изоляции по “размытыми”,оценку состояния приближенной и приводит к тому, что во многих случаях диагноз приходится ставить на основании сравнения результатов измерений с предыдущими данными. Так например, в российских энергосистемах в соответствии с рекомендациями «Объема и норм испытания электрооборудования» [25] браковочным критерием по для трансформаторов напряжением 110кВ и выше является превышение его значения на 50% по сравнению с заводскими данными. Однако, если при температуре 20оС не превышает 1%, его сравнение с исходными данными не требуется. В практике энергокомпаний США для силовых трансформаторов удовлетворительным считается до 1%, если =1-2%, то состояние изоляции вызывает сомнения. Если же значение >2%, то состояние изоляции плохое. Во всех случаях значения приведены к температуре 20оС. В заключении следует сказать, что даже приближенная оценка состояния изоляции трансформатора по величине имеет очень большое значение и измерения широко распространены во всем мире. Приборы для измерения продолжают совершенствоваться. В качестве иллюстрации можно привести выпуск малогабаритного переносного прибора типа ИТП-1М для измерения объектов с малой емкостью, например линейных изоляторов. К изолятору прикладывается пилообразное напряжение с амплитудой 1500В. Действующее значение напряжения 750В. Прибор работает от сети и от встроенных химических источников тока. ВЫСОКОВОЛЬТНЫЕ ИСПЫТАТЕЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ 6.1. Назначение испытательных установок Чтобы электроустановки работали надежно, качество их изоляции периодически испытывают высоким напряжением. Если изоляция нормального качества, она выдерживает испытание, если же дефектная – пробивается. При профилактических испытаниях для определения способности изоляции выдерживать внутренние перенапряжения используют как переменное напряжение промышленной частоты, так и постоянное испытательное напряжение. Последнее имеет ряд преимуществ перед переменным напряжением. Во-первых, отсутствует опасность появления мощных ЧР, поэтому испытательное напряжение может быть увеличено для лучшего выявления дефектов. Во-вторых, во время испытания можно измерять ток утечки и тем самым получать дополнительную информацию. В третьих, для испытания постоянным напряжением могут быть использованы компактные испытательные установки относительно небольшой мощности, рассчитанные лишь на малые токи утечки. В случае же переменного напряжения требуется значительная реактивная мощность из-за больших емкостных токов через испытуемую изоляцию. Недостаток постоянного испытательного напряжения состоит в том, что оно распределяется по толщине изоляции согласно удельным сопротивлениям, а не обратно пропорционально диэлектрическим проницаемостям изоляционных материалов, как при рабочем напряжении или при перенапряжениях. Поэтому отношения испытательных напряженностей к рабочим в отдельных диэлектриках получаются существенно разными. Для проверки способности изоляции выдерживать грозовые и внутренние коммутационные перенапряжения используют генераторы импульсных напряжений и токов. Параметры испытательных напряжений устанавливаются такими, чтобы они были эквивалентны по воздействию соответствующим перенапряжениям. Методика испытаний и определения величины испытательных напряжений были рассмотрены в главе 9. Ниже приведены схемы испытательных установок, позволяющие получить требуемые испытательные напряжения. 6.2. Установки высокого переменного напряжения промышленной частоты для испытания изоляции Установки высокого напряжения промышленной частоты предназначены для испытания изоляции электрооборудования с целью координации ее электрической прочности со значениями воздействующих на нее внутренних перенапряжений. Возможные внутренние перенапряжения (например, при коротких замыканиях на землю или между фазами) близки к двойному номинальному значению. В соответствии с этим и определяется величина испытательного напряжения. Главными элементами испытательных установок высокого напряжения промышленной частоты являются (рис.10.1): высоковольтный испытательный трансформатор Т, устройство для регулирования первичного напряжения РН, устройство для измерения высокого напряжения ДН, аппаратура для защиты от пробоев и средства техники безопасности. Высоковольтные испытательные трансформаторы являются основным элементом оборудования любого испытательного стенда, станции или лаборатории. Специфические условия работы обуславливают некоторые конструктивные особенности этих трансформаторов. Особенностью испытательных трансформаторов по сравнению с силовыми являются более высокий коэффициент трансформации, малая мощность и ограниченное время включения. Вследствие этого они в большинстве случаев имеют меньший запас электрической прочности. Изоляция испытательных трансформаторов испытывается напряжением (1,1 – 1,2)Uном , в то время как для силовых трансформаторов оно выше номинального более чем в 2 раза. Это позволяет выполнить испытательные трансформаторы более компактными. Получили распространение испытательные трансформаторы трех типов: 1. В изолирующем бакелитовом корпусе с двумя фланцами-электродами, например, ТВО-140-50 (рис.10.2). 2. В металлическом корпусе с одним вводом, например, ИОМ-100 и ИОМ-500 (рис.10.3,а). 3. В металлическом корпусе с двумя вводами (рис.10.3,б). Трансформаторы с одним вводом, как правило, имеют одну многослойную цилиндрическую обмотку высокого напряжения. Изоляционные цилиндры разной длины расположены на магнитопроводе ступенями и на каждом цилиндре намотан один слой обмотки – однослойный цилиндрический элемент (рис.10.3,а). Элементы обмотки соединены последовательно. Низковольтный конец обмотки соединяют с корпусом и с землей непосредственно или через измерительный прибор (амперметр). У трансформатора с двумя вводами обмотки высокого напряжения выполняются из двух ступенчатых секций (рис.10.3,б). Средняя точка обмотки высокого напряжения электрически соединена с баком и с сердечником, поэтому вводы рассчитываются по 0,5 Uном и имеют меньшие размеры и массу. Например, при напряжении 750 кВ вводы имеют изоляцию на 375 кВ. Сами трансформаторы устанавливаются на опорной изоляционной конструкции, также рассчитанной на напряжение 0,5 Uном . При испытании фазной изоляции один из выводов трансформатора заземляется, а при испытании междуфазной изоляции оба вывода соединяют с фазами испытываемого электрооборудования. Для получения сверхвысокого испытательного напряжения в несколько миллионов вольт от одного трансформатора возникают конструктивные трудности, связанные с устройством изоляции обмоток высокого напряжения и сооружением сложного ввода. Поэтому при напряжениях свыше 750 кВ применяют каскадное включение трансформаторов, при котором обмотки высокого напряжения трансформаторов включаются последовательно, а питание каждого последующего трансформатора осуществляется от предыдущего трансформатора. Последовательное соединение испытательных трансформаторов по каскадной схеме позволяет облегчить и упростить внутреннюю изоляцию трансформаторов. На рис.10.4 показана схема соединения каскада из трех трансформаторов по 750 кВ на напряжение 3х750 = 2250 кВ. Для равномерного распределения напряжений по конструкции изоляторов на металлические рамы, связывающие изоляторы, подаются определенные потенциалы от элементов каскада и устанавливаются закругленные экраны. Каждый трансформатор каскада в зависимости от его места в последовательном соединении имеет различные условия работы и различные нагрузки. Поэтому трансформаторы выполняются неодинаковой мощности и имеют разные индуктивности рассеяния, что приводит к неравномерному распределению напряжения по ступеням в переходных режимах и значительной потере напряжения при нагрузке. Рассмотрим подробнее процесс испытания изоляции переменным напряжением. Принципиальная схема испытания изоляции напряжением промышленной частоты приведена на рис.6.1. Испытательный трансформатор Т или каскад последовательно соединенных трансформаторов присоединяется к объекту испытания ОИ через защитный резистор Rзащ , с помощью которого ограничивается до номинального значения ток при разряде на объекте, а также уменьшается крутизна среза напряжения на выводах трансформатора. Последнее важно для выравнивания распределения напряжения вдоль обмотки трансформатора при срезе, т.е. для уменьшения перенапряжений на его изоляции. Величина защитного резистора выбирается из расчета 1 Ом на 1 В номинального напряжения испытательного трансформатора. Параллельно объекту испытания подключен измерительный шаровой разрядник ИР, который может использоваться для измерения напряжения на объекте, градуировки делителя напряжения ДН или калибровки вольтметра V, включенного на стороне низшего напряжения трансформатора. Шаровой разрядник ИР может служить и для защиты испытываемого объекта от случайного чрезмерного повышения напряжения. В этом случае пробивное напряжение разрядника настраивается на значение, равное 110-120 % испытательного. С целью демпфирования колебаний при разряде между шарами и уменьшения эрозии рабочих поверхностей шаров последовательно с ними включается балластный резистор R. Напряжение на объекте испытания плавно изменяется с помощью регулятора напряжения РН. Регулятор напряжения должен обладать достаточной мощностью, обеспечивать необходимую плавность регулирования и стабильность напряжения, т.