Техника высоких напряжений

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ ПО КУРСУ ТЕХНИКА ВЫСОКИХ НАПРЯЖЕНИЙ (бакалавры, 5 семестр) Нижний Новгород 2014 г. 1 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Разевиг Д.В. Техника высоких напряжений. М.: Энергия, 1976. – 488 с. 2. Техника высоких напряжений /Под ред.М.В.Костенко. М.: Высш. школа, 1973. - 528 с. 3. Техника высоких напряжений: Учебное пособие для вузов. И.М.Богатенков, Г.М.Иманов, В.Е.Кизеветтер и др.; Под ред. Г.С.Кучинского. - СПб: изд. ПЭИПК, 1998. - 700 с. 4. Кучинский Г.С., Кизеветтер В.Е., Пинталь Ю.С. Изоляция установок высокого напряжения. М.: Энергоатомиздат, 1987. - 368 с. 5. Базуткин В.В., Ларионов В.П., Пинталь С.Ю. Техника высоких напряжений. Изоляция и перенапряжения в электрических системах. М.: Энергоатомиздат, 1986. - 464 с. 6. Степанчук К.Ф.,Тиняков Н.А. Техника высоких напряжений. Минск: Высш.школа, 1982. - 367 с. 7. Долгинов А.И. Техника высоких напряжений в электроэнергетике, М., «Энергия», 1968. – 464 стр. 8. Бургсдорф В.В., Якобс А.И. Заземляющие устройства электроустановок. -М: Энергоатомиздат, 1987. 9. Колечицкий Е.С. Основы расчета заземляющих устройств. - М: изд-во МЭИ, 2003. 10. Правила устройства электроустановок. М.: Энергоатомиздат, Изд. 7. 11. Правила технической эксплуатации электрических станций и сетей Российской Федерации. Министерство энергетики РФ. – М.: ЗАО «Энергосервис», 2003.-368 стр. 12. Правила технической эксплуатации электроустановок потребителей (ПТЭЭП). 13. Правила по охране труда при эксплуатации электроустановок. Зарегистрировано в Минюсте России 12 декабря 2013 г. № 30 593. 14. Объем и нормы испытаний электрооборудования/ Под общей редакцией Б.А. Алексеева, Ф.Л. Когана, Л.Г. Мамиконянца. – 6-е изд. – М.: НЦ ЭНАС, 1998. – 256 с. РД 34.45-51.300-97. 15. Инструкция по устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций. - М: изд-во МЭИ, 2004. - 29 с. 2 ЗНАКОМСТВО С ОСНОВНЫМИ ВИДАМИ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ Общая техническая характеристика электрооборудования 1) Генерация 2) Передача и распределение, включая коммутацию. 3) Конечное потребление. (Презентация 1) ВВЕДЕНИЕ В ИСТОРИЮ ФОРМИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКИ РФ (конспект лекции) I. Условия развития электроэнергетики РФ. 1) «Общенародная» собственность на средства производства. 2) Системный подход к экономическому развитию (включая план ГОЭЛРО – 22 декабря 1920 г.). 3) Формирование и реализация концепции Единой электроэнергетической системы. (Бакинские нефтяные промыслы, Красин, параллельная работа электрических станций разного типа) 4) Альтернативные («западные») подходы к развитию электроэнергетики. II. Постепенное формирование организационной структуры. 1) Районные управления (районные энергосистемы) (смещенные выходные для промпредприятий). 2) Объединенные энергосистемы (Донбасс, Урал). 3) Единая энергосистема РФ и СССР. 4) Органы государственного регулирования: Министерство энергетики (отдельно - Мингидрострой). Энергонадзор и энергосбыт. 5) Реформа энергетики по Чубайсу: Закон об электроэнергетике разделение на естественные монополии и конкурентный рынок тарифообразование органы государственного регулирования (ФЭК и РЭКи; ФСТ и РСТ; Гос-энергонадзор). 6) Сегодняшние тенденции изменения организационных структур. III. РЗ и А. 3 ВВЕДЕНИЕ В УЧЕБНЫЙ КУРС «ТЕХНИКА ВЫСОКИХ НАПРЯЖЕНИЙ» (ТВН) Техника высоких напряжений (ТВН) возникла в связи с необходимостью электропередачи больших электрических мощностей на дальние расстояния. В 1880 году профессор Петербургского лесного института Д. А. Лачинов разработал и изложил (на год ранее Марселя Депре) теорию передачи электроэнергии на большие расстояния за счет повышения напряжения и уменьшения тока по мере увеличения дальности и передаваемой мощности. Соответственно запросам энергетики развивалась техника высоких напряжений. Потребовалось создание промышленных высоковольтных установок переменного, постоянного и импульсного напряжений, а также установок для проведения исследований и испытаний изоляции при воздействии различных видов высокого напряжения. Разделение электроустановок на установки низкого напряжения и высоковольтные электроустановки с границей в 1 000 В определяется уровнем опасности для человека. Другой серьезнейший фактор, приводящий к коренному отличию электроустановок низкого и высокого напряжений - это поведение изоляции электроустановки. В низковольтных установках в подавляющем большинстве случаев изоляционные расстояния определяются механическими соображениями, т.е. возможностью выдерживать механические нагрузки или исключением возможного соприкосновения токоведущих частей между собой. В высоковольтных установках на первое место выходит проблема возможных повреждений изоляции из-за большого напряжения, приложенного к ней. Повышение уровня напряжений требовало изучения физических явлений, механизмов воздействия электромагнитных полей высокого напряжения на изоляцию в различных условиях эксплуатации. Электротехника имеет некоторый набор аксиом, который определяет дальнейшую структуру всех приложений электротехники. Такими аксиомами в электротехнике являются: 1 - определения электротехнических величин; 2 - формулировки законов электромагнетизма (вместе с законами Кирхгофа и Ома). Исходным пунктом в определении величин электротехники можно считать закон Кулона и выводимое из него понятие величины электрического заряда q . Закон Кулона опирается на фундаментальное понятие механической силы и признание некоторого особенного рода силовых взаимодействий тел, названных электрическими (или электромагнитными) взаимодействиями. 4 Силовые взаимодействия заряженных тел определили подход к описанию собственно электрического поля. Напряженностью электрического поля Е назвали силу, с которой поле действует на тело с зарядом в 1 Кл. Для выделения составляющих этой силы ввели понятие индукции электрического поля D , которая определяет часть электрической силы, обусловленную зарядами - источниками электрического поля. Собственно, сила от источников определяется отношением D к электрической постоянной 12 Ф/м. Вторая составляющая силы получается за счет влияния 0  8,8510 диэлектрической среды, и эта составляющая уменьшает первичную силу. Параметром диэлектрической среды, характеризующим степень ослабления пер- вичной силы, является относительная диэлектрическая проницаемость  r . Кроме силовых характеристик существуют энергетические характеристики электрического поля. Само по себе понятие энергии довольно неопределенное. Однако эта величина введена как сохраняющаяся при различных взаимодействиях и тем удобная. Через величину энергии вводится понятие потенциала  , равного энергии, которою обладает в электрическом поле тело с зарядом в 1 Кл. Обычно нулем этой энергии считается энергия тела в бесконечном удалении. Напряжением называют разность потенциалов между двумя точками поля, одна из них начальная, другая – конечная. При этом точки неравноправны: U  1  2  2  1. При такой трактовке разности потенциалов оказывается, что напряжение - это работа сил электрического поля при перемещении тела с зарядом в 1 Кл из точки 1 в точку 2. Весьма близкая к напряжению величина - ЭДС источника электроэнергии. Ею называется энергия, сообщаемая заряженным частицам с суммарным зарядом в 1 Кл, прошедшим через источник. Все перечисленные величины характеризуют для начала неподвижные заряды. Для перемещающихся заряженных частиц важнейшая характеристика величина электрического тока I , протекающего через сечение объекта, которая представляет собою количество заряда, протекшего через сечение за 1 с. Если ток не постоянный, то для него вводится еще ряд понятий. Во-первых, это мгновенное значение тока i t  или просто i - значение тока в заданный 5 момент времени (или во все моменты времени). Для периодического (не обязательно синусоидального, но обязательно периодического) тока существует понятие действующего (эффективного) значения тока I , означающего в простейшей трактовке такое значение постоянного тока, которое так же нагревает резистор, как и данный переменный ток (разумеется, в одинаковых условиях нагревания). Более корректно под действующим значением периодического тока понимают среднеквадратичное за период значение величины тока. Кроме того, есть понятие амплитуды тока, среднего значения тока за период (то есть постоянной составляющей) и среднего значения тока за полупериод. Все указанные понятия относятся и к напряжению. Магнитное поле характеризуется прежде всего индукцией магнитного поля В , являющейся силовой характеристикой поля, которую не слишком строго можно определить как силу, действующую со стороны магнитного поля на проводник с током 1 А длиной 1 м, ориентированный в пространстве так, чтобы сила была максимальна. Действующая сила слагается из силы со стороны источников магнитного поля (намагничивающих токов) и силы со стороны намагниченной среды; первая сила определяется напряженностью магнитного поля Н , которую можно назвать частью силы со стороны намагничивающих токов. Соотношение между этой частью силы и полной силой, которая определяет индукцию, описывается относительной магнитной проницаемостью  r . Поток магнитного поля Ф через площадку, ограниченную некоторым контуром (может быть, из провода) - это поток вектора магнитной индукции  B dS через эту площадку, или, грубо говоря, число линий магнитного поля, S пересекающих площадку. Все перечисленные выше характеристики описывают состояние некоторой системы или процессы в ней (если состояние меняется во времени). Как известно, имеются еще характеристики отдельных элементов, не зависящие от электромагнитного состояния и представляющие собой некоторые коэффициенты пропорциональности между характеристиками процесса. Из этих характеристик назовем лишь некоторые, наиболее важные для темы дисциплины. Сопротивление резистора R (резистор - это элемент, назначение которого состоит только в переводе электрической энергии в тепло) - это отношение напряжения на зажимах резистора к току через его сечение. Емкость конденсатора C , имеющего на пластинах одинаковые по величине и разные по знаку заряды, определяется как абсолютная величина отношения заряда одной из пластин к напряжению между пластинами. Условие 6 насчет зарядов означает, во-первых, всего лишь два тела в системе (две пластины конденсатора), во-вторых, опирается на закон сохранения величины электрического заряда в системе и, в-третьих, предполагает первоначальную электрическую нейтральность системы. Индуктивностью L некоторого проволочного контура называется величина магнитного потока, созданного током 1 А этого же контура. В совокупности с законом электромагнитной индукции и с пропорциональностью магнитного поля намагничивающему току (что фиксируется законом полного тока) такое определение позволяет связать напряжение на контуре (или катушке из последовательно соединенных контуров) со скоростью изменения тока контура. Взаимной индуктивностью M между двумя контурами называют величину магнитного потока в одном из контуров, созданного другим контуром при токе в нем 1 А. В данном случае неважно, какой из контуров создает магнитное поле. Отметим также законы электромагнетизма, на которые явно или неявно будем ссылаться по ходу изучения дисциплины. Первый закон Кирхгофа представляет собою закон сохранения величины электрического заряда в системе, дополненный условием невозможности накопления электрического заряда в узле электрической цепи. Второй закон Кирхгофа - это перефразированный закон сохранения энергии с предположением о мгновенности распространения электромагнитных взаимодействий в электрической цепи. Оба закона Кирхгофа верны лишь для электрически коротких цепей. Закон Ома требует привязки напряжения к зажимам двухполюсника и тока к сечению ветви между этими полюсами. В простейшей трактовке закон Ома звучит: величина тока, протекающего через поперечное сечение электрической ветви, ограниченной двумя узлами, пропорциональна напряжению между этими узлами. Закон электромагнитной индукции связывает ЭДС в контуре со скоростью изменения магнитного потока в нем: dФ e . dt Направление ЭДС в контуре связано с положительным направлением магнитного потока в контуре правилом правого винта. В совокупности с законом полного тока, устанавливающим пропорциональность между напряженностью магнитного поля и намагничивающими токами, закон электромагнитной индукции позволяет использовать понятие взаимной индуктивности для описания взаимосвязи между скоростью изменения 7 намагничивающего тока с наводимой при этом ЭДС. Для синусоидального тока и линейной системы взаимная индуктивность дает простую пропорциональную зависимость намагничивающего тока в контуре, создающем магнитное поле, и наводимой в другом контуре ЭДС. Закон полного тока в более точной формулировке звучит: циркуляция вектора напряженности магнитного поля по некоторому контуру равна полному току внутри этого контура,  H dl  L Ik , k внутри L направление обхода контура и положительное направление тока внутри контура связаны друг с другом правилом правого винта. Закон Гаусса определяет взаимосвязь индукции электрического поля с электрическим зарядом, создающим поле: поток вектора электрической индукции через замкнутую поверхность равен суммарному заряду внутри этой поверхности,  D dS  S  k внутри S qk . Закон непрерывности линий индукции магнитного поля утверждает отсутствие магнитных зарядов: поток вектора индукции магнитного поля через замкнутую поверхность равен нулю:  B dS  0. S В настоящее время номинальное напряжение ЛЭП достигает 1 150 000 В (1 150 кВ), а передаваемая мощность по одной цепи такой линии составляет до 6 Гигаватт (более мощности, потребляемой потребителями всей Нижегородской области в 2 000 г.). Общая протяженность электрических сетей в России с номинальным напряжением 35 – 1 150 кВ превосходит 800 000 км. Чрезвычайно большое значение приобретают вопросы создания и эксплуатации комплекса оборудования, необходимого для генерирования, передачи, преобразования и распределения электрической энергии: генераторов, трансформаторов, воздушных и кабельных линий, конденсаторов и других аппаратов. Высокие напряжения сегодня широко используются в электротехнологиях: окраска, электрофильтры, очистка воды, электрогидравлические и электроимпульсные технологии - бурение, дробление, резание горных пород и др.; в электрофизических установках - управляемый термоядерный синтез, ускорители, лазеры и др. В высоковольтном оборудовании используются газообразные, жидкие, твердые изоляционные материалы и их комбинации. 