к. скачкообразное изменение напряжения может привести к преждевременному пробою или разряду. Кроме того, регулятор не должен допускать искажения синусоидальной формы высокого напряжения. В качестве регулятора напряжения используются автотрансформаторы, жидкостные и проволочные реостаты и индукционные регуляторы. Наиболее простыми и доступными средствами регулирования являются автотрансформаторы (вариаторы) и реостаты. Однако наличие скользящих контактов снижает их надежность при коммутации больших токов. Бесконтактное и более плавное регулирование обеспечивают индукционные регуляторы. Они могут быть выполнены в виде заторможенной асинхронной машины с фазным ротором (потенциал-регуляторы) или в виде трансформатора со взаимно перемещающимися обмотками (схема Норриса). Форма кривой напряжения на объекте испытания должна быть практически синусоидальной, т.е. суммарное напряжение высших гармоник в испытательном напряжении не должно превышать 5 % основной гармоники. Контроль формы напряжения производится с помощью делителя напряжения и осциллографа, которые могут использоваться также для измерения напряжения на объекте. Оба полупериода переменного напряжения по форме должны быть близки друг к другу. Частота напряжения должна быть от 40 до 62 Гц. Отношение амплитудного значения к действующему должно быть равно . За значение испытательного напряжения принимается условное действующее значение напряжение, определенное делением измеренного амплитудного значения на . При испытательных напряжениях ниже 150 кВ допускается определять значения испытательного напряжения по его измеренному действующему значению, если отношение амплитудного значения к действующему равно . Действующее значение установившегося тока короткого замыкания на стороне высокого напряжения испытательной установки при напряжении испытания должно быть не менее 1 А. Это необходимо для того, чтобы пробой мог быть обнаружен и смогла бы сработать защита (автоматический выключатель на стороне низшего напряжения или реле максимального тока на стороне высшего напряжения). 6.3. Испытательные установки высокого постоянного напряжения Испытательные установки высокого постоянного напряжения применяют для испытания объектов, имеющих большую емкость, например силовых кабелей. При испытании кабелей высоким постоянным напряжением уменьшается необходимая реактивная мощность. Высокое напряжение получают, главным образом, путем выпрямления переменного напряжения. Простейшая выпрямительная установка включает в себя высоковольтный трансформатор Т и высоковольтный выпрямитель V (рис.10.5,а). Качество выпрямленного напряжения характеризуется величиной пульсаций U и падением напряжения в элементах цепи U (рис.10.5,б). Однополупериодная схема выпрямления является простейшей схемой, недостаток ее – относительно большие пульсации напряжения. Однако за счет емкости объекта Со и дополнительной емкости Сg можно значительно снизить пульсации выпрямленного напряжения. Для снижения пульсаций необходимо соблюдение условия: , где Rо – сопротивление объекта испытания, f - частота питающей сети. Значительно меньшие пульсации выпрямленного напряжения при тех же условиях в двухполупериодной (мостовой) схеме выпрямления (рис.10.6). В однополупериодной схеме выпрямления используют трансформатор с одним выводом. При двухполупериодной схеме выпрямления используют высоковольтные трансформаторы с двумя выводами, причем оба вывода должны быть изолированы на полное напряжение относительно корпуса. Обмотка высокого напряжения выполняется из двух трапецеидальных секций. Основания секций имеют относительно стержня изоляцию на половину рабочего напряжения. В качестве полупроводниковых выпрямителей используются селеновые и кремниевые выпрямители. При последовательном включении кремниевых выпрямителей параллельно им ставят шунтирующие резисторы и конденсаторы. Наиболее часто на испытательных стендах используют установку АИИ-70, которая при испытании переменным напряжением обеспечивает действующее значение напряжения до 50 кВ и при испытании постоянным напряжением амплитудное значение 70 кВ. Одноминутная выходная мощность высоковольтного трансформатора составляет 2,5 кВА. Установка снабжена защитным реле, отключающим установку от питающего напряжения при пробое испытуемого объекта. Изготовление трансформаторов на высокое напряжение с последующим выпрямлением затруднительно. Поэтому для получения высокого постоянного напряжения применяют схемы выпрямителей с умножением напряжения или просто умножители напряжения. Умножение напряжения трансформатора (удвоение, утроение и т.д.) осуществляется с помощью конденсаторов и выпрямителей. Принцип работы умножителей напряжения основан на использовании нескольких конденсаторов, каждый из которых заряжается от одной и той же обмотки трансформатора через соответствующий вентиль. По отношению к нагрузке конденсаторы оказываются включенными последовательно и их напряжения суммируются. На рис.6.7 представлена симметричная схема выпрямления с удвоением напряжения, в которой конденсаторы заряжаются поочередно в каждый полупериод. Знаки зарядов емкостей таковы, что напряжения их складываются и между точками 0 и I напряжение равно В реальных условиях (при нагрузке) это напряжение несколько меньше за счет разряда конденсаторов С1 и С2 на нагрузку. Пульсации выпрямленного напряжения имеют удвоенную частоту по отношению к частоте питающего напряжения. Обратное напряжение, которое должен выдерживать неработающий диод равно 2U2М . Следует отметить, что потенциал точки 2 на вводе трансформатора изменяется от нуля до 2U2 в то время как изоляция обмотки высокого напряжения трансформатора рассчитана только на напряжение U2 . Поэтому такую схему применяют в тех случаях, когда можно заземлить точку 3. В противном случае нужно иметь специальный трансформатор с повышенными изоляционными расстояниями или включать обмотку низшего напряжения через изолирующий трансформатор и изолировать корпус от земли. Поэтому представляют практический интерес те схемы умножения напряжения, в которых обеспечивается на вводах трансформатора изменение потенциала от нуля до U2 , т.е. до напряжения, на которое рассчитана его обмотка ВН. На рис.6.8. изображена несимметричная схема удвоения напряжения, удовлетворяющая выше сформулированному условию. Напряжение на выпрямителе DI пульсирует от нуля до 2U2М . Оно используется для того, чтобы зарядить через выпрямитель D2 конденсатор С2 до значения 2U2М , если не учитывать разряд конденсатора С2 на нагрузку. Работа выпрямителя в течение периода питающего напряжения делится на три стадии: 1) заряд конденсатора С1 через диод DI до напряжения Е2М = U2М (полярность ЭДС трансформатора в этот полупериод показана пунктирной стрелкой). 2) заряд конденсатора C2 через диод D2 до напряжения 2Е2М = 2U2М (полярность ЭДС на вторичной обмотке трансформатора в этот полупериод показана сплошной стрелкой). Двойное напряжение образуется за счет сложения ЭДС на вторичной отмотке трансформатора Е2М и напряжения Е2М на конденсаторе С1 , т.к. они имеют одинаковые направления. 3) разряд конденсатора С2 на нагрузку. Обратные напряжения на вентилях при х.х. достигают значения удвоенной амплитуды ЭДС трансформатора на вторичной обмотке, т.е. 2Е2М . Частота пульсаций выпрямленного напряжения равна частоте напряжения питающей сети. В схеме возможно заземление соединенных вместе вывода нагрузки и трансформатора, что является положительным свойством схемы. Принцип заряда конденсаторов пульсирующим напряжением 0 – 2UМ дает возможность получить схемы многоступенчатого или многокаскадного умножителя напряжения (рис.10.9). Напряжение на выходе умножителя, имеющего n ступеней равно 2n U2М . Диоды в каскадном умножителе выбираются на напряжение 2U2М . При включении нагрузки в каскадном умножителе пульсации и падение напряжения резко возрастают (внешняя характеристика его крутопадающая). Поэтому умножители напряжения применяют для питания маломощных высоковольтных устройств, потребляющих незначительный ток (несколько миллиампер). Чтобы внешняя характеристика получалась более пологой, для умножителя, имеющего n ступеней рекомендуется выполнять неравенство: С1 > C2 > C3 … > Cn , т.е. выбирать емкость конденсаторов из условия: S2 CS = const , где S – порядковый номер конденсатора в схеме; СS – величина емкости конденсатора с порядковым номером S. Следовательно, должно выполняться равенство: С1 = 22С2 = 32С3 = 42С4 и т.д. или С1 = 4С2 = 9С3 = 16С4 и т.д. Данное условие обеспечивает одинаковую энергию, накапливаемую во время работы схемы каждым из конденсаторов. 6.4. Генераторы импульсных напряжений Генераторы импульсных напряжений (ГИН) служат для испытания изоляции электрооборудования грозовыми импульсами с целью координации электрической прочности изоляции с воздействующими на нее грозовыми перенапряжениями. Испытания проводятся полными стандартными импульсами 1,2/50 мкс, а также срезанными импульсами при предразрядном времени 2-3 мкс. ГИН представляет собой батарею конденсаторов высокого напряжения, работающих в режиме заряд-разряд и обеспечивающих при разряде весьма высокие импульсные напряжения. Конденсаторы в зарядном режиме включены параллельно, а в разрядном – последовательно. Переключение конденсаторов осуществляется с помощью искровых разрядников (обычно шаровых). Кроме того ГИН включает в себя измерительное устройство и устройство для заземления и снятия остаточных зарядов с конденсаторов после окончания работы. Рассмотрим схему многоступенчатого или многокаскадного ГИН (рис.10.10.). Работа ГИН, как уже отмечалось выше, складывается из двух стадий: заряда и разряда. Длительность разряда в несколько миллионов раз меньше длительности заряда, чем и достигается большая мощность испытательного импульса. Рассмотрим подробнее обе стадии работы ГИН. В стадии заряда конденсаторы С заряжаются от выпрямительной установки через защитный резистор Rзащ и зарядные резисторы Rз . Резистор Rзащ предотвращает перегрузку трансформатора Т и вентиля В в первый момент, когда напряжения на конденсаторах равно нулю. Поскольку Rзащ >> Rз , то конденсаторы С практически оказываются соединенными параллельно и одновременно заряжаются до одинаковых напряжений: Uо = 150-200 кВ. Полное время заряда ГИН достигает нескольких десятков секунд при сравнительно низких напряжениях и несколько минут у ГИН на очень высокие напряжения. Если после заряда конденсаторов С на запальный разрядник ЗР подать от вспомогательной установки управляющий импульс напряжения пробоя Uупр , то произойдет пробой этого разрядника и вслед за ним и лавинный пробой всех остальных промежуточных разрядников ПР. Этот лавинный пробой происходит следующим образом. После пробоя запального разрядника ЗР точка 3 принимает потенциал точки 2, т.е. Uо , т.к. паразитная емкость Сп точки 3 на землю практически мгновенно заряжается через небольшое сопротивление демпфирующего (успокоительного) резистора Rд . Величина сопротивления Rд составляет несколько Ом или несколько десятков Ом (2-40 Ом). Потенциал точки 5 будет изменяться гораздо медленнее в силу того, что точка 5 отделена от точки 3 достаточно большим сопротивлением резистора Rз . Потенциал точки 4 после пробоя ЗР складывается из потенциала точки 3, равного Uо и напряжения на конденсаторе Uо , т.е. составит 2Uо . Следовательно, на первом промежуточном разряднике ПР1 после пробоя запального разрядника ЗР создается разность потенциалов, равная 2Uо и промежуточный разрядник ПР1 пробивается. После пробоя ПР1 точка 5 получает потенциал 2Uо , а в точке 6 потенциал повышается до значения 3Uо , что приводит к срабатыванию разрядника ПР2 . Аналогично срабатывают промежуточные разрядники всех ступеней ГИН. Процесс поочередного автоматического срабатывания искровых разрядников обеспечивает быстрый автоматический переход заряженных конденсаторов с параллельного соединения на последовательное, в результате чего напряжение конденсаторов суммируется и становится близким к значениям nUо (где n – число конденсаторов ГИН). Под действием этого напряжения отсекающий разрядник ОР пробивается и на объекте испытания ОИ возникает импульс высокого напряжения в несколько сотен тысяч и даже миллионов вольт. Напряжение на объекте испытания будет постепенно возрастать от нуля до максимума, а затем спадает до нуля. Форма импульса напряжения была подробно рассмотрена в главе 4. Величина напряжения импульса регулируется путем изменения зарядного напряжения конденсаторов Uо . При этом, естественно, подлежит регулированию также и расстояние между электродами искровых промежутков. Регулирование осуществляется дистанционно. Пуск ГИН может осуществляться и без управляющего импульса, подаваемого на ЗР. Если промежуток ЗР установить на пробивное напряжение, равное заданному значению Uо , то ГИН будет «самостоятельно» срабатывать каждый раз, как только напряжение на конденсаторах достигнет значения Uо . Напряжение U1 = nUo называется суммарным зарядным напряжением ГИН. Наибольшее суммарное зарядное напряжение, определяемое номинальным напряжением конденсаторов, является одной из паспортных величин ГИН ( nUном ). Другой паспортной величиной является наибольшее значение запасенной в ГИН энергии ( nCU2ном/2 ). Амплитуда импульса напряжения, создаваемого ГИН, определяется соотношением , где  - коэффициент использования ГИН, который лежит в пределах 0,75-0,85. Длительность фронта и длительность импульса регулируют подбором фронтового резистора Rф , разрядного резистора Rр и фронтовой емкости СФ . Мощность зарядного трансформатора Т в первом приближении определяется средним значением удвоенной величины энергии, запасаемой в конденсаторах в единицу времени. Анализ работы ГИН можно произвести с помощью упрощенной схемы замещения его при разряде без учета паразитных емкостей (рис.10.11). В этой схеме: - емкость ГИН в разряде; - суммарная емкость, равная сумме емкостей объекта Со , соединительных проводов СП и оборудования, подключенного параллельно объекту СФ . RФ так называемое «фронтовое» сопротивление, включаемое для увеличения длительности фронта импульса; Rp – разрядное сопротивление (им может быть делитель напряжения). После замыкания ключа S, соответствующего пробою искровых промежутков, в схеме возникает переходный процесс, в результате которого на выходе схемы появляется апериодический импульс напряжения u2 . Система уравнений, составленных по законам Кирхгофа для послекоммутационной схемы имеет вид: (6.1) Выразим токи ip и i через u2 : ; ; и подставим эти значения во второе уравнение системы (10.1): Продифференцируем это уравнение: и приведем подобные члены: Разделим все члены этого уравнения на RФСх и получим приведенное дифференциальное уравнение второго порядка: (6.2) Решение дифференциального уравнения (10.2) будем искать, используя классический метод, в виде суммы установившейся и свободной составляющих: Установившаяся составляющая, определяемая видом правой части уравнения (10.2), равна нулю, а свободная составляющая ищется в виде: где А1 и А2 – постоянные интегрирования, определяемые из начальных условий; р1 и р2 – корни характеристического уравнения. Характеристическое уравнение дифференциального уравнения (10.2) имеет вид: или: Здесь: . Обозначим RрСГ = Т1 и RФСХ = Т2 . Используя соотношения для корней квадратного уравнения: ; можно приближенно определить корни характеристического уравнения . Следовательно напряжение U2 на выходе ГИН будет изменяться по закону: . (6.3) Постоянные интегрирования определим из начальных условий (НУ): t = 0, u1 = nUo , u2 = 0. Подставив НУ в уравнение (10.3), получим: . (6.4) Продифференцируем уравнение (10.3): и подставим в него НУ: . (6.5) Решая уравнения (10.4) и (10.5), определим А1 и А2 : ; . Следовательно выходное напряжение ГИН будет изменяться по закону: . (6.6) Кривая, построенная по уравнению (10.6) приведена на рис.6.12. На основании проведенного анализа можно заключить, что скорость заряда емкости Сх через резистор R Ф (или постоянная времени Т2 = RФСх ) определяет время нарастания напряжения u2 , т.е. длительность фронта импульса Ф . Скорость же разряда емкости СГ на сопротивление Rр (или постоянная времени Т1 = RрСг ) определяет в основном длительность импульса u . Таким образом, время нарастания и длину импульса регулируют, подбирая СФ , RФ и Rр . Длительность импульса и длительность фронта импульса связаны с параметрами схемы ГИН (при импульсах с крутым фронтом) соотношениями: ; . Отсюда следует, что стандартные грозовые импульсы генерируются при Т1 = 71,5 мкс и Т2 = 0,5 мкс. Перед испытанием полным импульсом при напряжении, составляющем 50-60 % испытательного с помощью делителя напряжения и осциллографа проверяется форма импульса, а также производится градуировка измерительного устройства. Затем напряжение импульса доводят до нормированного значения с точностью  3 %. Испытательное напряжение устанавливают с учетом атмосферных условий во время испытаний. Генераторы внутренних перенапряжений (ГВП) генерируют коммутационные импульсы напряжения. Для получения апериодических коммутационных импульсов с длительностью фронта до 1000 мкс применяются генераторы импульсных напряжений, рассмотренные в разделе 10.4. Увеличение длительности фронта достигается включением большого фронтового сопротивления и дополнительной емкости параллельно объекту испытания. Для генерирования колебательных коммутационных импульсов может быть использована схема, показанная на рис.10.13. Испытательный трансформатор Т возбуждается от двух встречно включенных колебательных контуров. Для этого предварительно от выпрямительной установки заряжаются до одинакового напряжения батареи конденсаторов С1 и С2 . Пуск схемы осуществляется управляющим импульсом напряжения Uy , вызывающим пробой шарового разрядника ШР. При этом начинается колебательный разряд в контурах С1 – L1 и C2 – L2 . Собственные частоты контуров выбираются существенно различными (f2 = 3 – 5 f1) и на обмотку низшего напряжения подается колебательный затухающий импульс, плавно нарастающий с нуля. Такой же формы импульс генерируется в обмотке высшего напряжения испытательного трансформатора. ГВП на основе высоковольтных трансформаторов могут генерировать напряжения сравнительно низких частот, лимитируемых индуктивностью трансформаторов. Более высокочастотные импульсы перенапряжений могут быть получены с помощью ГВП, в которых происходит наложение импульсов от двух встречно включенных ГИН, один из которых содержит реакторы L1 , а другой резисторы R1 (рис.10.14). Заряд обоих ГИН от источника постоянного напряжения происходит одновременно. В момент перекрытия разрядного промежутка P3 каскадно срабатывают промежутки Р1 , Р2 и Р4 , Р5 . Разряд конденсаторов С1 на реакторы L1 вызывает появление на них периодически изменяющегося затухающего напряжения с частотой . Это напряжение суммируется с апериодическим импульсом напряжения, возникающим на резисторах R1 от разряда на них конденсаторов С2 . В результате на выходе генератора получается импульс напряжения, форму которого можно регулировать, изменяя индуктивность L1 и сопротивление R1 . В связи с тем, что сопротивления R1 , определяемые параметрами выходного импульса, могут быть не очень большими, для повышения четкости срабатывания искровых промежутков Р4 и Р5 их выполняют в виде триггеров, а в цепь конденсаторов С2 включают реакторы L2 небольшой индуктивности, которые обеспечивают появление в триггерах запального разряда. 