8 Изоляция разделяется на внешнюю (воздух и все, что находится в воздухе) и внутреннюю (эта изоляция отделена от окружающей среды корпусами и может быть газообразной, жидкой, твердой, комбинированной). Поскольку основной причиной выхода из строя высоковольтного оборудования являются отказы изоляции, то наибольшие усилия направляются на сохранение ее в целостности. И здесь особую роль играет знание закономерностей зарождения и развития разрядов в диэлектриках (в изоляции). Техника высоких напряжений представляет собой науку о характеристиках устройств и процессах в них при экстремальных электромагнитных воздействиях - высоких напряжениях и сильных токах, а также о технологическом использовании этих процессов. Курс лекций включает четыре крупных раздела: 1. Разряды в диэлектриках. 2. Высоковольтная изоляция. 3. Высоковольтное оборудование и измерения. 4. Перенапряжения и защита от них. 9 ТЕРМИНОЛОГИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ Электрическим пробоем диэлектрика называется явление потери диэлектриком изоляционных свойств при превышении напряженностью электрического поля критического значения. Электрической прочностью диэлектрика Е пр называют среднее значение напряженности электрического поля в межэлектродном промежутке непосредственно перед пробоем, поскольку проще всего измерять и оценивать именно эту величину: U пр , Е пр  S U пр - пробивное напряжение изоляции - напряжение, при котором изоляция теряет изоляционные свойства; S - расстояние между электродами. Электрическим пробоем изоляции называют явление потери изоляцией изоляционных свойств при превышении напряжением на изоляции критического значения. На электрическую прочность изоляционного промежутка влияют:  форма электродов;  расстояние между электродами;  скорость нарастания напряжения;  длительность приложенного напряжения. Электрическая прочность газового промежутка зависит также от давления и температуры газа. По степени однородности электрического поля, зависящей от формы электродов, различают два вида изоляционных промежутков:  изоляционные промежутки с однородным и слабонеоднородным электрическим полем (ОП и СНП);  изоляционные промежутки с резконеоднородным электрическим полем (РНП). Количественной характеристикой степени однородности поля является коэффициент неоднородности: kн  где E max , E ср E max - максимальное значение напряженности электрического поля в изо- ляционном промежутке; E ср - среднее значение напряженности электрического поля. 10 К промежуткам с СНП относятся промежутки, у которых k н  2 - это промежутки с электродами типа «плоскость – плоскость» с закругленными краями или промежутки с электродами типа «шар – шар», если радиусы шаров много больше расстояния между их поверхностями. Для однородного поля k н  1. К промежуткам с РНП относят промежутки, имеющие k н  3 ...4 . Наиболее резко выраженными изоляционными промежутками этого типа являются промежутки с электродами «стержень – плоскость». Изоляция электроустановки служит для предотвращения протекания электрического тока между изолируемыми частями. В нормальном состоянии через изоляцию могут протекать три вида токов. 1. Емкостные токи при переменном напряжении, которые зависят от емкости изоляции и могут быть большими по величине; способность изоляции проводить емкостные токи характеризуется величиной емкости изоляции. 2. Абсорбционные токи (токи различных видов замедленной поляризации), сказывающиеся и при постоянном, и при переменном напряжениях; характеристикой изоляции в отношении абсорбционных токов являются угол диэлектрических потерь  и коэффициент абсорбции. 3. Сквозные токи, чрезвычайно малые по величине, которые протекают при постоянном напряжении через длительное время после его включения; способность изоляции проводить сквозные токи характеризуется величиной сопротивления изоляции. Любая изоляция нагревается при приложении к ней напряжения. Причиной нагрева являются сквозные токи через изоляцию, нагрев за счет замедленных видов поляризации, ионизация газовых включений в твердой изоляции и неоднородность структуры изоляции. Диэлектрическими потерями называют мощность нагрева изоляции за счет приложенного к ней напряжения. Диэлектрические потери при переменном напряжении обычно существенно больше, чем при постоянном напряжении той же величины, что и действующее значение переменного напряжения. Основную роль в нагреве на переменном напряжении до начала ионизации чаще всего играют поляризационные потери. 11 Углом диэлектрических потерь  называют угол, дополняющий до 90° угол сдвига фазы между напряжением на изоляции и током через изоляцию. Величина tg  показывает соотношение между активной мощностью нагрева изоляции и реактивной емкостной мощностью в изоляции. Понятие угла диэлектрических потерь применимо только для синусоидальных напряжений и токов. Для определенности понятия емкости реальных конденсаторов или изоляции используют схемы замещения. Чаще всего используют две простейшие схемы замещения, составленные емкостным элементом и резистивным элементом: последовательную и параллельную. Рисунок 1 - Схемы замещения реальных конденсаторов или изоляции Расчетная величина емкости не зависит от выбора схемы замещения только при малых диэлектрических потерях. 12 Тема 1. МЕХАНИЗМЫ ПРОБОЯ ИЗОЛЯЦИИ Очень малая концентрация свободных заряженных частиц в диэлектрике приводит к очень малым сквозным токам в изоляции при небольших напряжениях. При пробое концентрация свободных заряженных частиц резко повышается. Это повышение обусловлено следующими шестью группами физических механизмов, из которых для газов имеют значение первые четыре группы. 1. Ударная ионизация. При столкновении нейтрального атома или молекулы с частицей, движущейся с большой скоростью (чаще всего это электрон) может произойти отрыв электрона от нейтрального атома или молекулы с образованием свободного электрона и положительного иона. Этот эффект называется ударной ионизацией, и он происходит, если кинетическая энергия ионизирующей частицы W кин превышает энергию, необходимую для отрыва электрона (энергию ионизации W и ), W кин  W и . При таком процессе концентра- ция свободных зарядов увеличивается и растет электрический ток. Количество носителей заряда уменьшается не только из-за переноса частиц на электроды, но и из-за явления рекомбинации, то есть нейтрализации иона частицей с противоположным по знаку зарядом. 2. Фотоионизация в объеме газа имеет место при воздействии жесткого электромагнитного излучения, к которому относятся ультрафиолетовые лучи, рентгеновское и гамма-излучение. Фотоионизация происходит в случае, если энергия кванта электромагнитного излучения не менее величины энергии ионизации, h    W и , где h - постоянная Планка (постоянная Планка играет роль переводного коэффициента (всегда одного и того же), связывающего две системы единиц — квантовую и традиционную),  - частота электромагнитного излучения. 3. Термическая ионизация при тепловых соударениях становится заметной при температурах в тысячи градусов Цельсия, тогда как при обычных температурах в диэлектриках не происходит отрыва электронов при тепловых соударениях частиц, поскольку энергии теплового движения даже у самых быстрых частиц недостаточно для ионизации. 4. Эмиссия электронов с поверхности электродов (из катода), при которой электроны проникают вглубь диэлектрика. Различают четыре вида эмиссии: 4.1. термоэлектронная эмиссия - освобождение электронов из катода при его нагреве; в отличие от термической ионизации требуется сравнительно небольшая температура в несколько сотен градусов; 13 4.2. фотоэлектронная эмиссия - освобождение электронов при облучении катода коротковолновым электромагнитным излучением (эффект Столетова); для многих металлов достаточно облучения видимым светом; 4.3. автоэлектронная эмиссия - освобождение электронов из металла за счет высокой напряженности электрического поля порядка 105 106 В/см, которая может быть реализована на остриях электрода; 4.4. вторичная электронная эмиссия - освобождение электронов из катода при бомбардировке его тяжелыми частицами (положительными ионами). Процессы пробоя жидких и твердых диэлектриков отличаются большим разнообразием и сложностью. 5. В жидких диэлектриках большое значение имеют тепловые ионизационные процессы, то есть нагрев жидкости с ее разложением, приводящий к появлению газовых пузырьков и развитию в них процессов ионизации, поскольку газовые диэлектрики обычно имеют существенно меньшую электрическую прочность. Другим важным фактором пробоя жидкого диэлектрика является наличие в нем посторонних примесей (твердых примесей, влаги и газовых пузырьков), вызывающих локальное увеличение напряженности электрического поля. 6. В твердых диэлектриках пробой может вызываться как электрическими процессами (то есть ударной ионизацией), так и тепловыми процессами, возникающими под действием электрического поля. Немалую роль в твердых диэлектриках играют и электрохимические процессы, то есть разложение твердого диэлектрика под действием химически активных ионизированных частиц. При электрических процессах сильно различаются электрические прочности диэлектриков однородной и неоднородной структуры. В случае разогрева диэлектрика под действием приложенного электрического поля происходит электротепловой пробой, а при ионизации газовых включений с разложением твердого диэлектрика сравнительно медленно развивается электрохимический пробой. 1.1. Ионизационные процессы в газе В отсутствие внешнего электрического поля частицы газа находятся в состоянии хаотического (теплового) движения, постоянно сталкиваясь с другими частицами. Если на единице длины пути частица испытала Z столкновений, то средняя длина ее свободного пробега  равна: 1  . Z Значение  зависит от концентрации частиц и, следовательно, от давления и температуры газа. С увеличением давления и уменьшением температуры 14 -  уменьшается. Частицы газа при тепловом движении перемещаются беспорядочно. Наличие внешнего электрического поля приводит к возникновению направленного движения заряженных частиц, если таковые имеются, т.е. к появлению в газе электрического тока. Подвижность частицы в электрическом поле зависит от ее массы: чем больше масса частицы, тем меньше ее подвижность. При рассмотрении процессов возникновения и исчезновения заряженных частиц в газе можно считать электроны частицами и не учитывать их волновые свойства. Когда электроны находятся на наименьших стационарных орбитах, то потенциальная энергия атома минимальна. Такое состояние атома является устойчивым и называется нормальным. Переход одного или нескольких электронов с нормальных орбит на более удаленные от ядра орбиты называется возбуждением атома. Энергию, необходимую для возбуждения, атом, или молекула, могут получить при столкновении с другой частицей или при поглощении коротковолнового излучения (фотовозбуждение). Время пребывания атома в возбужденном состоянии составляет 10 10 с. Возвращение атома в нормальное состояние происходит самопроизвольно и сопровождается излучением фотона. Когда электрон удаляется от ядра настолько, что взаимодействие его с ядром практически исчезает, то электрон становится свободным. Происходит ионизация атома, в результате которой образуются две независимые частицы: электрон и положительный ион. Одновременно с ионизацией атомов и молекул газа происходит процесс взаимной нейтрализации заряженных частиц - рекомбинация. Вследствие действия двух противоположных факторов - ионизации и рекомбинации - устанавливается равновесное состояние, при котором в единицу времени возникает и рекомбинирует определенное количество заряженных частиц. Это равновесное состояние характеризуется определенной степенью ионизации газа, т.е. отношением концентрации ионизованных частиц к общей концентрации частиц. При этом коэффициент степени ионизации газа определяется выражением: К ион  nион , N где nион - концентрация ионизованных частиц; N  - общая концентрация частиц ( N   10 22 атомов на см3). Газ, в котором значительная часть атомов и молекул ионизирована, называется плазмой ( nион  1012 1014 ионов на см3). Концентрация положительных и отрицательных зарядов в плазме примерно одинакова. 