6.7. Измерения при высоких напряжениях В установках высокого напряжения достаточная точность измерений обеспечивается применением специальных методов, эффективность которых проверена многочисленными экспериментальными исследованиями. Точность измерений зависит также и от технической квалификации персонала. При высоковольтных испытаниях наиболее часто применяются следующие измерительные устройства: 1) пик-вольтметры; 2) шаровые разрядники; 3) электростатические вольтметры высокого напряжения; 4) электростатические вольтметры и измерительные устройства низкого напряжения в сочетании с делителями напряжения. Для измерения пульсирующего, переменного и импульсного напряжений применяют приборы с различными схемами включения конденсаторов и выпрямителей. Простейшим примером такого прибора является пик-вольтметр (рис.10.15). При воздействии на пик-вольтметр импульса напряжения конденсатор С заряжается до амплитудного значения напряжения на входе. Величина этого напряжения затем измеряется с помощью вольтметра V с большим входным сопротивлением или баллистическим гальванометром G. Зная количество электричества Q , измеренное баллистическим гальванометром, определяют амплитуду импульса: Для расширения диапазона измеряемых напряжений применяют пик-вольтметры с делителем напряжения (рис.10.16). Амплитуда импульса определяется в этом случае из соотношения: , откуда . Сущность измерения высокого напряжения с помощью шарового разрядника заключается в том, что разряд в слабонеоднородном поле между двумя шаровыми электродами в воздухе возникает при определенном напряжении с малым разбросом и малым запаздыванием. Разрядное напряжение при заданном диаметре шаров и способе их включения линейно зависит от расстояния между шарами. С помощью шарового разрядника измеряется амплитудное значение высокого напряжения. Величины разрядных напряжений приведены в специальных таблицах, составленных на основании результатов обработки экспериментальных данных многих лабораторий мира. В табл.10.1 приведены значения пробивных напряжений для шаровых разрядников при разных значениях диаметра шаров и расстояниях между ними. Таблица 10.1 Пробивные напряжения Uпрн шаровых разрядников при заземлении одного из шаров. Расстояние между шарами d Пробивное напряжение в кВ при диаметре шаров D, см см 2 5 15 0,05 0,10 0,20 0,40 0,50 0,60 0,80 1,0 1,2 1,5 1,6 2,0 2,4 2,8 3,0 4,0 5,0 2,8 4,7 8,0 11,2 14,4 17,4 20,4 25,8 30,7 (35,1) (40,0) 8,0 11,2 14,3 17,4 20,4 26,3 32,0 37,6 45,5 48,1 57,5 65,5 (72,5) (75,5) (88,5) 16,8 19,9 26,0 31,7 37,4 45,5 48,1 59,0 70,0 80,5 85,5 110 133 В таблице даны математические ожидания амплитудных значений пробивных напряжений переменного тока полных стандартных волн отрицательной полярности и для напряжений постоянного тока обоих полярностей. Разрядное напряжение зависит от давления, температуры и влажности. В стандартных таблицах приводятся пробивные напряжения Uпрн , соответствующие нормальному давлению 760 мм.рт.ст. (100 кПа) и нормальной температуре 20оС. Если давление р и температура t отличаются от нормальных, то величина пробивного напряжения Uпр определяется по формуле: , где поправка на давление и температуру. Формулой можно пользоваться, если величина  колеблется в пределах 0,95-1,05. Влияние влажности в обычных условиях незначительно, поэтому ее не учитывают. Для расстояний d между шарами до 0,5d (где D – диаметр шара) таблица дает значение разрядного напряжения с погрешностью, не превышающей  3 % , а для расстояний от 0,5D до 0,75D с большей погрешностью. При расстояниях больших 0,75D измерения шарами производить не рекомендуется. Таким образом при измерениях должно выполняться неравенство: . Для предохранения поверхности шаров от оплавления и эрозии, а также для подавления высокочастотных колебаний при пробоях, последовательно с шаровым разрядником необходимо включать добавочное сопротивление величиной 0,1 – 1,0 МОм. Широкое применение шаровых разрядников для измерения высоких напряжений объясняется простотой их устройства и приемлемой для практики точностью. Однако точность измерения  3 % возможна только при строго сферической поверхности электродов. Диаметр шаров не должен отличаться от стандартного более чем на  0,1 % . Поверхности шаров должны быть полированные, сухие и чистые. При измерении импульсных напряжений следует учитывать влияние на точность измерения длительности импульса воздействующего напряжения, крутизны его фронта и полярности. Электростатические вольтметры используются для измерения действующих значений установившихся постоянных или периодически изменяющихся напряжений. Принцип действия электростатических вольтметров основан на использовании силы взаимодействия между двумя электродами в электрическом поле измеряемого напряжения. Для измерения широко используются вольтметр С-96 (для напряжений до 30 кВ) и С-100 (для напряжений до 75 кВ), имеющие погрешность не более 1,5 % . Для расширения диапазона измеряемых напряжений электростатических вольтметров и для возможности оценки измеряемых величин с помощью осциллографирования используют делители напряжения. Делители напряжения позволяют с помощью низковольтных измерительных устройств (вольтметров, осциллографов и др.) фиксировать практически неограниченные по амплитуде постоянные, переменные и импульсные напряжения (рис.6.17). Ту часть делителя, парал лельно которой включается измерительный прибор ИП принято считать низковольтным плечом делителя. Остальную часть называют высоковольтным плечом делителя. Отношение напряжения на входе делителя U1 , к напряжению на измерительном приборе U2 называется коэффициентом деления делителя. Для обеспечения фиксации исследуемого процесса в высоковольтных установках без искажения делители напряжения должны удовлетворять следующим условиям: 1) при подключении к исследуемой схеме не оказывать влияния на амплитуду и форму измеряемого напряжения; 2) иметь коэффициент давления , не зависящий от частоты и амплитуды измеряемого напряжения в рабочем интервале изменения этих величин, а также от изменения внешних атмосферных условий; 3) на элементах делителя не должна возникать корона, а токи утечки через изоляцию должны быть значительно меньше рабочего тока в цепи самого делителя. Делители напряжения выполняют активными, емкостными и комбинированными (рис.10.18). Для измерения выпрямленного или переменного напряжения промышленной частоты с успехом можно применять активные делители, изготовленные из проволочных или непроволочных резисторов. Для проволочных резисторов используют нихром, константан, манганин. Обязательным условием изготовления проволочных активных делителей напряжения является бифилярная намотка проволоки с целью уменьшения индуктивности делителя. Для снижения погрешности в коэффициенте деления, вызываемой утечками по изоляции и короной, сопротивление активного делителя принимается таким, чтобы протекающий через него ток был в пределах 1-10 мА. В тех случаях, когда не требуется большая точность измерения, для изготовления активных делителей напряжения применяются непроволочные резисторы композиционного типа. На переменном токе погрешность измерения в случае применения активных делителей резко возрастает из-за влияния паразитных емкостей. Для измерения высоких напряжений промышленной частоты более часто используют емкостные делители, которые по сравнению с активными имеют меньшие размеры и стоимость. Важным достоинством емкостных делителей является незначительное влияние на их коэффициент деления паразитных емкостей и ничтожное потребление активной энергии. В емкостных делителях наиболее часто используются конденсаторы с керамическими диэлектриками, имеющими ничтожную индуктивность и высокую электрическую прочность, например керамические конденсаторы К15У. Для фиксации импульсных напряжений могут быть использованы делители всех типов, однако при использовании активных делителей погрешность измерения, обусловленная индуктивностью резисторов и паразитных емкостей, обычно выше. Для уменьшения влияния паразитных емкостей на коэффициент деления делителя применяют экранные электроды, способствующие уменьшению емкостных токов в его цепи. Обычно для этой цели применяют кольцевой электрод, помещенный немного ниже высоковольтного ввода делителя и соединенный с ним несколькими радиальными проводниками. Активный делитель с таким экраном позволяет регистрировать с погрешностью 2-3 % срезанную волну напряжения длительностью менее 1 мкс. Значительные искажения при импульсных измерениях возникают из-за индуктивности L соединительных проводов, которыми делитель присоединен к объекту испытания ОИ (рис.10.19). Если индуктивность проводов L и параметры делителя R и C связаны неравенством , то на делителе будут возникать колебания напряжения, существенно искажающие регистрируемый импульс. Для подавления этих колебаний либо применяют комбинированный делитель, либо в соединительный провод включают демпфирующий резистор. При использовании комбинированных делителей напряжения с целью неизменного коэффициента деления на разных частотах должно соблюдаться равенство постоянных времени для каждого из последовательно включенных элементов 1 = R1C1 = 2 = R2C2 = 3 = R3C3 и т.