15 Плазма - форма существования вещества при температуре примерно 5 000 К и выше. При столкновении электронов с нейтральным атомом или молекулой возможен захват ими электрона и образование отрицательного иона. Газы, в которых возможно образование отрицательных ионов, называются электроотрицательными (кислород, хлор, пары воды и др.). Газы, в которых отрицательные ионы не образуются - электроположительными (азот, гелий). Различают объемную и поверхностную ионизации газов: Объемная ионизация - образование заряженных частиц в объеме газа между электродами. Поверхностная ионизация - излучение (эмиссия) заряженных частиц с поверхности электродов. о 1.2. Пробой газового промежутка с однородным полем За счет действия внешних ионизаторов в изоляции образуется некоторое число свободных электронов. В качестве таких ионизаторов обычно выступает космическое излучение и естественная радиоактивность горных пород. Если в промежутке появится свободный электрон, то он будет ускоряться электрическим полем. При достаточно большой напряженности поля электрон до соударения приобретет кинетическую энергию, достаточную для ударной ионизации. После первого акта ионизации будет уже два свободных электрона; постоянно возрастающий поток электронов называется электронной лавиной. Если после прохождения первой лавины и поглощения заряженных частиц электродами в результате актов вторичной ионизации появится новый свободный электрон (вторичная и фотоэлектронная эмиссия с катода, фотоионизация в объеме газа), то процесс будет самоподдерживающимся. Такой разряд называют самостоятельным разрядом. Для изоляционного промежутка с однородным электрическим полем это означает пробой промежутка. Пробивное напряжение газового промежутка с однородным (ОП) и слабонеоднородным (СНП) электрическим полем зависит как от расстояния между электродами, так и от давления и температуры газа. Эта зависимость определяется законом Пашена, согласно которому пробивное напряжение газового промежутка с ОП и СНП определяется произведением относительной плотности газа  на расстояние между электродами S , U пр  f   S  . Относительной плотностью газа  называют отношение плотности газа в данных условиях к плотности газа при нормальных условиях (20° С, 760 мм рт. ст.). Первоначально закон был сформулирован для зависимости пробивного 16 напряжения от расстояния между электродами S и давления газа р . При постоянстве температуры обе зависимости аналогичны. Характер зависимости показан на рисунке 1.1. Рисунок 1.1 - Вид зависимости закона Пашена Значение  p  S * для нормальной температуры равно 0,57 см·(мм рт. ст.), так что нормальные давления соответствуют области, отображенной овалом на рисунке 1.1. В этой области зависимость U пр  f   S  хорошо аппроксимируется выражением U пр  a    S  b   S , где a и b - константы; В частном случае для воздуха: U пр  24 ,5    S  6 ,4   S , если U пр - в киловольтах, а S - в сантиметрах. 1.3. Особенности пробоя газового промежутка с резконеоднородным электрическим полем В промежутке типа «стержень – плоскость» (С-П) напряженность электрического поля у острия существенно больше средней напряженности поля в промежутке. При сравнительно небольшой средней напряженности поля у острия напряженность настолько велика, что там может происходить ударная ионизация с развитием электронных лавин и образованием проводящих каналов - стримеров. 17 Обладающие большой подвижностью отрицательные свободные электроны ответственны за образование новых заряженных частиц, а остающиеся после ионизации малоподвижные положительные ионы меняют распределение электрического поля в промежутке. Поскольку ионизация начинается всегда у острия, то при его положительной полярности положительный объемный заряд (ПОЗ) экранирует острие и затрудняет развитие ионизационных процессов вблизи острия, облегчая в то же время развитие разряда в оставшемся промежутке между ПОЗ и отрицательной плоскостью. При отрицательном острие положительный объемный заряд вблизи него резко интенсифицирует ионизацию вблизи острия, затрудняя развитие разряда в промежутке «ПОЗ - положительная плоскость». Перечисленные факторы определяют основные отличия закономерностей пробоя промежутка «стержень – плоскость» от промежутка с однородным и слабонеоднородным электрическим полем, которые сводятся к следующему: 1. электрическая прочность промежутка «стержень – плоскость» существенно меньше электрической прочности промежутка с однородным и слабонеоднородным электрическим полем. Так при нормальных условиях электрическая прочность воздуха при расстояниях между электродами порядка десятков сантиметров составляет примерно 30 кВ/см для однородного поля и снижается до единиц киловольт на сантиметр для промежутка «стержень – плоскость»; 2. при сравнительно небольших напряженностях электрического поля в промежутке «стержень – плоскость» наблюдается явление короны, то есть самостоятельного электрического разряда вблизи стержня, сопровождающегося свечением и потрескиванием, при котором только часть промежутка становится проводящей, а промежуток в целом сохраняет изоляционные свойства; 3. напряжение начала короны зависит от полярности стержня, при отрицательном стержне корона начинается при существенно меньшем напряжении, чем при положительном острие; 4. эффект полярности наблюдается и при пробое промежутка «стержень – плоскость». При положительном стержне напряжение пробоя в 2 – 2,5 раза меньше, чем при отрицательном стержне. 18 1.4. Пробой газового промежутка при импульсном напряжении При кратковременном приложении напряжения, когда время приложения напряжения сопоставимо со временем развития пробоя, процесс пробоя изменяется с изменением пробивного напряжения, что отличает эту ситуацию от медленно нарастающего напряжения. Пробивное напряжение зависит от скорости подъема напряжения на изоляционном промежутке, поскольку вначале требуется некоторое время для достижения статического пробивного напряжения, затем требуется время на появление первого эффективного электрона, с которого начинается развитие пробоя, и затрачивается какое-то время на формирование канала разряда. Все составляющие предразрядного времени зависят от скорости подъема напряжения и, в общем, от формы импульса напряжения. Разрядное напряжение оказывается связанным с предразрядным временем, и эта зависимость называется вольт-секундной характеристикой изоляционного промежутка. Кратковременные повышения напряжения происходят при разрядах молнии в оборудование или при близких разрядах молнии. Для обеспечения защиты оборудования от перенапряжений с помощью защитного разрядного промежутка требуется, чтобы при быстром подъеме напряжения пробивался защитный промежуток. Вольт-секундные характеристики изоляции оборудования определяют при параметрах импульса, близких к средним параметрам грозовых перенапряжений. Эти параметры определяются ГОСТ 1516.2-97, а соответствующий импульс называется стандартным грозовым импульсом. Определение характеристик изоляции на стандартном грозовом импульсе обеспечивает сопоставимость результатов испытаний и возможности защиты изоляции от грозовых перенапряжений. ГОСТ 1516.2-97 определяет время нарастания импульса напряжения и длительность импульса. Для выделения наиболее значимой части импульса на его фронте (рисунке 1.2) проводят прямую линию через точки, соответствующие 0,3 и 0,9 амплитуды импульса и по пересечению этой линией оси абсцисс и линии максимального значения импульса определяют длительность фронта ф , а по времени достижения спада импульса до половины максимального значения определяют длительность импульса и . Для стандартного грозового импульса ф  1,2 мкс  30 % , и  50 мкс  20 % . 19 Рисунок 1.2 - Определение параметров апериодического импульса Вольт-секундные характеристики имеют особое значение в вопросах защиты оборудования от перенапряжений, когда защитными элементами служат искровые промежутки (рисунок 1.3, а), вентильные и трубчатые разрядники, ОПН. При воздействии грозовых перенапряжений факт пробоя защитного промежутка или защищаемой изоляции определяется видом вольт-секундных характеристик и их взаимным пересечением (рисунок 1.3, б). Рисунок 1.3 - Вольт-секундные характеристики промежутков разных типов Вольт-секундные характеристики промежутков с однородным и слабонеоднородным электрическим полем имеют более пологий вид по сравнению с промежутками с резконеоднородным полем. Защитный промежуток S1 (рисунок 1.3, а) не обеспечит защиту изоляции элемента схемы S 2 при предразрядных временах менее t*пр , хотя на частоте 50 Гц пробивное напряжение S1 может быть меньше, чем у S 2 . Из-за сложности получения вольт-секундных характеристик часто пользуются более простым пятидесятипроцентным пробивным напряжением, под каковым понимают амплитуду такого стандартного грозового импульса, при котором из десяти поданных на промежуток импульсов пять приводят к пробою промежутка, а оставшиеся пять - нет. 20 1.5. Перекрытие изоляции Перекрытием называют разряд по границе раздела двух сред, чаще всего это граница «твердый диэлектрик – газ». Напряжение перекрытия U пер всегда существенно меньше пробивного напряжения U пр чисто газового промежутка с теми же электродами. Основными причинами этого эффекта считают: 1. влияние газовых включений между металлом электрода и твердым диэлектриком; 2. влияние микрокапель влаги; 3. накопление объемных зарядов на боковой поверхности изолятора. Газовые включения между твердой изоляцией и металлом электродов характеризуются повышенной напряженностью электрического поля в газовом включении, определяемой условиями на границе раздела «твердый диэлектрик – воздух» (рисунке 1.4) и определяются соотношением: Е ТД ЕВ   rВ . rТД Рисунок 1.4 - Влияние воздушных включений между твердой изоляцией и металлом электродов Поскольку диэлектрическая проницаемость твердого диэлектрика больше, чем диэлектрическая проницаемость воздуха, постольку напряженность поля в воздухе больше напряженности поля в твердом диэлектрике. Ионизация в газовых включениях начинается при сравнительно небольшом напряжении. Продукты ионизации выходят на боковую поверхность, накапливаются там, повышают напряженность электрического поля в оставшемся промежутке и облегчают разряд. 21 Наличие микрокапель влаги приводит к повышению напряженности поля на краях капель и к перекрытию промежутков между ними при меньшем напряжении, чем при сухой поверхности. Для увеличения U пер применяют ребристые конструкции изоляторов, увеличивающие разрядный путь. В опорном изоляторе (рисунок 1.5) электрическое поле часто неоднородно, что дополнительно снижает разрядные напряжения. En Е Et Рисунок 1.5 - Распределение электрического поля у опорного изолятора Напряжение перекрытия проходного изолятора (рисунок 1.6) обычно в несколько раз меньше напряжения перекрытия опорного изолятора при одинаковой длине пути перекрытия. E Et En Рисунок 1.6 - Распределение электрического поля у проходного изолятора Связано это с близким расстоянием между разнопотенциальными электродами в проходном изоляторе и большой составляющей напряженности электрического поля, перпендикулярной поверхности твердой изоляции, из-за чего ионизация на фланце изолятора начинается при весьма небольшом напряжении. Большая емкость между каналом разряда и близким внутренним электродом приводит к сравнительно большому емкостному току между каналом разряда и внутренним электродом, что приводит к нагреву канала и большей его стабильности. 22 Выводы: Превышение напряжения на изоляции выше критического значения приводит к пробою изоляции. Значение пробивного напряжения зависит от свойств изоляционного материала, структуры электрического поля в изоляционном промежутке и скорости нарастания пробивного напряжения на промежутке. Пробой изоляции происходит из-за явлений ударной ионизации, фотоионизации в объеме газа, термической ионизации, эмиссии электронов из катода. В жидкостях особое значение имеют тепловые процессы и наличие примесей, в твердой изоляции при пробое происходят электрические, тепловые и электрохимические процессы. Пробивное напряжение газового промежутка с однородным и слабонеоднородным электрическим полем зависит от произведения относительной плотности газа на расстояние между электродами. Эта зависимость характеризуется снижением электрической прочности при увеличении расстояния между электродами при условиях, близких к нормальным и имеет минимум при очень низких давлениях или очень малых расстояниях между электродами. Разрядный промежуток с электродами типа «стержень – плоскость» характеризуется существенно меньшей электрической прочностью по сравнению с промежутком с однородным и слабонеоднородным электрическим полем, наличием явления короны и двойным эффектом полярности. При отрицательном стержне корона начинается при существенно меньшем напряжении, чем при положительном, а пробивное напряжение при положительном стержне меньше, чем при отрицательном. При быстром подъеме напряжения разрядное напряжение оказывается связанным с предразрядным временем, эта зависимость называется вольт-секундной характеристикой изоляционного промежутка. Вольт- секундная характеристика определяется на стандартных грозовых импульсах. Напряжение перекрытия проходных изоляторов существенно меньше напряжения перекрытия опорных изоляторов при одинаковой длине пути перекрытия. 23 Тема 2. ИЗОЛЯТОРЫ ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ И ПОДСТАНЦИЙ 2.1. Основные характеристики изоляторов Изоляторами называют электротехнические изделия, предназначенные для изолирования частей электроустановки с разными потенциалами, т.е. для предотвращения протекания электрического тока между этими частями электроустановки, и для механического крепления токоведущих частей. По расположению токоведущей части различают: 1. опорные; 2. проходные; 3. подвесные изоляторы, назначение которых прямо определяются их названиями. По конструктивному исполнению изоляторы делятся на: 1. тарельчатые (изоляционная часть в форме тарелки); 2. стержневые (изоляционная часть в виде стержня или цилиндра); 3. штыревые (изолятор имеет металлический штырь, несущий основную механическую нагрузку). По месту установки различают: 1. линейные изоляторы, используемые для подвески проводов линий электропередачи и контактной сети; 2. станционные изоляторы, используемые на электростанциях и подстанциях. При этом одни и те же типы изоляторов, например, подвесные тарельчатые, могут быть и линейными, и станционными. Основными характеристиками изоляторов являются: 1. номинальное напряжение электроустановки, для которой предназначен изолятор; 2. разрядные напряжения; 3. геометрические параметры; 4. механические характеристики. 24 К разрядным напряжениям изоляторов относят три напряжения перекрытия и одно пробивное напряжение: 1. сухоразрядное напряжение U схр - напряжение перекрытия чистого сухого изолятора при напряжении частотой 50 Гц (эффективное значение напряжения); 2. мокроразрядное напряжение U мкр - напряжение перекрытия чистого изолятора, смоченного дождем, падающим под углом 45° к вертикали, при напряжении частотой 50 Гц (эффективное значение напряжения); 3. импульсное разрядное напряжение U имп - пятидесятипроцентное напряжение перекрытия стандартными грозовыми импульсами (амплитуда импульса, при которой из десяти поданных на изолятор импульсов пять завершаются перекрытием, а оставшиеся пять не приводят к перекрытию); 4. пробивное напряжение U пр - напряжение пробоя изоляционного тела изолятора на частоте 50 Гц; редко используемая характеристика, поскольку пробой вызывает необратимый дефект изолятора и напряжение перекрытия должно быть меньше пробивного напряжения. У подвесных тарельчатых изоляторов мокроразрядное напряжение в 1,8 … 2 раза меньше сухоразрядного напряжения. Эти изоляторы спроектированы так, чтобы в сухом состоянии пробивное напряжение превышало напряжение перекрытия примерно в 1,6 раза, что обеспечивает отсутствие пробоя при перенапряжениях. У стержневых изоляторов различие мокроразрядного и сухоразрядного напряжения не столь велико, порядка 15 … 20%. Импульсное разрядное напряжение практически не зависит от увлажнения и загрязнения изолятора и обычно примерно на 20% больше амплитуды сухоразрядного напряжения. Загрязнения на поверхности изолятора сильно снижают мокроразрядное напряжение изолятора. К геометрическим параметрам изоляторов относят: 1. строительная высота Н с , то есть габарит, который изолятор занимает в конструкции после его установки; у некоторых изоляторов, например, у тарельчатых подвесных, строительная высота меньше реальной высоты изолятора; 2. наибольший диаметр D изолятора; 3. длина пути утечки по поверхности изолятора l у ; 25 4. кратчайшее расстояние между электродами по воздуху l с (сухоразрядное расстояние), от которого зависит сухоразрядное напряжение; 5. мокроразрядное расстояние l м , определяемое в предположении, что часть поверхности изолятора стала проводящей из-за смачивания дождем, падающим под углом 45° к вертикали. Длина пути утечки изолятора нормируется ГОСТ 9920-89 для различных категорий исполнения и в зависимости от степени загрязненности атмосферы (таблица 2.1). Эффективной длиной пути утечки называют длину пути, по которому развивается разряд по загрязненной поверхности изолятора. Таблица 2.1 - Нормированные эффективные длины пути утечки внешней изоляции электрооборудования Удельная эффективная длина пути утечки, см/кВ, не менее, при Категория исполне- Степень загрязненноминальном напряжении U ном , кВ ния изоляции ности атмосферы 6-35 110-750 А 1,2,3 1,9-2,2 1,4-1,9 Б 3,4,5 2,2-3,0 1,8-2,6 В 5,6 3,0-3,5 2,6-3,1 Основными механическими характеристиками изоляторов являются три следующие характеристики: 1. минимальная разрушающая сила на растяжение, имеющая преимущественное значение для подвесных изоляторов; 2. минимальная разрушающая сила на изгиб, имеющая преимущественное значение для опорных и проходных изоляторов; 3. минимальная разрушающая сила на сжатие, которая для большинства изоляторов имеет второстепенное значение. Измеряют минимальную разрушающую силу в деканьютонах (даН), что почти совпадает с килограммом силы, или в килоньютонах (кН). Изготавливают изоляторы из электротехнического фарфора, закаленного электротехнического стекла и полимерных материалов (кремний- органическая резина, стеклопластик, фторопласт). 26 2.2. Линейные и станционные изоляторы Изоляторы воздушных линий электропередачи чаще всего бывают тарельчатые, штыревые и стержневые. Наиболее распространены тарельчатые изоляторы, одна из возможных конструкций которого показана на рисунке 2.1. Для повышения надежности изоляции и повышения разрядных напряжений тарельчатые изоляторы соединяют в гирлянды. Рисунок 2.1 - Подвесные изоляторы типов ПФ-6А; ПФ-6Б; ПФ-6В Узел крепления у тарельчатых изоляторов выполнен шарнирным, поэтому на изолятор действует только растягивающая сила. Стержневые изоляторы изготавливают из высокопрочного фарфора и из полимерных материалов. Механическая прочность фарфоровых стержневых изоляторов меньше, чем у тарельчатых, поскольку фарфор в стержневых изоляторах работает на растяжение, а иногда и на изгиб, а в тарельчатых - на сжатие внутри чугунной шапки изолятора. Несущей конструкцией полимерного изолятора (рисунок 2.2) обычно является стеклопластиковый стержень, имеющий слабую дугостойкость. Этот стержень закрывают ребристым чехлом из кремнийорганической резины или фторопласта, которые обладают отталкивающими свойствами к влаге и загрязнениям. D H L d Рисунок 2.2 - Стержневой полимерный изолятор 110 кВ 27 Штыревые изоляторы крепятся на опоре с помощью металлического штыря или крюка (рисунок 2.3). Из-за большого изгибающего усилия на такой изолятор применяют штыревые изоляторы на напряжения не выше 35 кВ. Рисунок 2.3 - Штыревые изоляторы типов ШФ6-А и ШФ10-А В качестве станционных изоляторов используются опорные изоляторы, в основном стержневого типа (рисунки 2.4, 2.5), проходные изоляторы разных типов (рисунок 2.6) и подвесные изоляторы (гирлянды тарельчатых изоляторов – рисунки 2.1, 2.2). Рисунок 2.4 - Опорные изоляторы типов ОФ-6-375 ов; ОФ-6-750 ов; ОФ-10-375 ов; ОФ-35-375 ов; ОФ-10-750 ов Рисунок 2.5 - Опорный изолятор ребристого типа ОФР-10-750 Рисунок 2.6 - Проходной изолятор типа ПН-10/400-750 28 В таблице 2.2 приведены характеристики нескольких распространенных видов изоляторов. Таблица 2.2 - Основные характеристики некоторых типов изоляторов l ут , U схр , U мкр , Разрушающая сила, кН D, Нс, Тип растяж. сжатие изгиб мм мм мм кВ кВ Стержневые фарфоровые VKL-60/7 544 120 140 100 80 2 ИКСУ-27,5 565 195 140 110 60 5,2 Штыревые фарфоровые ШФ-10А 105 140 215 60 34 14 ШФ-10Г 140 146 265 100 42 12,5 Штыревые стеклянные ШС-10А 110 150 210 60 34 14 Полимерные, ребристые из кремнийорганической резины НСК-120/27,5 350 115 950 140 100 120 ФСК-70/0,9 540 150 950 140 100 70 4 ОСК-70/0,9 440 150 950 140 100 70 200 5 Стеклопластиковый стержень, покрытый фторопластовой защитной трубкой НСФт-120/1,2 1514 14 1200 215 90 Тарельчатые фарфоровые ПФ-70А 146 255 303 70 40 70 ПФГ-60Б 125 270 375 70 40 60 Тарельчатые стеклянные ПС-70Д 146 255 303 40 70 - 2.3. Распределение напряжения вдоль гирлянды изоляторов Гирлянда изоляторов, составленная из подвесных тарельчатых изоляторов, является одной из наиболее часто встречающихся видов изоляции проводов воздушных линий и контактной сети. Напряжение, приложенное к гирлянде изоляторов, распределяется неравномерно, и на разные изоляторы приходятся разные доли напряжений, что снижает напряжение начала короны и напряжение перекрытия гирлянды. В наиболее неблагоприятной ситуации оказывается изолятор, ближайший к проводу. Основной причиной неодинаковых напряжений на изоляторах можно считать наличие паразитных емкостей металлических частей изоляторов по отношению к земле (рисунок 2.7). Рисунок 2.7 - Гирлянда изоляторов и схема замещения гирлянды 29 В гирлянде можно различить три вида емкостей: собственные емкости изоляторов С 0 , емкости металлических частей по отношению к земле С1 и емкости по отношению к проводу С 2 . Порядок величин емкостей примерно таков: С 0  50 пФ, С1  5 пФ, С 2  0 ,5 пФ. В первом приближении емкостью изоляторов по отношению к проводу можно пренебречь, и тогда схема замещения гирлянды сухих изоляторов выглядит как на рисунке 2.7, б. При переменном напряжении по емкостным элементам протекает емкостный ток, и ток первого снизу изолятора разветвляется на ток емкостного элемента по отношению к земле и ток оставшейся части гирлянды. Через второй снизу изолятор течет емкостный ток меньшей величины, и падение напряжения максимально на нижнем, ближайшем к проводу изоляторе, который находится в наихудших условиях. При числе изоляторов больше трех - четырех минимальное напряжение приходится, однако, не на самый верхний изолятор. Наличие емкостей С 2 приводит к некоторому выравниванию неравномерности падений напряжения и минимальное напряжение оказывается на втором - третьем (или далее, в зависимости от числа изоляторов в гирлянде) изоляторе сверху. На рисунке 2.8 показано распределение напряжения на гирлянде из 22 изоляторов линии 500 кВ; на один изолятор приходится от 9 до 29 кВ при среднем значении 13 кВ. Рисунок 2.8 - Доля напряжения на изоляторах в гирлянде из 22 изоляторов Для выравнивания напряжения по изоляторам гирлянды применяют экраны в виде тороидов, овалов, восьмерок, закрепляемых снизу гирлянды; на линиях с расщепленными фазами утапливают ближайшие изоляторы между проводами расщепленной фазы; расщепляют гирлянду около провода на две. Все эти меры выравнивают распределение напряжения из-за увеличения емкости С 2 . 30 Выводы: Среди изоляторов по расположению токоведущей части различают опорные, проходные и подвесные изоляторы, по конструктивному исполнению различают тарельчатые, стержневые и штыревые изоляторы, а по месту установки различают линейные и станционные изоляторы. К основным характеристикам изоляторов относят номинальное напряжение, разрядные напряжения, геометрические параметры и механические характеристики. Напряжение, приложенное к гирлянде изоляторов, распределяется неравномерно, и наибольшее напряжение оказывается на изоляторе, ближайшем к проводу. 2.4. Внутренняя изоляция электроустановок 2.4.1. Изоляция силовых трансформаторов Изоляция силовых трансформаторов с металлическим баком разделяется на внешнюю и внутреннюю. Внешняя изоляция составлена воздушными промежутками: между вводами; между вводами и заземленным баком; а также по поверхности фарфоровых покрышек вводов. К внутренней изоляции относят изоляционные промежутки внутри бака: изоляцию обмоток, масляной части вводов, отводов и вспомогательных устройств. Изоляцию обмоток разделяют на главную и продольную. Главная изоляция составлена изоляцией между обмотками; между обмотками и магнитопроводом; междуфазной изоляцией между наружными катушками двух соседних стержней; и изоляцией наружной катушки от стенки бака. К продольной изоляции относят изоляционные промежутки между витками, между слоями витков и между катушками одной обмотки. Габариты главной и продольной изоляции при напряжениях до 220 кВ включительно определяются грозовыми перенапряжениями. Конструкция изоляции должна обеспечивать охлаждение активных частей трансформатора. 31 Главная изоляция выполняется преимущественно маслобарьерного типа. Эта изоляция представляет собою трансформаторное масло с барьерами из электротехнического картона. Она обладает высокой импульсной электрической прочностью. Обеспечивает интенсивное охлаждение обмоток и магнитопровода. Общий вид такой изоляции показан на рисунке 2.9. Рисунок 2.9 - Общий вид главной изоляции обмоток трансформаторов Набор барьеров составляют из трех основных видов: цилиндрический барьер, плоская шайба и угловая шайба. Барьеры разделяют один большой масляный промежуток на несколько меньших, что увеличивает общее пробивное напряжение. Для наибольшего эффекта барьеры должны располагаться перпендикулярно силовым линиям электрического поля. Для обеспечения циркуляции масла и отвода тепла сооружают масляные каналы двух основных видов (рисунок 2.10): вертикальные каналы между цилиндрическими барьерами и между барьерами и обмоткой с помощью вертикальных реек; горизонтальные каналы между витками с помощью горизонтальных прокладок, которые служат одновременно для крепления вертикальных реек. Рисунок 2.10 - Вертикальное (а) и горизонтальное (б) сечение масляных каналов 32 Характерное строение главной изоляции силовых трансформаторов напряжением 35 кВ и 110 кВ показано на рисунке 2.11. Рисунок 2.11 - Главная изоляция трансформаторов напряжением 35 кВ (а) и 110 кВ (б) В трансформаторах 220 кВ и выше часто делают ввод в середину катушки, что приводит к уменьшению напряжения на краях катушки. Продольная изоляция силовых трансформаторов выполняется обычно слоями электроизоляционной бумаги, накладываемой поверх провода. В маслобарьерной изоляции электрически наиболее нагруженными оказываются прослойки масла, поскольку диэлектрическая проницаемость r электрокартона составляет примерно 4, а у масла r  2,2 , к тому же электрическая прочность масла в 3-4 раза меньше электрической прочности пропитанного картона. Нарушение маслобарьерной изоляции начинается с пробоя масляного канала без полного пробоя изоляции, при этом в месте пробоя образуются необратимые повреждения электрокартона или бумаги, снижающие ее электрическую прочность. Чтобы этого не происходило, в масляном канале рабочие напряженности электрического поля принимают от 2,5 кВ/мм до 5 кВ/мм в первом масляном канале, где напряженность поля наибольшая. 