д. Чтобы уменьшение диэлектрической проницаемости диэлектрика конденсаторов на высоких частотах не вызывало погрешности в измерении, делители следует комплектовать конденсаторами с одинаковым типом изоляции. Анализ процессов в делителях напряжения производится с помощью того же математического аппарата, что и при анализе процессов в линиях с распределенными параметрами. При испытаниях часто по условиям работы осциллограф приходится располагать вдали от высоковольтного делителя напряжения. В этих случаях напряжение от низковольтного плеча делителя к осциллографу подводится экранированным кабелем. Подключение к делителю кабеля, обладающего заметной емкостью и появление отражений импульса в конце кабеля вызывают неизбежное искажение регистрируемого явления. В этом случае для сведения искажений к минимуму рекомендуется схема, показанная на рис.10.20. Для того, чтобы отраженные сигналы отсутствовали, кабель на приемном конце нагружается на сопротивление r1 , равное волновому сопротивлению кабеля: . В этом случае создается режим согласованной нагрузки. Сопротивление r2 служит для успокоения колебаний в цепи пластин осциллографа. ЗАДАНИЕ НА КОНТРОЛЬНУЮ РАБОТУ ОБЩИЕ УКАЗАНИЯ В соответствии с программой дисциплины "Испытание электрической изоляции" студентами выполняется контрольная работа. Контрольная работа посвящена решению задач, связанных с применением изоляционных конструкций и защитой электрооборудования от перенапряжений. Для успешного выполнения контрольной работы необходимо изучить лекционный материалы дисциплины. По каждой задаче, предлагаемой в задании, даны краткие методические указания к решению. Более подробные сведения можно найти в литературе. Исходные данные для расчетов выбираются по двум последним цифрам учебного шифра и приводятся в условиях на каждую задачу. При оформлении контрольной работы необходимо соблюдать сле­дующие правила: 1. Контрольная работа оформляется в виде расчетно-поясни­тельной записки в соответствии с общими требованиями к подобным документам. 2. Графический материал выполняется на миллиметровой бумаге и подшивается к расчетно-пояснительной записке в соответствующих местах. Масштабы для графиков выбираются самостоятельно с соблю­дением ГОСТ. 3. Порядок оформления каждой задачи должен соответствовать рекомендованному в задании на контрольную работу. 4. При выполнении расчетов следует привести расчетную формулу, сделать подстановку численных значений и записать результат без промежуточных вычислений. При заполнении таблиц дается один пример расчета. 5. Следует давать расшифровку условных обозначений всех ве­личин, входящих в формулы. Расшифровку каждого условного обозначения достаточно привести один раз при его первом появлении. .6. Все расчеты следует вести с точностью до трех значащих цифр, если она не оговаривается особо. 7. Не следует переписывать в качестве пояснений текст из методических указаний или литературных источников. Необходимые пояснения нужно формировать самостоятельно, по возможности кратко и ясно. ЗАДАЧА 1 Зависимость разрядных напряжений внешней изоляции от атмосферных условий Воздушный промежуток изоляционной конструкции, работающей на переменной напряжении промышленной частоты, с межэлектродным расстоянием L имеет разрядное напряжение U0 при нормальных ат­мосферных условиях. Определить разрядное напряжение воздушного промежутка при атмосферном давлении р, температуре t и абсолютной влажности воздуха . Исходные данные Таблица 1 Параметры Последняя цифра учебного шифра 1 2 3 4 5 6 7 8 9 U0, кВ 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 L, м 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,6 2,8 3,0 Предпоследняя цифра учебного шифра 1 2 3 4 5 6 7 8 9 P, кПа 105 106 107 104 96 95 04 95 96 95 t, °С -30 -20 -10 -30 +50 +60 +70 +50 +60 +70 , Г/м3 16 18 22 25 1 2 3 4 5 6 Порядок оформления задачи 1. Графики зависимостей показателей степени для поправочных коэффициентов на давление, температуру и влажность воздуха от ме­жэлектродного расстояния и вспомогательного коэффициента для поп­равочного коэффициента на влажность от абсолютной влажности воз­духа. 2. Определение показателей степени для поправочных коэффици­ентов на давление и температуру воздуха. 3. Расчет поправочных коэффициентов на давление и температу­ру воздуха. 4. Определение показателя степени и вспомогательного коэффи­циента для поправочного коэффициента на абсолютную влажность воз­духа. 1 Расчет поправочного коэффициента на абсолютную влажность воздуха. 6. Расчет разрядного напряжения воздушного промежутка при заданных атмосферных условиях. Методические указания к решению задачи В изоляционных конструкциях электротехнических установок вся изоляция подразделяется на внешнюю и внутреннюю. К внешней изоляции относятся воздушные промежутки между про­водами разных фаз линии электропередачи, промежутки между контактами разъединителя, внешние поверхности изоляторов и т.п. Элект­рическая прочность внешней изоляции определяется пробоем проме­жутков в атмосферном воздухе или перекрытием в воздухе по поверх­ности изоляционных деталей. К внутренней изоляции относятся, например, изоляция обмоток трансформаторов и электрических машин, изоляция кабелей, гермети­зированная изоляция вводов и т.д. Электрическая прочность внут­ренней изоляции определяется пробоем промежутков, заполненных твердым, жидким или газообразным (не атмосферным воздухом) диэ­лектриком. Такое подразделение изоляции связано со специфическими осо­бенностями внешней и внутренней изоляции, существенными различия­ми в методах их проектирования и испытания. Особенностью внешней изоляции является зависимость ее электрической прочности от атмосферных условий. Разрядные нап­ряжения чисто воздушных промежутков зависят от давления, темпера­туры и влажности воздуха, а характеристики промежутков в воздухе вдоль поверхности изолятора - от количества и свойств загрязне­ний, осевших на эту поверхность. Смена метеорологических условий (например, появление мокрых осадков) может качественно изменять состояние поверхностей изоля­торов наружной установки и механизм развития разрядов вдоль них, что сильно сказывается на значениях разрядных напряжений. В связи с этим, разрядные напряжения внешней изоляции изоляторов подраз­деляются на сухоразрядные (при чистых и сухих поверхностях), мок­роразрядные (при чистых смачиваемых дождем поверхностях) и влагаразрядные (при загрязненных и увлажненных поверхностях). При из­мерении мокро - и влагоразрядных напряжений искусственный дождь и увлажненные загрязнения создаются строго регламентированными спо­собами. Важным свойством внешней изоляции является ее самовосстанав­ливаемость. Это свойство заключается в том, что электрическая прочность внешней изоляции после пробоя или перекрытия может через короткое время полностью восстанавливаться до исходного уров­ня. Практическое значение этого состоит в том, что в редких, осо­бо неблагоприятных условиях можно допускать перекрытие внешней изоляции, а дальнейшую нормальную работу всей установки обеспечи­вать, например, с помощью системы автоматического повторного включения (АПВ). У внутренней изоляции практически отсутствует зависимость электрической прочности от атмосферных условий. Точнее, на пове­дение внутренней изоляции не влияют случайные и сравнительно быстрые колебания температуры и влажности окружающего воздуха, если они не выходят за пределы допустимых значений. На свойства внутренней изоляции оказывают влияние только средние за относительно дли­тельный период времени значения температуры и влажности окружаю­щего воздуха. Особенностью внутренней изоляции является то, что ее пробой или полностью необратим (приводит к выходу из строя оборудова­ния), или приводит к ухудшению ее характеристик. Поэтому состоя­ние внутренней изоляции в процессе эксплуатации должно периоди­чески контролироваться для своевременного выявления развивающихся дефектов и предотвращения аварийных отказов электрооборудования. Однако контроль качества внутренней изоляции проводится не по результатам измерения фактических пробивных напряжений, а пу­тем проверки способности изоляции выдержать испытательные напря­жения, выбираемые с учетом возможных перенапряжений, так как пос­ле измерения пробивного напряжения оборудование будет заведомо непригодно к работе. Длительная электрическая прочность проверя­ется косвенными методами. Еще одно практическое значение необратимости пробоя внутрен­ней изоляции заключается в том, что внутренняя изоляция изоляци­онных конструкций должна обладать более высоким уровнем электри­ческой прочности, чем внешняя изоляция, то есть таким уровнем, при котором пробой полностью исключается в течение всего срока службы. Для внешней изоляции допускается ограниченное число пе­рекрытий в особо неблагоприятных условиях с устранением замыканий с помощью АПВ. Важным свойством внутренней изоляции является старение. Под старением изоляции понимается постепенное ухудшение ее свойств с течением времени. Причиной старения являются электрические, теп­ловые, механические и другие нагрузки, действующие на изоляцию при эксплуатации. Практическое значение этого свойства внутренней изоляций состоит в ограничении сроков службы изоляционных конструкций. У внутренней изоляции механизм пробоя может быть разным при электрических воздействиях разной длительности. Соот­ветственно разными будут и пробивные напряжения. Для многих видов внутренней изоляции пробивное напряжение при временах воздействия в несколько десятков микросекунд, характерных для грозовых пере­напряжений, может в десятки раз превышать пробивные напряжения при воздействиях длительностью в несколько лет, соответствующих воздействию рабочего напряжения. В связи с этим, в инженерной практике различают три вида электрической прочности внутренней изоляции: • кратковременную при грозовых перенапряжениях (при приложении к изоляции стандартных грозовых импульсов); • кратковременную