33 2.4.2. Изоляция вводов высокого напряжения Проходные изоляторы высокого напряжения, называемые иначе «вводами», имеют неблагоприятное расположение электродов с большой напряженностью электрического поля (рисунок 2.12). Наибольшая напряженность электрического поля наблюдается у края фланца изолятора, где велики и нормальная к поверхности изолятора составляющая напряженности электрического поля, и тангенциальная составляющая. Рисунок 2.12 - Схематическое изображение проходного изолятора В этом месте возможно возникновение короны, скользящих разрядов, приводящих к перекрытию и к радиальным пробоям. Довольно часто при эксплуатации появляются наиболее опасные механические нагрузки на изгиб изолятора. Кроме того, на изолятор воздействуют тепловые нагрузки за счет нагрева токоведущих частей и диэлектрических потерь в изоляционном теле. Для создания более равномерного электрического поля используются конструкции конденсаторного типа, в которых требуемое распределение напряжения по изоляционной конструкции принудительно осуществляется при помощи металлических обкладок, закладываемых в изоляцию в процессе ее намотки (рисунок 2.13). Рисунок 2.13 - Эскиз проходного изолятора конденсаторного типа Такая конструкция уменьшает требуемые размеры ввода, особенно его диаметр, что улучшает условия отвода тепла. Чаще всего изоляторы конденсаторного типа выполняются так, чтобы обеспечить постоянство аксиальной (продольной) составляющей напряженности электрического поля. Для этого 34 толщину слоя изоляции выбирают так, чтобы обеспечить одинаковые емкости между обкладками и одинаковые напряжения на каждом слое; уступы также принимаются одинаковыми. Иногда, однако, выполняют одинаковую толщину слоев. По типу выполнения изоляции проходные изоляторы делятся на: 1. сплошные фарфоровые; 2. бумажно-бакелитовые; 3. маслобарьерные; 4. бумажно-масляные (конденсаторного типа). Для внутренней установки на напряжение до 35 кВ используются фарфоровые армированные проходные изоляторы, внутри которых проходит токоведущий стержень, или бумажно-бакелитовые проходные изоляторы конденсаторного типа. Бумажно-бакелитовые изоляторы изготавливаются путем намотки бумаги, пропитанной бакелитовой смолой, с обкладками из металлической фольги, обжимаются и выдерживаются при температуре 160°С, при которой происходит полимеризация смолы. Недостатками бумажно-бакелитовых вводов являются малая влагостойкость и наличие газовых включений, поэтому на напряжения выше 35 кВ их не применяют. На напряжении 110 кВ и выше используются конденсаторные вводы с маслобарьерной или бумажно-масляной изоляцией. В связи с более простой технологией изготовления наиболее распространены последние. В этой конструкции на токоведущий стержень наматывается изоляция из кабельной бумаги, а между слоями бумаги закладываются металлические обкладки из алюминиевой фольги. Бумага высушивается под вакуумом и пропитывается трансформаторным маслом. Сверху конструкция закрывается фарфоровыми покрышками, укрепленными на металлическом фланце. Пространство внутри покрышек заполняется трансформаторным маслом. Для повышения тепловой устойчивости ввода увеличивают площадь сечения стержня и улучшают качество изоляции снижением тангенса угла диэлектрических потерь. 35 2.4.3. Изоляция силовых конденсаторов Силовые конденсаторы применяют в следующих случаях: 1. в силовых сетях промышленной частоты высокого и низкого напряжений частотой 50 Гц (косинусные конденсаторы, конденсаторы продольной емкостной компенсации, конденсаторы емкостного отбора мощности); 2. в силовых установках повышенных частот (электротермические установки частотой до 10 кГц); 3. в установках постоянного и пульсирующего напряжений; 4. в установках импульсного напряжения. Основное характерное отличие силовых конденсаторов от прочих конденсаторов - сравнительно большие протекающие через них токи, которые даже при малых диэлектрических потерях приводят к заметному нагреву конденсаторов. Основные проблемы, решаемые при проектировании и изготовлении конденсаторов, заключаются в обеспечении требуемой емкости, рабочего напряжения и тепловой устойчивости. Все это определяется изоляцией конденсатора: диэлектрической проницаемостью диэлектрика, допустимой величиной рабочей напряженности электрического поля, диэлектрическими потерями и условиями теплоотвода. Силовые конденсаторы состоят из секций в основном рулонного типа. Секции наматывают на цилиндрическую оправку и после снятия с оправки сплющивают, либо оставляют на цилиндрическом изоляционном каркасе, получая цилиндрическую секцию. В зависимости от номинального напряжения и емкости конденсатора его секции соединяются параллельно, последовательно или смешанно (рисунок 2.14). Пакет помещают в корпус, пропитывают и герметизируют для предотвращения попадания воздуха и влаги. Рисунок 2.14 - Смешанное параллельно-последовательное соединение секций 36 Секции конденсаторов выполняются либо со скрытой, либо с выступающей фольгой (рисунок 2.15, а, б). Рисунок 2.15 - Рулонные секции конденсаторов: со скрытой фольгой (а), с выступающей фольгой (б) и с промежуточной «слепой» фольгой (в) Конструкцию с выступающей фольгой применяют для улучшения теплоотвода и для уменьшения индуктивности секций. Для увеличения напряжения применяют конструкцию со «слепой» промежуточной фольгой (рисунок 2.15, в), при этом секция состоит из нескольких подсекций, соединенных последовательно, а выводы имеют только первая и последняя фольга (рисунок 2.15, г). В качестве изоляции используется пропитанная конденсаторная бумага и полимерные пленки. Самые существенные характеристики конденсаторной бумаги: 1. толщина (колеблется от 4 до 30 мкм); 2. плотность; 3. угол диэлектрических потерь (у пропитанной бумаги tg   0 ,0012 ...0 ,0026 ); 4. электрическая прочность, сильно зависящая от материала пропитки. Из полимерных пленок в конденсаторах промышленной и повышенной частоты применяют полипропиленовую пленку (  r  2,25 , tg   0 ,0003 ), а в импульсных конденсаторах - лавсановую пленку (  r  3,2 , tg   0 ,003 при 50 Гц и tg   0 ,02 при 1 МГц). У полимерных пленок высокая электрическая прочность, достаточная термостойкость и механическая прочность, совместимость с жидкими диэлектриками, применяемыми для пропитки. В силовых конденсаторах часто применяют комбинированную бумажно-пленочную изоляцию, в которой слои конденсаторной бумаги перемежаются со слоями полимерной пленки. Бумага впитывает жидкость, втягивая 37 ее в прослойки между пленками, и обеспечивает отсутствие газовых включений. В такой изоляции благоприятное распределение напряженности электрического поля: в пленке напряженность примерно вдвое больше, чем в бумаге, поскольку  r пленки примерно вдвое меньше, а электрическая прочность пленки выше. В качестве пропиток используют нефтяное конденсаторное масло, хлорированные дифенилы и их заменители, а в импульсных конденсаторах - касторовое масло. Хлорированные дифенилы имеют более высокую диэлектрическую проницаемость по сравнению с конденсаторным маслом, высокую стойкость к разложению в электрическом поле, негорючесть, но токсичны и чувствительны к примесям. Электродами в силовых конденсаторах является алюминиевая фольга толщиной 7.. 12 мкм. В некоторых типах конденсаторов используется слой металла (цинка или алюминия), нанесенный на поверхность ленты или бумаги. Рабочие напряженности поля Е раб в изоляции бумажно-масляных конденсаторов составляют 12 ... 14 кВ/мм, при пропитке хлордифенилами или их заменителями Е раб возрастают до 18 ... 22 кВ/мм, но при этом возможен недопустимый нагрев и угол потерь должен быть малым. Бумажно-полипропиленовый диэлектрик с двумя листами пленки (  r  2,25 ) и листом бумаги (  r  4 ) между ними допускает Е раб от 18 кВ/мм и выше в бумажном компоненте в зависимости от пропитки и до 50..60 кВ/мм в пленке. Конденсаторы с чисто пленочным диэлектриком допускают Е раб до 50..60 кВ/мм, а в конденсаторах с использованием металлизированной полипропиленовой пленки - до 70 кВ/мм. При повышенных частотах допустимые рабочие напряженности поля определяются в основном тепловым режимом. При постоянном напряжении допустимая рабочая напряженность может достигать 80 кВ/мм. 38 2.4.4. Изоляция силовых кабелей Силовые кабели предназначены для передачи электрической энергии. Кабель высокого напряжения состоит из следующих составных частей: 1. одна или несколько токопроводящих жил; 2. изоляция; 3. оболочка из алюминия или свинца для герметизации; 4. броня из стальных лент или проволок для защиты от механических повреждений; 5. покровы из лент кабельной бумаги или пряжи, пропитанные битумом, для защиты от коррозии. Изоляция кабеля разделяется на фазную - между жилами, и поясную между жилами и оболочкой. Жилы кабеля изготавливают из алюминия или меди. Кабели на напряжение до 10 кВ включительно изготавливаются с секторными жилами, а на напряжение 20 кВ и выше - с круглыми жилами, обычно с отдельными экранами. Конструкция с секторными жилами обеспечивает более полное использование объема под металлической оболочкой, а круглые жилы с экранами служат для обеспечения равномерного радиально направленного электрического поля (рисунок 2.16). Рисунок 2.16 - Трехжильные кабели с вязкой пропиткой Изоляция выполняется либо слоями кабельной бумаги, пропитанной вязкими маслоканифольными компаундами или кабельными маслами (нефтяными или синтетическими), либо из пластмасс. Кабельная бумага толще конденсаторной, от 80 до 170 мкм. Слои бумаги накладывают так, чтобы зазоры слоев не совпадали. В высоковольтных кабелях с пластмассовой изоляцией преимущественно используется полиэтилен низкой и высокой плотности, иногда прослойки изоляции выполняют из фторопласта. Кабели с пластмассовой изоляцией выполняются на напряжения до 500 кВ. 39 Кабели с вязкой пропиткой изготавливают на напряжения не выше 35 кВ, поскольку при тепловых подвижках в такой изоляции образуются пустоты, снижающие рабочие напряженности электрического поля. В кабелях 110 кВ и выше применяется бумажная изоляция с менее вязкой пропиткой и поддержанием избыточного низкого (до 0,5 МПа) или высокого (до 1,5 МПа) давления масла. Кабели высокого давления в ряде случаев выполняют в стальном трубопроводе, каждая жила поверх изоляции имеет отдельный металлический экран. Кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена. Кабели с бумажно-пропитанной изоляцией, несмотря на достаточно высокие и стабильные электрические характеристики, имеют ряд недостатков: 1. Технология изготовления кабеля сложна и трудоемка, из-за этого стоимость его довольно высока. 2. Кабель имеет ограничения при вертикальной прокладке, т.к. наблюдается стекание пропиточного состава. 3. Конструкция кабеля имеет большой вес, т.к. обязательным элементом конструкции является металлическая оболочка, которая защищает пропитанную бумагу, теряющую свойства изоляции при попадании влаги. В настоящее время в Российской Федерации повысился интерес потребителей к новым кабелям с изоляцией из сшитого полиэтилена (СПЭ, XLPE), которые в недалеком будущем заменят кабели с бумажно-пропитанной (БПИ) и поливинилхлоридной (ПВХ) изоляцией. На рисунке 2.17 показан разделанный конец трехфазного кабеля с изоляцией из СПЭ, рассчитанного на работу в сети с изолированной (или компенсированной) нейтралью. Рисунок 2.17 – Кабель напряжением 10 кВ с изоляцией из СПЭ Это объясняется следующими преимуществами СПЭ-кабелей: 1. За счет увеличения допустимой температуры жилы достигнута большая пропускная способность кабеля (в зависимости от условий прокладки, допустимые нагрузочные токи на 15 – 30% выше, чем у кабелей с бумажной изоляцией). 40 2. Высокая устойчивость к влаге, при этом отпадет необходимость в металлической оболочке. 3. При коротком замыкании обеспечивается больший ток термической устойчивости. 4. Изоляционные электрические характеристики выше, а диэлектрические потери ниже. 5. Меньше допустимый радиус изгиба кабеля, в том числе за счет выпуска однофазных кабелей. 6. Поскольку для изоляции и оболочки применяются полимерные материалы, то для прокладки кабелей при температурах –20°С и ниже их предварительный подогрев не требуется. 7. Неограниченные возможности по прокладке кабелей на трассах с любой разностью уровней; 8. СПЭ-кабель имеет меньшие габариты и массу, как следствие прокладка кабеля, как в кабельных сооружениях, так и в грунте на сложных трассах становится легче. Самым распространенным и широко используемым в кабельной продукции полиолефином, является полиэтилен (ПЭ). В начальной стадии обработки термопластичный полиэтилен имеет серьезные недостатки, основной их которых это ухудшение механических свойств при нагреве до температуры плавления материала. Чтобы решить данную задачу производители применяют сшитый полиэтилен, причем «сшивка» происходит на молекулярном уровне. При этом образуются поперечные связи между макромолекулами полиэтилена, которые создают трехмерную структуру материала. За счет такого строения, полиэтилен имеет высокие показатели электрических и механических характеристик, большой диапазон использования рабочих температур, меньшую гигроскопичность. Есть несколько технологий сшивания термопластичных материалов. Для кабелей до 1 кВ используется самый распространенный способ - сшивание через привитые органофункциональные группы, в качестве которых используют силаны. Этот способ еще называют силанольная сшивка. Сшивание полиэтилена происходит с использованием пара или воды, температура которых достигает 80-90 °С. Под воздействием влаги, тепла и в присутствии катализатора, совершается гидролиз силанольных групп и, как следствие, сшивка материала. Этот способ сшивания полиэтилена невозможно применить для кабелей с изоляцией рассчитанной на напряжение 6 кВ и выше, потому что в процессе обработки достаточно сложно добиться равномерности физико-механических 41 свойств в радиальном направлении изоляции, а также по причине того, что изоляция кабелей высокого напряжения имеет значительно большую толщину, по сравнению с изоляцией кабелей низкого напряжения. Для того чтобы сшить изоляцию кабелей на напряжение 6 кВ и выше применяется другой способ – сшивание с использованием пероксидов. Этот процесс, в отличие от силанольной сшивки, происходит в сухой среде - в среде инертного газа (азота), при воздействии высоких температур от 300 до 400°С и давления в 8 – 12 атм. При этом сохраняются электрические характеристики высоковольтных кабелей. Применение вышеописанных способов сшивки кабелей подтверждается и мировыми производителями, которые наладили технологию производства и практически полностью перешли на выпуск силовых кабелей на среднее и высокое напряжение с изоляцией из СПЭ. На сегодняшний день энергетики многих стран положительно оценивают эксплуатационные характеристики кабелей с изоляцией из СПЭ на среднее и высокое напряжение и практически полностью перешли на их использование. Например, составляющая доля СПЭ всего рынка силовых кабелей равняется в США и Канаде – 85%, в Германии и Дании – 95%, а в Японии, Франции, Финляндии и Швеции в распределительных сетях среднего напряжения используется только кабель с изоляцией из СПЭ. Энергетические компании России, оценив положительные аспекты эксплуатации кабелей среднего и высокого напряжения с изоляцией из СПЭ, также ориентированы на использование данного типа кабелей при прокладке новых кабельных линий и замене либо капительном ремонте старых. Для осуществления соединений между ранее проложенными кабелями с бумажно-пропитанной изоляцией и изоляцией из сшитого СПЭ разработаны и применяются специальные путевые муфты. Это существенно уменьшает проблемы при ремонтах и реконструкциях электрических сетей, позволяя проводить поэтапную замену устаревшей кабельной продукции. 