при внутренних перенапряжениях (при приложе­нии стандартных коммутационных импульсов); • длительную (способность выдерживать воздействие рабочего напряжения в течение требуемого срока службы). Целесообразность применения в установках высокого напряжения в качестве диэлектриков кроме окружающего воздуха специальных твердых, жидких и газообразных материалов, составляющих внутрен­нюю изоляцию, заключается в следующем. Во-первых, элементы внут­ренней изоляции из твердых диэлектриков выполняют функции механи­ческого крепления проводников. Кроме того, через внутреннюю изо­ляцию осуществляется отвод тепла, выделяющегося при прохождении рабочих токов; здесь наиболее эффективны жидкие диэлектрики. В задаче 1 производится расчет разрядного напряжения внешней изоляции с учетом атмосферных условий. Учет давления, температуры и влажности атмосферного воздуха на практике необходим, во-пер­вых, чтобы иметь возможность сопоставить разрядные напряжения (для этого они должны быть отнесены к одинаковым условиям) и, во-вторых, чтобы устанавливать испытательные напряжения в конк­ретных условиях эксперимента по нормированным значениям, отнесен­ным к нормальным атмосферным условиям. Формула, связывающая разрядные (испытательные) напряжения внешней изоляции в условиях эксперимента и при нормальных ат­мосферных условиях, выглядит следующим образом: где U - разрядное (испытательное) напряжение в условиях эксперимента; Uo - разрядное (испытательное) напряжение при нормальных атмосферных условиях; - поправочные коэффициенты, учитывающие соответственно давление, температуру и влажность воздуха. В качестве нормальных атмосферных условий принято считать: температуру воздуха 20°С = 293°К, давление 760 мм рт.ст. = - 101,3 кПа « 100 кПа и абсолютную влажность 11 г/к3. Значения поправочных коэффициентов рассчитываются по форму­лам, установленным соответствующим ГОСТ. Формула для поправочного коэффициента на давление имеет вид: где р0 - нормальное атмосферное давление; . р - атмосферное давление в условиях эксперимента; m - показатель степени, зависящий от типа и размеров изоляционной конструкции и вида воздействующего напряжения. Поправочный коэффициент на температуру определяется следую­щим образом: Kt = (Т0/Т)п -=[(273 + t0) / (273 + t)]R , Где То и to - температура нормальных атмосферных условий по шкале Кельвина и Цельсия соответственно; Т и t - температура условий эксперимента по шкале Кельвина и Цельсия соответственно, п - показатель степени, зависящий от типа и размеров изоляционной конструкции и вида воздействующего нап­ряжения. Поправочный коэффициент на абсолютную влажность воздуха при относительно больших напряжениях считается равным: , где k- вспомогательный коэффициент, зависящий от типа изоляцион­ной конструкции и вида воздействующего напряжения.w - показатель степени, зависящий от типа и размеров изоляци­онной конструкции b вида воздействующего напряжения/ При малых расстояниях между электродами, то есть при малых напряжениях (U < 141 кН). поправка на влажность рассчитывается следующим образом: = 1 + (kw – 1)U/141. Электрические поля во внешней изоляции установок высокого напряжения получаются резконеоднородны, что связано с соотноше­нием геометрических размеров токоведущих частей и изоляционных расстояний. Резконеоднородными называются электрические поля, у которых коэффициент неоднородности, равный отношению наибольшей напряженности поля к средней в промежутке, превышает 3. Значения показателей степени m. n и w в приведенных выше формулах для резконеоднородных электрических полей при работе на переменном напряжении частоты 50 Гц можно определить по графикам рис.1. При указанных условиях значения показателей степени зави­сят от межэлектродного расстояния L. Значения тип определяются по кривой на рис.1, а значение w - по кривой 2. При тех же усло­виях вспомогательный коэффициент к зависит от абсолютной влажнос­ти воздуха, данная зависимость приведена в табл.2. Таблица 2 Зависимость коэффициента к от абсолютной влажности воздуха , Г/м3 5 11 15 20 25 k 1,15 1,08 1,0 0,95 0,9 0,85 Следует отметить уменьшение влияния атмосферных условий на разрядные напряжения внешней изоляции при увеличении межэлектродных расстояний в промежутках с резконеоднородным электрическим полем при переменном напряжении. Это иллюстрируется уменьшением показателей степени га, n, w при увеличении межэлектродного расстояния L на графиках рис.1. Кроме того, характер влияния атмосферных условий на разряд­ные напряжения зависит от метеорологических условий. В частности, атмосферные условия практически не оказывают влияния на влагоразрядные напряжения. Температура воздуха и дождевой воды практи­чески не влияет на мокроразрядное напряжение изоляторов, а давле­ние оказывает на него влияние. Задача 2 Срок службы внутренней изоляции Внутренняя изоляция изоляционной конструкции имеет толщину d и работает при напряжении и промышленной частоты. Относительная диэлектрическая проницаемость изоляционного материала равна еги. Коэффициент неоднородности электрического поля в изоляции равен к„. Определить зависимость срока службы изоляции от рабочей тем­пературы при наличии воздушного включения размером 0,01 мм в нап­равлении электрического поля. Таблица 3 Исходные данные Параметры Последняя цифра учебного шифра 1 2 3 4 5 6 7 8 9 U, кВ 110 110 110 150 150 150 150 220 220 220 d, мм 41 42 43 60 61 62 63 91 92 93 Предпоследняя цифра учебного шифра 1 2 3 4 5 6 7 8 9 2,0 2,2 2,4 2,6 2,8 3,0 3,2 3,4 3,6 3,8 kн 4,5 4,3 4,0 3,7 3,5 3,3 3,1 2,9 2,7 2,5 Порядок оформления задачи 1. Расчет появления в изоляции частичных разрядов Uпр. 2. Расчет среднего срока службы изоляции при нормальной тем­пературе т0- 3. Расчет зависимости среднего срока службы изоляции от тем­пературы т - f(t). Расчет произвести в диапазоне температур от 20 до 50°С с шагом 10°С. 4. Построение графика зависимости - f{t). Методические указания к решению задачи Как отмечалось в методических указаниях к задаче 1. ное напряжение внутренней изоляции зависит от времени приложения напряжения. Вид этой зависимости имеет сложный характер, так как при разных временах процессы в изоляции, приводяцие к пробою, имеют различную физическую природу. Следует отметить, что при любом значении времени пробивное напряжение - величина случайная имеющая определенное поле разброса, что объясняется природой про­цессов при пробое и наличием неконтролируемых случайных различий между однотипными изоляционными конструкциями. Характерная форма зависимости пробивного напряжения внутрен­ней изоляции Uпр от времени приложения напряжения х показана на рис. 2. Зависимость может быть разделена на несколько участков, характерных физической природой процессов пробоя, На рис. 2 границы этих участков указаны ориентировочно и зависят от размеров, свойств и условий работы изоляции. Рис. 2. Зависимость пробивного напряжения внутренней изоляции от времени приложения напряжения Участок 1 зависимости - зона чисто электрического пробоя. Он охватывает диапазон порядка 10 -6...10 -2 с (от несколь­ких микросекунд до нескольких миллисекунд). Электрический пробой связан с процессом образования и увеличения числа свободных электронов, вследствие чего возникает концентрированный поток электронов и в изоляции образуется проводящий канал. В начальной области этого участка пробивное напряжение увеличивается с уменьшением х, что связано с необходимостью обеспечения определенной скорости движения электронов для возникновения пробоя. При време­нах более 10м пробивное напряжение остается практически неизмен­ным, так как время много больше времени формирования проводящего канала, а другие механизмы пробоя еще не проявляются. Участок 2 {диапазон времени 10 -2...10 2- от сотых долей се­кунды до десятков секунд) характерен для изоляции с наличием жидкого диэлектрика. Здесь наблюдается снижение электрической прочности при увеличении т, что связано с образованием проводящих мостиков из примесей. Следующий участок 3 - область теплового пробоя, который свя­зан с нарушением тепловой устойчивости изоляции. Этот участок ох­ватывает диапазон времени 102..10 4 {от десятков секунд до нес­кольких часов). Наконец, последний участок 4 зависимости - элект­рическое старение изоляции, то есть необратимое ухудшение диэ­лектрических свойств под действием электрических полей. Процессы электрического старения могут протекать от нескольких часов до 10-15 лет и более. Задача обеспечения длительной электрической прочности внут­ренней изоляции в процессе старения, то есть требуемого срока ее службы, является одной из наиболее сложных. Это связано с тем, что прямым экспериментом нельзя определить ход зависимости ипр = Их) в области больших времен, так как для этого потребовались бы десятилетия. Поэтому при решении данной задачи используются косвенные методы, основанные на измерении истенсивности про­цессов, вызывающих старение. Причиной старения внутренней изоляции могут быть воздействия различной физической природы. В основном это электрические, теп­ловые и механические нагрузки. Соответственно различают электри­ческое, тепловое и механическое старение внутренней изоляции. Кроме того, старение может быть обусловлено проникновением заг­рязнений, увлажнением изоляции. В данной задаче контрольной работы производится расчет срока службы внутренней изоляции с учетом электрического и теплового старения. Основной причиной электрического старения внутренней изоля­ции являются частичные разряды. Частичными разрядами называют разрядные процессы в изоляции, которые развиваются под действием приложенного напряжения и распространяются лишь