42 2.4.5. Изоляция электрических машин высокого напряжения К электрическим машинам высокого напряжения относятся: турбогенераторы; гидрогенераторы; синхронные компенсаторы; синхронные и асинхронные двигатели большой мощности с номинальными напряжениями 3 кВ и выше. Основными особенностями работы изоляции машин является тяжелые условия эксплуатации: воздействия перенапряжений; высокой рабочей температуры и перепадов температуры; вибрации; ударных механических воздействий. По этой причине изоляция машин должна обладать высокой нагревостойкостью и механической прочностью. В электрических машинах высокого напряжения изоляцию обмоток статоров разделяют на следующие виды: 1. корпусная или главная изоляция - между обмоткой и сталью статора; 2. междуфазная изоляция - между обмотками различных фаз; 3. витковая или продольная изоляция - между витками одной секции или между катушками; 4. изоляция элементарных проводников - между проводниками в одном витке или стержне обмотки. Главная изоляция выполняется на основе слюдяных изоляционных материалов с обеспечением отсутствия газовых прослоек. Токоведущая часть стержней выполняется прямоугольной формы, и электрическое поле в пазах неоднородно. Для снижения неоднородности поля углы стержней закругляют или применяют экраны (прокладки) из алюминия. Витковая изоляция выполняется обычно из стеклослюдяной ленты или на основе эмалированных проводов со стекловолокнистой обмоткой, пропитанных эпоксидным компаундом. Кратковременная электрическая прочность корпусной изоляции при толщинах от 3 до 12 мм характеризуется на частоте 50 Гц средней электрической прочностью 30...35 кВ/мм. Однако рабочие напряженности электрического поля в связи с нестабильностью характеристик выбираются на уровне от 43 2 до 4 кВ/мм. При рабочих напряженностях в высоковольтных электрических машинах в течение длительного времени существуют частичные разряды заметной интенсивности, которые слабо влияют на надежность и долговечность изоляции, поскольку слюда весьма стабильна к воздействию частичных разрядов. Выводы: Изоляция силовых трансформаторов разделяется на внешнюю и внутреннюю. Внутренняя изоляция делится на главную и продольную. Главная изоляция силовых трансформаторов чаще всего выполняется маслобарьерного типа, а продольная изоляция - слоями электроизоляционной бумаги, накладываемой поверх провода. Проходные изоляторы высокого напряжения имеют неблагоприятное расположение электродов, слабую механическую прочность на изгиб и характеризуются нагревом изоляционного тела изолятора. Наиболее распространенной конструкцией проходного изолятора является конденсаторный ввод. От силовых конденсаторов требуется обеспечение необходимой емкости, рабочего напряжения и тепловой устойчивости, что определяется изоляцией конденсатора. В качестве изоляции используется пропитанная конденсаторная бумага и полимерные пленки. Электродами в силовых конденсаторах является алюминиевая фольга толщиной 7...12 мкм. Изоляция силовых кабелей выполняется либо слоями кабельной бумаги, пропитанной вязкими маслоканифольными компаундами или кабельными маслами (нефтяными или синтетическими), либо из пластмасс. В электрических машинах высокого напряжения изоляцию обмоток статоров разделяют на главную изоляцию, на междуфазную изоляцию и на продольную изоляцию. 44 Тема 3. ИСПЫТАНИЯ ИЗОЛЯЦИИ 3.1. Дефекты изоляции и механизмы их возникновения В процессе эксплуатации на изоляцию воздействуют электрические, механические и тепловые нагрузки, вызывающие постепенное ухудшение ее свойств, связанное с уменьшением сопротивления изоляции, ростом диэлектрических потерь, снижением электрической прочности. Процесс ухудшения свойств называют старением изоляции. Эти изменения носят, как правило, необратимый характер и завершаются пробоем изоляции, что ограничивает сроки службы изоляционных конструкций. Различают четыре основных вида воздействия на изоляцию и четыре процесса старения изоляции: 1. электрические нагрузки, связанные с возможной ионизацией при большой напряженности электрического поля - электрическое старение изоляции; 2. тепловые нагрузки, приводящие к постепенному разложению или появлению трещин в изоляции - тепловое старение изоляции; 3. механические нагрузки, приводящие к возникновению и развитию трещин в твердой изоляции - механическое старение; 4. проникновение влаги из окружающей среды - увлажнение изоляции. Возникающие в изоляции дефекты подразделяются на сосредоточенные (трещины, газовые включения, эрозия, увлажнение небольшого объема изоляции) и распределенные, охватывающие значительный объем или поверхность изоляции. Электрическое старение твердой изоляции происходит из-за возникновения разрядных процессов в толще изоляции. Электрическое старение может иметь место при средней напряженности электрического поля в разы (в 5 ... 20 раз) меньшей кратковременной электрической прочности изоляции. С увеличением напряжения темпы электрического старения возрастают. Основной причиной электрического старения внутренней изоляции являются частичные разряды, то есть такие разрядные процессы в изоляции, которые распространяются лишь на часть изоляционного промежутка. Они возникают в ослабленных местах изоляции: в газовых включениях, в местах резкого усиления напряженности поля. Наибольшую опасность представляют частичные разряды в газовых включениях, так как они возникают при меньших напряжениях, чем разряды в жидких или твердых компонентах твердой изоляции. Последнее обстоятельство связано с меньшей диэлектрической проницаемостью газового промежутка и соответственно большей напряженностью электрического поля в нем, а также с малой 45 электрической прочностью газа по сравнению с твердой или жидкой изоляцией. Закономерности развития частичных разрядов можно проиллюстрировать схемой замещения, изображенной на рисунке 3.1, где изображен газовый пузырь в твердой изоляции и схема замещения изоляции. Рисунок 3.1 - Схема развития частичных разрядов в газовом включении На рисунке 3.1 Св - емкость газового включения, Ст ляции, включенной последовательно с газовым включением, шегося массива изоляции, - емкость части изо- Са - емкость остав- u - синусоидальное напряжение, прикладываемое к всему массиву изоляции, u в - синусоидальное напряжение на воздушном включении при отсутствии частичных разрядов. При подаче на изоляцию переменного напряжения на воздушном включении также будет изменяющееся во времени напряжение, величина которого определяется емкостным делителем: Св  Ст , С т  Св Графическое изображение зависимости напряжений от времени, при условии подачи напряжения в нулевой момент времени, показаны на рисунке 3.2. При достижении напряжением u в пробивного напряжения газового включения U в-пр происходит пробой газового включения с резким снижением напряжения на нем до уровня напряжения гашения U в-г , которое меньше пробивного напряжения. После этого, если напряжение на всей изоляции продолжает возрастать, то снова начинается рост напряжения и на газовом включении и может произойти новый пробой, то есть в газовом включении происходят многократные пробои промежутка. Рисунок 3.2 - Зависимость напряжений от времени при частичных разрядах 46 Под действием частичных разрядов происходит постепенное разрушение микрообъемов изоляции, размеры газового включения растут в направлении электрического поля, и этот процесс завершается пробоем изоляции. При постоянном напряжении интенсивность частичных разрядов существенно слабее, поскольку зарядка емкости газового включения Св происходит за счет токов утечки через изоляцию, которые обычно много меньше емкостных токов. Эффективным средством борьбы с частичными разрядами является пропитка изоляции. Замена воздуха жидким диэлектриком с диэлектрической проницаемостью  r  1 увеличивает емкость С в , снижая напряжение на воздушном включении; кроме того, электрическая прочность жидкого диэлектрика существенно больше электрической прочности газа. Тепловое старение внутренней изоляции возникает за счет ускорения различных химических реакций при рабочих температурах изоляции, обычно лежащих в пределах от 60°С до 130°С. Химические реакции приводят к постепенному изменению структуры и свойств материалов и к ухудшению изоляции в целом. Для твердой изоляции наиболее характерным является постепенное снижение механической прочности в процессе теплового старения, что приводит к повреждению изоляции под действием механических нагрузок и затем к ее пробою. В жидких диэлектриках продукты разложения загрязняют изоляцию и снижают ее электрическую прочность. Для органической изоляции повышение температуры на 10°С снижает срок службы изоляции вдвое; в сложной изоляции силовых трансформаторов процесс теплового старения протекает даже быстрее, чем по десятиградусному правилу. Старение изоляции возникает и при механических нагрузках на твердую изоляцию. Сущность этого вида старения заключается в том, что в напряженном материале возникает упорядоченное движение локальных микродефектов, и за счет этого образуются и постепенно увеличиваются в размерах микротрещины. При действии сильных электрических полей в микротрещинах возникают частичные разряды, ускоряющие разрушение изоляции. Увлажнение изоляции может рассматриваться как одна из форм старения изоляции. Влага проникает в изоляцию главным образом из окружающего воздуха. При этом происходит уменьшение сопротивления изоляции, рост диэлектрических потерь, связанный с дополнительным нагревом изоляции и ускоряющий тепловое старение изоляции. Неравномерное увлажнение, кроме того, приводит к искажению электрического поля и снижает пробивное напряжение изоляции. Увлажнение - процесс в принципе обратимый, влага может быть удалена из изоляции сушкой. Однако сушка крупногабаритных конструкций требует вывода оборудования из строя на длительное время, а в ряде случаев извлечение 47 влаги из изоляции затруднено или невозможно, например, практически не поддается сушке бумажно-масляная изоляция кабелей, вводов и другого оборудования. Для снижения увлажнения применяют герметизацию конструкций, воздухоосушители, гибкие диафрагмы и другие методы. 3.2. Основные виды профилактических испытаний изоляции Перечисленные выше механизмы старения изоляции не исчерпывают все воздействующие на изоляцию факторы. Дополнительно на изоляцию воздействуют загрязнения, внешний перегрев, перенапряжения, короткие замыкания. Влияние этих факторов на характеристики изоляции представлено в таблице 3.1. Таблица 3.1 - Изменение характеристик изоляции в зависимости от воздействующих факторов Фактор Изменение Уменьшение сопротивления Увеличение емкости Увлажнение Загрязнение Перенапряжения Перегрев Короткие замыкания Увеличение tg  Повышение температуры Повышение давления во вводах Снижение пробивного напряжения трансформаторного масла Изменение химического состава Частичные разряды Уменьшение сопротивления Увеличение tg  Повышение температуры Снижение пробивного напряжения трансформаторного масла Изменение химического состава Частичные разряды Пробой изоляции Частичные разряды Уменьшение сопротивления Увеличение tg  Повышение давления во вводах Изменение химического состава Частичные разряды Термические и динамические внешние воздействия на изоляцию 48 Классификация методов диагностики и испытаний изоляции производится по признаку возможного разрушения изоляции в процессе контроля и по признаку применения электрических методов. По признаку возможного разрушения изоляции методы контроля изоляции подразделяются на три группы: 1. неразрушающие методы контроля, производимые при напряжениях, меньших рабочих, и основанные на явлениях, возникающих в слабых электрических полях (электропроводность и поляризационные явления) и связанных с пробивным напряжением изоляции; 2. неразрушающие методы контроля, производимые при рабочих напряжениях, - в основном это контроль частичных разрядов, а также тепловой и ультразвуковой контроль; 3. разрушающие методы контроля, связанные с использованием напряжения, повышенного по сравнению с рабочим напряжением и вызывающего ускоренное разрушение изоляции в дефектном месте; приложение повышенного напряжения не исключает появления дефекта, который может привести к пробою изоляции во время эксплуатации. По признаку применения электрических методов методы контроля подразделяют на две группы: 1. электрические методы контроля изоляции, которые рассмотрены далее; 2. неэлектрические методы контроля: хроматографический анализ газов в трансформаторном масле, ультразвуковые методы контроля, радиоволновой метод, тепловизионный метод, оптикоэлектронный метод, рентгенографический метод. Выводы: В процессе эксплуатации изоляции на нее воздействуют частичные разряды, тепловые и механические нагрузки, из окружающего воздуха проникает влага. Все это приводит к появлению сосредоточенных и распределенных дефектов изоляции. Методы контроля состояния изоляции подразделяются на неразрушающие методы, производимые при пониженных напряжениях и при рабочих напряжениях, и на разрушающие методы контроля, предполагающие использование напряжений, повышенных по сравнению с рабочими. 49 3.3. Контроль повышенным напряжением. Испытания изоляции отдельных видов оборудования 3.3.1. Испытания изоляции повышенным напряжением Испытания изоляции повышенным напряжением позволяют выявить локальные дефекты, не обнаруживаемые иными методами, кроме того, такой метод испытаний является прямым методом контроля способности изоляции выдерживать воздействия перенапряжений и дает определенную уверенность в качестве изоляции. К изоляции прикладывается испытательное напряжение, превышающее рабочее напряжение, и нормальная изоляция выдерживает испытания, а дефектная пробивается. При профилактических или послеремонтных испытаниях проверяется способность изоляции проработать без отказа до следующих очередных испытаний. Контроль изоляции повышенным напряжением дает только косвенную оценку длительной электрической прочности изоляции, и основная его задача - проверка отсутствия грубых сосредоточенных дефектов. Испытательные напряжения для нового оборудования на заводах - изготовителях определяется ГОСТ 1516.2-97, а при профилактических испытаниях величины испытательных напряжений принимаются на 10- 15% ниже заводских норм. Этим снижением учитывается старение изоляции и ослабляется опасность накопления дефектов, возникающих при испытаниях. Контроль изоляции повышенным напряжением в условиях эксплуатации проводится только для некоторых видов оборудования (вращающиеся машины, силовые кабели) с номинальным напряжением не выше 35 кВ, поскольку при более высоких напряжениях испытательные установки слишком громоздки. При испытаниях повышенным напряжением используются три основных вида испытательных напряжений: повышенное напряжение промышленной частоты, выпрямленное постоянное напряжение и импульсное испытательное напряжение (стандартные грозовые импульсы). Основным видом испытательного напряжения является напряжение промышленной частоты. Время приложения такого напряжения - 1 мин, и изоляция считается выдержавшей испытания, если за это время не наблюдалось пробоя или частичных повреждений изоляции. В некоторых случаях проводят испытания напряжением повышенной частоты (обычно 100 или 250 Гц). 50 При большой емкости испытуемой изоляции (при испытании кабелей, конденсаторов повышенным переменным напряжением) требуется применение испытательной аппаратуры большой мощности, поэтому такие объекты чаще всего испытываются повышенным постоянным напряжением. Как правило, при постоянном напряжении диэлектрические потери в изоляции, приводящие к ее нагреву, на несколько порядков ниже, чем при переменном напряжении такого же эффективного значения; кроме того, и интенсивность частичных разрядов намного ниже. При таких испытаниях нагрузка на изоляцию существенно меньше, чем при испытаниях переменным напряжением, поэтому для пробоя дефектной изоляции требуется более высокое постоянное напряжение, чем испытательное переменное напряжение. При испытаниях постоянным напряжением дополнительно контролируется ток утечки через изоляцию. Время приложения постоянного испытательного напряжения составляет от 5 до 15 мин. Изоляция считается выдержавшей испытания, если она не пробилась, а значение тока утечки к концу испытаний не изменилось или снизилось. Недостаток постоянного испытательного напряжения состоит в том, что это напряжение распределяется по толще изоляции в соответствии с сопротивлениями слоев, а не в соответствии с емкостями слоев, как при рабочем напряжении или при перенапряжении. По этой причине отношения испытательных напряжений к рабочим напряжениям отдельных слоев изоляции получаются существенно разными. Третьим видом испытательного напряжения являются стандартные грозовые импульсы напряжения с фронтом 1,2 мкс и длительностью до полуспада 50 мкс. Испытания импульсным напряжением производят потому, что изоляция в процессе эксплуатации подвергается воздействию грозовых перенапряжений со схожими характеристиками. Воздействие грозовых импульсов на изоляцию отличается от воздействия напряжения частотой 50 Гц из-за гораздо большей скорости изменения напряжения, приводящей к другому распределению напряжения по сложной изоляции типа изоляции трансформаторов; кроме того, сам процесс пробоя при малых временах отличается от процесса пробоя на частоте 50 Гц, что описывается вольт-секундными характеристиками. По этим причинам испытаний напряжением промышленной частоты в ряде случаев оказывается недостаточно. Воздействие грозовых перенапряжений на изоляцию часто сопровождается срабатыванием защитных разрядников, срезающих волну перенапряжения через несколько микросекунд после ее начала, и поэтому при испытаниях используют и импульсы, срезанные через 2-3 мкс после начала импульса (срезанные стандартные грозовые импульсы). 51 Амплитуда импульса выбирается исходя из возможностей оборудования, защищающего изоляцию от перенапряжений, с некоторыми запасами, и исходя из возможности накопления скрытых дефектов при многократном воздействии импульсных напряжений. Конкретные величины испытательных импульсов определяются по ГОСТ 1516.1-76. Испытания внутренней изоляции проводят трехударным методом. На объект подается по три импульса положительной и отрицательной полярности, сначала полные, а затем срезанные. Интервал времени между импульсами - не менее 1 мин. Изоляция считается выдержавшей испытания, если во время испытания не произошло ее пробоев и не обнаружено повреждений. Методика обнаружения повреждений довольно сложна и обычно проводится осциллографическими методами. Внешняя изоляция оборудования испытывается 15-ударным методом, когда к объекту с интервалом не менее 1 мин. прикладывается по 15 импульсов обеих полярностей, как полных, так и срезанных. Изоляция считается выдержавшей испытания, если в каждой серии из 15 импульсов было не более двух полных разрядов (перекрытий). 3.3.2. Испытания изоляции кабелей, трансформаторов и высоковольтных вводов Все виды испытаний можно разделить на три основные группы, различающиеся по назначению и, соответственно, по объему и нормам: 1. испытания новых изделий на заводе-изготовителе; 2. испытания после прокладки или монтажа нового оборудования, испытания после капитального ремонта; 3. периодические профилактические испытания. Требования по испытаниям изоляции кабелей, трансформаторов и высоковольтных вводов излагаются раздельно для этих трех групп испытаний. Кабели Испытательные напряжения для кабелей устанавливаются в соответствии с ожидаемым уровнем внутренних и грозовых перенапряжений. На заводах-изготовителях маслонаполненные кабели и кабели с маловязкой пропиткой испытывают повышенным напряжением промышленной ча2 ,5U ном стоты (около ). Кабели с вязкой пропиткой и газовые кабели для предотвращения повреждения изоляции испытывают выпрямленным напря3,5 4 U ном , причем U ном - линейное при рабочих напряжением порядка жениях 35 кВ и менее и фазное при рабочих напряжениях 110 кВ и более. 52 Кроме того, измеряют сопротивление изоляции, а при рабочих напряже- tg  ниях 6 кВ и более измеряют сопротивление изоляции и (последнее - при 0 ,5U ном 2 U ном напряжениях от до ). После прокладки кабеля, после капитального ремонта и во время профилактических испытаний изоляцию кабелей испытывают повышенным выпрямленным напряжением. Время испытаний для кабелей напряжением 3..35 кВ составляет 10 мин для кабеля после прокладки и 5 мин после капитального ремонта и во время профилактических испытаний. Для кабелей напряжением 110 кВ время приложения испытательного напряжения - по 15 мин на фазу. Периодичность профилактических испытаний составляет от двух раз в год до 1 раза в три года для разных кабелей. При испытаниях контролируется ток утечки, значения которого лежат в пределах от 150 до 800 мкА/км для нормальной изоляции. До и после испытаний измеряется сопротивление изоляции. Силовые трансформаторы На заводе-изготовителе внутренняя и внешняя изоляция испытываются полными и срезанными стандартными грозовыми импульсами, а также переменным напряжением. Обнаружение повреждений продольной изоляции чаще всего проводят осциллографированием тока в нейтрали трансформатора и сравнением осциллограммы с типовой. Если изоляция нейтрали и линейного вывода одинаковы, то при испытаниях переменным напряжением оба конца испытуемой обмотки изолируются и на обмотку подается напряжение от постороннего источника. Если уровень изоляции нейтрали понижен, то испытания проводятся индуктированным напряжением повышенной частоты (до 400 Гц) с тем, чтобы можно было бы 2U ном подавать напряжение порядка . Нейтраль при этом заземляется или на нее подается постороннее напряжение той же частоты. Поскольку ЭДС самоиндукции в обмотке пропорциональна частоте, E  BSw , то без насыщения сердечника, то есть при той же максимальной индукции В, можно приложить повышенное по сравнению с рабочим испытательное напряжение. tg  Кроме испытаний повышенным напряжением измеряется , сопротивление изоляции, емкостные характеристики изоляции, а полученные на заводе значения используются в эксплуатации в качестве характеристик исходного состояния изоляции. При испытаниях изоляции должна быть испытана поочередно каждая электрически независимая цепь или параллельная ветвь (в последнем случае 53 при наличии полной изоляции между ветвями), а испытательное напряжение прикладывается между выводом и заземленным корпусом, все другие обмотки заземляются. Измерения сопротивления изоляции проводят до и после испытаний повышенным напряжением. Схемы контроля изоляции двухобмоточных и трехобмоточных трансформаторов приведены в таблице 3.2. Таблица 3.2 - Схемы измерения характеристик изоляции трансформаторов Двухобмоточные Трехобмоточные ПоследовательИзмеряемые Заземляемые Измеряемые Заземляемые ность измерений обмотки части обмотки части 1 НН Бак, ВН НН Бак, СН, ВН 2 ВН Бак, НН СН Бак, НН, ВН 3 (ВН+НН)* Бак ВН Бак, НН, СН 4 (ВН+СН)* Бак, НН 5 (ВН+СН+НН)* Бак * Измерения обязательны только для трансформаторов мощностью 16 000 кВ·А и более. - - — — Перед первым включением вновь смонтированного трансформатора измеряют пробивное напряжение трансформаторного масла, сопротивление изо- tg  ляции и коэффициент абсорбции K абс  R60 R15 , отношение С 2 С 50 , (значение которого сравнивают с результатами заводских испытаний). Во время периодических профилактических испытаний проводят те же tg  испытания, что и перед первым включением, но допустимые значения при этом увеличены. Испытания изоляции повышенным напряжением при профилактических испытаниях предполагаются для обмоток напряжением 35 кВ и ниже, значения испытательных напряжений при этом снижаются до 0,85-0,9 значения заводского испытательного напряжения. Периодичность профилактических испытаний для разных трансформаторов колеблется от 1 раза в год до 1 раза в 4 года. Вводы высокого напряжения Основной вид контроля - периодический осмотр (от одного раза в трое суток до одного раза в шесть месяцев). У вводов напряжением 110 - 220 кВ с tg  помощью специального измерительного конденсатора измеряют и проводят анализ и испытания проб масла, измеряют сопротивление изоляции между специальной измерительной обкладкой ввода и соединительной втулкой. Периодичность таких испытаний для разных вводов разная, но не реже одного раза в 4 года. 54 Выводы: Испытания изоляции повышенным напряжением позволяют выявить локальные дефекты, не обнаруживаемые иными методами. Этот метод испытаний является прямым способом контроля способности изоляции выдерживать воздействия перенапряжений. При испытаниях повышенным напряжением используются три основных вида испытательных напряжений: повышенное напряжение промышленной частоты, выпрямленное постоянное напряжение и импульсное испытательное напряжение. Все виды испытаний делятся на три основные группы: испытания новых изделий на заводе-изготовителе, испытания после прокладки или монтажа нового оборудования и после капитального ремонта, периодические профилактические испытания. Изоляцию кабелей испытывают повышенным напряжением, измеряют tg  сопротивление изоляции, а некоторых случаях измеряют изоляции. У силовых трансформаторов измеряют пробивное напряжение трансформаторного масла, сопротивление изоляции и коэффициент абсорбции tg  , проводят испытания повышенным K абс  R60 R15 , отношение С 2 С 50 , напряжением для обмоток напряжением 35 кВ и ниже. На заводе-изготовителе внутренняя и внешняя изоляция испытываются полными и срезанными стандартными грозовыми импульсами, а также переменным напряжением. Основной вид контроля вводов высокого напряжения - периодический tg  осмотр. У вводов напряжением 110-220 кВ измеряют и проводят анализ и испытания проб масла и измерение сопротивления изоляции. 