на часть изоляци­онного промежутка. Частичные разряды возникают в ослабленных местах изоляции, например в газовых включениях или в местах резкого усиления электрического поля. Наибольшую опасность представляют частичные разряды в газовых включениях, так как в этом случае они возникают при меньших напряжениях, чем в жидких и твердых компонентах изо­ляции. Темпы электрического старения возрастают с увеличением при­ложенного к изоляции напряжения, а сроки службы соответственно уменьшаются. При этом зависимость срока службы т от величины на­пряжения может иметь сложный характер. Экспериментальные исследования показали, что для относитель­но небольшого времени (до 10 3...104 час) график зависимости сред­него срока службы внутренней изоляции от приложенного напряжения = f(U), построенный б двойном логарифмическом масштабе, то есть , имеет вид прямой линии (рис.3). Установлено также, что в области больших времен по мере снижения напряжения сроки службы увеличиваются быстрее, чем по указанной зависимости, а ни­же некоторого уровня напряжения становятся неограниченно длитель­ными, что также иллюстрируется графиком на рис.3. Этот уровень является напряжением появления в изоляции частичных разрядов. Рис. 3. Зависимость среднего срока службы внутренней изоляции от приложенного напряжения Такому ходу зависимости = f(U) качественно соответствует выражение где Uчр - напряжение появления в изоляции частичных разрядов, кВ; А - постоянная, зависящая от свойств изоляции, в расче­тах при решении задачи 2 контрольной работы следует принять типичное для твердой изоляции при нормаль­ных условиях значение А = 6-109 год/(кВ)п; п - показатель степени, зависящий от конструктивных особенностей изоляции и рода воздействующего напря­жения; в большинстве видов изоляции при напряжении промышленной частоты п = 4...8, в контрольной рабо­те принять п = 6. Как уже отмечалось, между любыми однотипными изоляционными конструкциями существуют неконтролируемые случайные различия, по­этому при заданных условиях эксплуатации срок службы изоляционной конструкции есть величина случайная и приведенное выражение да­ется среднее значение. Следует отметить, что разбросы величины срока службы изоляции относительно среднего значения могут быть значительными. Для расчета среднего срока служба изоляции по приведенной выше формуле необходимо знать напряжение возникновения частичных разрядов Uчр. Для его определения изоляцию с газовым включением условно изобразим в виде рис. 4. На этом рисунке d - толщина слоя внутренней изоляции, - толщина газового включения, в котором могут возникать частичные разряды. Схема замещения для случая пе­ременного напряжения может быть представлена, как показано на рис. 5. где СВ - емкость газового включения, С\Б - емкость участка изоляции, расположенного последовательно с газовым включением, Св - емкость остальной части изоляции, ИР - искровой разрядник, ими­тирующий пробой газового включения, R -- сопротивление канала час­тичных разрядов в газовом включении. Рис. 4. Изоляция с газовым включением Рис. 5. Схема замещения изоляции с газовым включением Для расчета величин С6 и Св можно воспользоваться формулой для емкости плоского конденсатора. Тогда получим: ; где SВ - площадь сечения газового включения, перпендикулярного силовым линиям электричес­кого поля; и , - относительные диэлектрические проницаемос­ти соответственно заполняющей включение среды и изоляции; Ф/м - электрическая постоянная. . . При приложении к изоляции переменного напряжения частичные разряды будут возникать, если амплитуда напряжения на емкости Св будет больше пробивного напряжения газового включения (разрядника ИР по схеме рис. 5) UB!ip. Это условие соблюдается, если величина напряжения на изоляции (действующее значение) будет равна: После подстановки выражений для емкостей Сй и Св и упрощений с учетом того, что , получим: Данная формула имеет место для изоляции с однородным элект­рическим полем. Более характерным является случай с неоднородным полем во внутренней изоляции. Очевидно, что тогда наименьшая ве­личина напряжения Uчр будет, если газовое включение находится в области наибольшей напряженности электрического поля. Эта величи­на будет равна: где Кн - коэффициент неоднородности электрического поля в изоляции, равный отношению максимальной напряженности средней напряженности поля. При._ малых размерах газовых включений, что имеет место на практике, пробивное напряжение Uвнр слабо зависит от размеров включения и равно для воздуха примерно ЗО0 В. Так как размеры газового включения и место его расположения в изоляции случайны, то для однотипных изоляционных конструкций будут иметь место значительные разбросы напряжения Uчр. Тепловое старение изоляции есть следствие возникновения или ускорения химических реакций в диэлектрических материалах при по­вышении температуры. Химические реакции приводят к постепенному изменению структуры и свойств материалов и как следствие к ухуд­шению свойств изоляций в целом. Влияние нагревания на различные изоляционные материалы раз­лично. Однако для твердых диэлектриков характерным является снижение механической прочности в процессе теплового старения. Со временем это приводит к повреждению изоляции под действием меха­нических нагрузок и затем уже к пробою. Темпы теплового старения внутренней изоляции определяются скоростями химических реакций. Для практики можно принять, что срок службы изоляции обратно пропорционален скорости химических реакций. Тогда отношение сроков службы изоляции при различных температурах будет равно: и to - сроки службы соответственно при температурах Т1 и То; -- повышение температуры, вызывающее сокращение сро­ка службы изоляции при тепловом сохранении в 2 раза. Данное выражение является следствием известного из химии уравнения Аррениуса при указанном допущении. Значение для раз­ных используемых в технике видов внутренней изоляций лежит в пре­делах от 8 до 12°С и в среднем составляет 10°С. Это среднее зна­чение следует принять для расчетов в контрольной работе. Исполь­зуя приведенное выражение можно, зная срок службы изоляции при нормальной температуре , определить срок службы при любой темпе­ратуре. Приведенное выражение для сроков служба изоляции при тепло­вом старении дает достаточную для практики точность. В то же вре­мя вследствие сложности химических процессов и влияния на них большого числа факторов строгий расчет сроков службы внутренней изоляции при тепловом старении затруднителен. Задача 3. Методы профилактического контроля внутренней изоляции высоковольтного оборудования по абсорбционным явлениям и по тангенсу угла диэлектрических потерь Условие задачи и исходные данные. Внутренняя изоляция высоковольтного оборудования состоит из двух слоев имеющих в установившемся режиме соответственно сопротивление утечкиR1, R2 и емкости слоев С1 и С2. Требуется по характеру изменения тока абсорбции и значению сопротивления изоляции в исходном состоянии изоляции и при уменьшении сопротивления первого слоя в 100 раз (0,01R1) дать заключение о качестве изоляции и определить допустимость степени увлажнения. Тангенс угла диэлектрических потерь при температуре Т0=200С равен— tgδ0; коэффициент, характеризующий температурную зависимость тангенса угла диэлектрических потерь от температуры, равен – α. Требуется рассчитать и построить графики зависимости тангенса диэлектрических потерь и мощности потерь в диэлектрике при изменении температуры от 200С до 1000С и приложении переменного напряжения U = 10 кВ с частотой 50 Гц. Значения всех переменных параметров для соответствующих вариантов приведены в табл. 4.1 Таблица 4.1 Параметры Вариант (последняя цифра учебного шифра) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 R ,106,Ом 1 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 C ,10-6,Ф 1 3,6 3,4 3,2 3,0 2,8 2,6 2,4 2,2 2,0 1,8 R ,106,Ом 2 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 C ,10-6,Ф 2 36 34 30 32 28 26 24 22 20 18 tgδ0,10-3 4,0 3,8 3,6 3,4 3,2 3,0 2,8 2,6 2,4 2,2 α,10-3,0С-1 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Примечание. Например, при цифре шифра 1 сопротивление R1 = 110•106 Ом. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ И ОФОРМЛЕНИЯ ЗАДАЧИ 3.1.В расчетно-пояснительной записке привести условие задачи и исходные данные выбранного варианта. Нарисовать обе схемы замещения двухслойного диэлектрика. 3.2. По формулам (4.3) – (4.6) вычислить параметры схемы замещения (рис.4.2, б) по данным, приведенным в табл. 4.1 и при уменьшении значения R1 в сто раз. 3.3. По формуле (4.9) определить сопротивление изоляции при приложении постоянного напряжения в течение 60 и 15 с, когда R1 соответствует табл. 4.1 и 0,01 R1. 3.4. Вычислить коэффициент абсорбции по формуле (4.10) и по коэффициенту абсорбции и значению сопротивления R60 сделать заключение о состоянии изоляции, когда R1 соответствует табл. 4.1 и 0,01 R1. 3.5. По формуле (4.13) рассчитать зависимость tgδ от температуры с шагом 20оС. Результаты привести на графике. 3.6. Рассчитать по формуле (4.12) и изобразить графическую зависимость мощности потерь от температуры. Расчетные точки взять из пункта 3.5. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ ЗАДАЧИ № 3 КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ В процессе эксплуатации высоковольтного оборудования из-за перегрева, увлажнения, механических повреждений и перенапряжений происходит общее старение изоляции. В изоляции возникают распределенные и местные (сосредоточенные) дефекты. Постепенно развиваясь, эти дефекты способны настолько снизить пробивное или разрядное напряжение, что изоляция может не выдержать перенапряжений, время от времени появляющихся в электрических системах, или даже рабочего напряжения [1; 2; 9; 10]. В большинстве случаев эти дефекты не могут быть обнаружены путем простого осмотра изоляции и для их выявления необходимы специальные методы испытаний, которые называются профилактическими. Группа профилактических методов контроля изоляции, при которых используются по сравнению с рабочими малые напряжения и различные косвенные способы оценки характеристик изоляции называется неразрушающие испытания. Другую группу испытаний с использованием напряжения, повышенного по сравнению с рабочим и вызывающего ускоренное разрушение изоляции в дефектном месте, называют разрушающими испытаниями. Для каждого вида изоляции характерны определенные виды дефектов и применяются различные методы профилактических испытаний. Периодичность и нормы испытаний устанавливаются стандартами и ведомственными инструкциями для каждого вида электрооборудования. Согласно существующим представлениям основной причиной старения внутренней изоляции при воздействии сильных электрических полей являются так называемые частичные разряды (ЧР). ЧР возникают в газовых включениях или прослойках жидкого диэлектрика. Скорость разрушения изоляции зависит от интенсивности ЧР. Регистрация интенсивности ЧР во время эксплуатации высоковольтного оборудования и в лабораторных условиях проводится с помощью электрических, оптических и ультразвуковых методов. Проникновение в изоляцию из окружающей среды влаги, различных примесей и кислорода значительно ускоряют процессы старения изоляции. При неразрушающих методах испытаний для оценки качества изоляции используются измерения характера изменения характеристик диэлектриков во времени, от частоты испытательного напряжения и от температуры. В качестве внутренней изоляции высоковольтного оборудования очень часто применяются комбинации диэлектриков, сочетание которых позволяет получить наиболее благоприятные свойства изоляционной конструкции. В частности, очень большое распространение получила слоистая изоляция, в состав которой входят пропитанные маслами волокнистые материалы типа бумаги (кабели, конденсаторы, трансформаторы и др.). Ухудшение качества слоистой изоляции в большинстве случаев происходит путем более или менее однородного изменения свойств одного из слоев, тогда как характеристика других слоев остаются практически неизменными. Это приводит к изменению неоднородности изоляции. По характеру этого изменения можно судить о состоянии изоляции. В простейшем случае неоднородная изоляция состоит из двух слоев, каждый из которых характеризуется своей удельной Рис. 4.1. Модель двухслойного диэлектрика проводимостью слоев γ и диэлектрической проницаемостью ε. Модель двухслойного диэлектрика представлена на рис. 4.1. Для анализа процессов в модели двухслойной изоляции можно использовать схемы замещения, показанные на рис. 4.2. В схеме на рис. 4.2, а сопротивление утечки первого и второго слоев в уста вившемся режиме соответственно равны: R1 = d1 / γ1 S и R2 = d2 / γ2 S, (4.1) а емкости этих слоев равны С1 = ε0 ε1 S / d1 и С2 = ε0 ε2 S / d2. (4.2) Здесь γ1 и γ2 – удельные проводимости слоев; ε0 = 8,85•10–12 Ф/м — электрическая постоянная; ε1 и ε2 – диэлектрические проницаемости слоев; d1 и d2 – толщина слоев; S – площадь электродов и границы между слоями. При подключении диэлектрика к источнику с постоянным напряжением, кроме постоянного тока утечки из-за миграционной поляризации диэлектриков, в течение непродолжительного времени наблюдается так называемый ток абсорбции. Со временем ток абсорбции спадает до нуля по экспоненциальному закону. В процессе старения изоляции, например увлажнении одного из слоев, ток абсорбции уменьшается. Это обстоятельство используется для контроля состояния изоляции. Рис. 4.2. Схема замещения двухслойного диэлектрика Схема представленная на рис. 4.2, б эквивалентна схеме на рис. 4.2, а. В этой схеме замещения: сопротивление утечки всей изоляции в установившемся ре- жиме R = R1 + R2, (4.3) геометрическая емкость изоляции Сr = С1 С2 /(С1 + С2 ). (4.4) Ветвь «r — ΔС» отражает накопление заряда абсорбции, параметры ее определяются из условия равенства полных сопротивлений обеих схем замещения: r = R1R2 (R1 + R2 )(С1 + С2)2 /(R1С1 – R2С2)2; (4.5) ΔС = (R1С1 – R2С2)2 / (R1 + R2)2 (С1 + С2). (4.6) Если изоляция однородна, т.е. R1С1 = R2С2 или ε1 /γ1 = ε2 /γ2, то r = ∞ и ΔС = 0, т.е. заряд абсорбции в этом случае не накапливается. Из схемы замещения на рис. 4.2, б следует, что при подключении неоднородной изоляции к источнику постоянного напряжения ток, проходящий через изоляцию (без учета кратковременного тока заряда геометрической емкости Сr), изменяется во времени в соответствии с выражением I(t) = (U/R) + (U/r)ехр (–t/τ), (4.7) где τ = rΔС = R1R2 (С1 + С2) /(R1 + R2). (4.8) При этом изменяется и сопротивление изоляции R(t) = U/I(t) = R/[1+(R/r)exp(–t / τ)]. (4.9) Как следует из (4.8) и (4.9), пределы и скорость изменения R(t) определяются всеми параметрами обоих слоев изоляции. При сильном увлажнении, загрязнении или растрескивании изоляции из-за различной способности материалов к увлажнению или загрязнению объемное сопротивление одного из слоев резко падает. Диэлектрическая проницаемость при этом увеличивается незначительно. Вследствие этого сопротивление утечки изоляции R(t) и постоянная времени τ уменьшаются. На практике оценка состояния изоляции производится по значениям сопротивления R(t), измеренным через 15 с и 60 с после включения постоянного напряжения. В качестве источника постоянного тока используются переносные приборы мегаом-метры, имеющие напряжение 500, 1000 или 2500 В. Заключение о качестве изоляции делается по значению R60 и коэффициенту абсорбции kабс= R60 /R15. (4.10) Для изоляции в нормальном состоянии характерны высокие значения R60 (не менее 1 МОм на 1 кВ номинального напряжения). Опытным путем установлено, что R60 /R15<1,3 изоляция недопустимо увлажнена. Если к двухслойному диэлектрику прикладывается переменное напряжение, то оказывается, что емкость неоднородного диэлектрика зависит от частоты. Данная зависимость выражается формулой С(ω ) = Сr + ΔС /(1+ω2 τ 2), (4.11) где ω — круговая частота приложенного напряжения. Контроль степени увлажнения при переменном токе производится путем измерения емкости изоляции на различных частотах. Емкость изоляции с ростом частоты изменяется тем сильнее, чем больше степень неоднородности изоляции, т.е. чем больше степень увлажнения. На практике измерения емкостей производятся с помощью приборов контроля влажности (ПКВ) при двух частотах: 2 Гц и 50 Гц. Заключение о степени увлажнения изоляции делают по значению отношения С2 /С50 или ΔС /Сr. На основе опыта установлено, что для изоляции в нормальном состоянии допустимые значения составляют С2 /С50 ≤ 1,2 ч 1,3. Изоляция недопустимо увлажнена, если измеренные значения различаются более, чем в 1,3 раза, т.е. если С2 /С50>1,3. Под воздействием переменного напряжения в диэлектрике возникают токи проводимости и смещения, которые обуславливают так называемые диэлектрические потери. Величина диэлектрических потерь является хорошим показателем состояния диэлектрика, так как появление всякого рода примесей, газовых включений и увлажнения диэлектриков приводят к заметному их увеличению. Мощность потерь в диэлектрике при неизменной температуре равна Р = U2 ωСtgδ, (4.12) т.е. мощность потерь пропорциональна тангенсу угла диэлектрических потерь. В связи с этим, в качестве количественного показателя, характеризующего потери в диэлектрических материалах на переменном напряжении, на практике используется не непосредственно угол диэлектрических потерь δ = 900 – ψ, а его тангенс — tgδ. Напомним, что ψ – угол фазового сдвига между током и напряжением в диэлектрике. Величину тангенса диэлектрических потерь tgδ при профилактических испытаниях обычно измеряют с помощью моста переменного тока (моста Шеринга) при напряжении 10 кВ независимо от номинального напряжения, если Uном>10 кВ. В лабораториях определяют зависимость tgδ = f (U) в интервале (0,5ч1,5)U раб. У изоляции нормального качества значение tgδ при напряжении до 1,5 U раб в большинстве случаев остается практически неизменным. Если же при повышении напряжения tgδ начинает быстро возрастать, то это свидетельствует о возникновении частичных разрядов в газовых включениях, которые приведут к ухудшению свойств изоляции. Отметим, что диэлектрические потери пропорциональны частоте приложенного напряжения. Измерение tgδ при частоте 50 Гц является одним из наиболее распространенных методов контроля изоляции электрооборудования высокого напряжения. Оценка состояния изоляции по значениям tgδ предусматривается Правилами устройств электроустановок (ПУЭ) почти для всех видов изоляции. В справочниках и ПУЭ даны нормированные значения tgδ0 в абсолютных значениях или в процентах для диэлектрических материалов и отдельных видов электрооборудования. Удельная проводимость γ диэлектриков, а, следовательно, и tgδ, достаточно сильно зависит от температуры, тогда как диэлектрическая проницаемость в небольшом интервале температур можно считать независящей от температуры. От tgδ зависит мощность диэлектрических потерь и, следовательно, температурный режим работы изоляции. Для большинства материалов зависимость tgδ = f (T) может быть хорошо описана экспоненциальным законом tgδ = tgδо⋅ ехр[α (Т – Т0], (4.13) где tgδ – тангенс угла диэлектрических потерь при температуре Т; tgδ0 — тоже при температуре Т0; α – постоянный коэффициент, характеризующий материал.