55 3.4. Испытательные установки высокого переменного и постоянного напряжения 3.4.1. Испытательные установки высокого переменного напряжения Испытательные установки высокого переменного напряжения предназначены для получения высокого регулируемого переменного напряжения, с помощью которого испытывают изоляцию повышенным напряжением. Упрощенная схема испытательной установки переменного напряжения показана на рисунке 3.3. Рисунок 3.3 - Схема испытательной установки переменного напряжения Схема содержит испытательный трансформатор Т2 (или каскад трансформаторов), регулировочный трансформатор Т1, защитный резистор R1 , предназначенный для демпфирования колебаний при пробое изоляции и снижения возникающих в обмотке трансформатора перенапряжений, и измерительные приборы. Измерение напряжения на выходе установки может производиться по первичному напряжению испытательного трансформатора, как показано на рисунке 3.3, а также вольтметр может присоединяться на отвод высоковольтной обмотки. Имеются также и другие возможности измерения напряжения. Основным узлом установки является испытательный трансформатор, отличающийся от силового трансформатора аналогичного класса напряжения малой мощностью, ограниченным временем включения, малым запасом электрической прочности изоляции. Испытательные трансформаторы имеют большой коэффициент трансформации и значительную индуктивность рассеяния. Испытательные трансформаторы большей частью являются однофазными и выполняются в трех модификациях: 1. в изолирующем корпусе; 2. в металлическом корпусе с одним вводом; 3. в металлическом корпусе с двумя вводами. 56 В связи со сложностью изготовления ввода максимальное напряжение, на которое изготовлен испытательный трансформатор с одним вводом, составляет 1 200 кВ, его общая высота составляет 15,5 м, из которой наружная часть ввода составляет более 9 м. Для получения более высоких испытательных напряжений возможно использование особых испытательных трансформаторов, где для вывода высокого напряжения из бака используются два ввода, каждый из которых рассчитан на половину номинального напряжения, но при этом корпус трансформатора находится под половинным напряжением высокой стороны и требуются специальные меры по изоляции его от земли. На основе схемы каскада из трех трансформаторов с двумя выводами (3x750 кВ) получена установка на 2 250 кВ. Для регулирования напряжения применяются регулировочные автотрансформаторы, индукционные регуляторы и двигатель-генераторные установки. Максимальная мощность регулировочных автотрансформаторов обычно не превышает 50 - 100 кВ·А. При больших мощностях для плавного регулирования напряжения могут быть использованы индукционные регуляторы, представляющие собой трансформаторы с взаимно перемещающимися обмотками, не имеющие скользящих контактов и обеспечивающие плавное регулирование напряжения. Двигатель-генераторные установки применяют для питания трансформаторов напряжением 500 кВ и выше и трансформаторных каскадов. Эти установки обеспечивают плавное регулирование напряжения, независимость испытательного напряжения от колебаний напряжения сети и синусоидальную форму испытательного напряжения. Отношение амплитудного значения испытательного напряжения к действующему должно составлять 2  0 ,07 , а частота испытательного напряжения не должна отличаться от 50 Гц более чем на 10%. 3.4.2. Испытательные установки высокого постоянного напряжения Для получения высокого постоянного напряжения используют выпрямительные установки и электростатические генераторы. Последние позволяют получать наиболее высокие напряжения - вплоть до 30 MB - но при малых токах, не более 1 мА. Поэтому при испытаниях изоляции применяют в основном выпрямительные установки. Выпрямительные испытательные установки в принципе могут быть поделены на две группы: установки однополупериодного выпрямления и установки, построенные по схемам умножения напряжения. 57 В однополупериодных выпрямителях высокое переменное напряжение преобразуется в высокое постоянное напряжение с помощью выпрямителя и сглаживающего устройства. Схема устройства изображена на рисунке 3.4. Рисунок 3.4 - Однополупериодный выпрямитель В качестве выпрямительных элементов применяют последовательно включенные полупроводниковые диоды. Основную трудность составляет высокое обратное напряжение ( 2U т в однополупериодных схемах), которое должно быть равномерно распределено по отдельным диодам. Равномерности распределения достигают либо шунтированием диодов резисторами или конденсаторами, либо использованием диодов с лавинной обратной характеристикой (аналоги стабилитронов). Напряжение на испытуемой изоляции при схеме рисунок 3.4 пульсирует вблизи среднего значения. Более высокое постоянное напряжение от источника с гораздо меньшим напряжением (в сопоставлении с однополупериодным выпрямителем) позволяют получить схемы умножения напряжения. Максимальное напряжение, которое получено на выпрямительной установке, составляет 1,5 MB. 3.4.3. Генераторы импульсных напряжений Генераторы коммутационных импульсов При коммутациях высоковольтных цепей возникают импульсы перенапряжений, имеющие время нарастания до 1 000 микросекунд и длительность до полуспада порядка нескольких миллисекунд. Для испытаний устойчивости изоляции к таким перенапряжениям используются генераторы коммутационных импульсов, построенные по разнообразным схемам. Одна из простейших схем генератора коммутационных импульсов показана на рисунке 3.5 Рисунок 3.5 - Схема генератора коммутационных импульсов Конденсаторы С1 и С 2 этой схемы заряжаются от высоковольтного 58 выпрямителя V 1 . Запуск производится путем подачи поджигающего им- пульса напряжения на искровой промежуток ИП. После пробоя этого промежутка в двух отдельных контурах L1 С1 и L 2 С 2 начинаются затухающие колебания. Частоты контуров выбраны таким образом, чтобы f 2  35 f 1 . Импульсный трансформатор T 2 дополнительно увеличивает напряжение, при- чем напряжение на его вторичной обмотке пропорционально разности напряжений двух контуров (рисунок 3.6). Рисунок 3.6 - Форма выходного импульса генератора Генераторы импульсных напряжений Испытания изоляции оборудования стандартными грозовыми импульсами, имеющими длительность фронта 1,2 мкс и длительность до полуспада 50 мкс, проводят с помощью генераторов импульсных напряжений (ГИН). Схемы ГИН достаточно разнообразны, однако испытания изоляции обыкновенно проводят генераторами с емкостными накопителями, обладающими весьма небольшими паразитными индуктивностями элементов. Стандартный грозовой импульс в емкостном ГИН получают путем разряда высоковольтного конденсатора на резистор, а сравнительно пологий фронт в 1,2мкс формируют за счет зарядки вспомогательного конденсатора через дополнительный резистор. Таким образом, минимальное количество элементов ГИН без учета зарядного устройства и коммутатора составляет четыре (рисунок 3.7): Рисунок 3.7 - Схема одноступенчатого ГИН Схема рисунок 3.7 содержит основной предварительно заряженный конденсатор С1 , основной разрядный резистор R1 и элементы формирования С 2 и R 2 . Для формирования стандартного грозового импульса требуется, чтобы постоянная времени разряда основного конденсатора 1  С1 R1 фронта 59 была много больше постоянной времени зарядки конденсатора фронта 2  С 2 R2 . Поэтому можно считать, что в начальные моменты времени первоначальное напряжение U 0 на конденсаторе С1 резко уменьшается из-за того, что параллельно конденсатору С1 подключается конденсатор С 2 . Таким образом, форма импульса ГИН отображается разностью двух экспонент, из которых первая - отображает спад импульса за счет разряда основного конденсатора ГИН на разрядный резистор, а вторая - фронт импульса, образуемый зарядкой фронтового конденсатора С2 . Такие схемы применяют при напряжениях менее 100 кВ. Иногда по конструктивным соображениям фронтовой резистор R2 включают перед основным резистором (рисунок 3.8). Рисунок 3.8 - Вариант схемы одноступенчатого ГИН В этом случае напряжение на выходе ГИН уменьшается еще и за счет действия делителя R1 R 2 . Схему ГИН по рисункам 3.7 или 3.8 иногда называют одноступенчатой. Использование подобной схемы при напряжении более 250-300 кВ становится неприемлемым из-за больших затрат на выпрямитель и больших размеров элементов. Получение импульсов высокого напряжения с использованием сравнительно низковольтных зарядных устройств и конденсаторов возможно при использовании многоступенчатых (каскадных) схем ГИН. В многоступенчатой схеме несколько конденсаторов заряжаются от зарядного устройства параллельно, а при разряде переключаются в последовательное соединение со сложением напряжений на них. Переключение обычно производится с помощью искровых промежутков. 60 3.5. Измерение высоких напряжений 3.5.1. Измерение высоких переменных напряжений Для измерения высоких переменных напряжений используются четыре основных метода измерения: 1. С помощью шарового разрядника. 2. Электростатическим вольтметром. 3. Метод измерительных преобразователей и низковольтных вольтметров: 3.1. Емкостных делителей напряжения и низковольтных вольтметров. 3.2. Трансформаторов напряжения и низковольтных вольтметров. 4. Измерение напряжения первичной обмотки трансформатора с пересчетом по коэффициенту трансформации. Измерительный шаровой разрядник представляет собой два металлических шара с хорошо обработанными поверхностями и с возможностью изменения расстояния между шарами. Этот разрядник считается очень надежным прибором для измерения амплитуды переменного напряжения, а также для измерения постоянного и импульсного напряжений. Разброс разрядных напряжений шарового разрядника не превышает ± 3%, и при соблюдении условий измерения напряжения такова же и погрешность измерения напряжения. Возможность измерения основана на законе Пашена, который связывает пробивное напряжение промежутка с расстоянием между поверхностями шаров. Зависимости пробивных напряжений от расстояния для шаров разных диаметров приведены в специальных таблицах, полученных путем обработки многочисленных экспериментальных данных. Таблицы составлены для давления воздуха 760 мм рт.ст. и температуры 20°С. При других атмосферных условиях требуется корректировка табличного значения пробивного напряжения на относительную плотность воздуха. Для защиты поверхности шаров от оплавления при пробое последовательно с разрядником устанавливается резистор сопротивлением, выбираемым из соотношения 1 ...10 Ом/В. Если по шаровому разряднику градуируется другой измерительный прибор (электростатический киловольтметр или система с добавочным резистором), то расстояние между шарами выставляется на напряжение, на которое рассчитывается градуируемое устройство и напряжение медленно повышается до пробоя шарового разрядника. Если проводятся измерения самим разрядником, то шары медленно сближаются до пробоя. По таблице для данного диаметра шаров из расстояния 61 определяют разрядное напряжение, которое умножают на поправочный коэффициент. Электростатический вольтметр представляет собой конденсатор, одна из пластин которого подвижна и закреплена на пружине. Прибор принципиально пригоден для измерения эффективного значения переменного напряжения. Сила взаимодействия пластин электростатического вольтметра F  kq 2 в данном случае периодически меняется во времени, а отклонение подвижной пластины из - за ее инерционности определяется средним за период значением силы, F  k C u  kC 2 21 T 2 2  u t dt  k1U , T0 то есть среднеквадратичным значением мгновенного напряжения, которое по определению является эффективным значением напряжения. Шкала такого киловольтметра квадратична. Емкостные делители напряжения позволяют измерять высокие переменные напряжения с помощью низковольтных вольтметров, обеспечивая точное повторение формы высокого напряжения на низковольтном выходе. Последнее качество особенно важно в случае контроля гармонического состава переменного напряжения. Омические делители на основе резисторов на переменном напряжении не пригодны ввиду наличия паразитных емкостей, что требует применения резисторов со сравнительно небольшим сопротивлением и большой рассеиваемой мощностью; индуктивные делители обладают нелинейностью параметров и паразитными емкостными и омическими свойствами. Схема емкостного делителя показана на рисунке 3.9: Рисунок 3.9 - Схема емкостного делителя 62 Емкостный делитель имеет высоковольтное плечо плечо С1 и низковольтное С 2 . Емкость высоковольтного плеча много меньше емкости низковоль- тного плеча, и практически все высокое напряжение приходится на высоковольтное плечо, которое часто выполняют последовательным соединением нескольких конденсаторов. Входное и выходное напряжения делителя связаны друг с другом коэффициентом деления делителя:  К  U вх  С1 С 2 . U вых С1 Делитель напряжения должен удовлетворять трем основным требованиям: 1. Выполнение изоляции делителя таким образом, чтобы отсутствовали частичные разряды, искажающие форму кривой измеряемого напряжения. 2. Точное совпадение форм кривых входного и выходного напряжений. 3. Малая загрузка измеряемых цепей. Трансформаторы напряжения в сочетании с низковольтными вольтметрами в условиях эксплуатации являются наиболее распространенным методом измерения напряжения. При соблюдении условий загрузки трансформаторов напряжения этот метод обеспечивает высокую точность измерений, однако несинусоидальность напряжения приводит к достаточно большим погрешностям. Некоторые типы трансформаторов напряжения вносят большие искажения уже в третью гармонику (например, трансформатор 3HOM-35), хотя есть сообщения о нормальном преобразовании частот трансформаторами напряжения вплоть до 1 кГц. В испытательных установках переменного напряжения измерения высокого напряжения могут производиться путем измерения напряжения первичной обмотки испытательного трансформатора с пересчетом по коэффициенту трансформации. Этот метод измерения может приводить к большим погрешностям в связи с наличием индуктивности рассеяния трансформатора. 3.5.2. Измерение высоких постоянных напряжений Для измерения высоких постоянных напряжений используется три основных метода: 1. измерение с помощью измерительного шарового разрядника, 2. измерение электростатическим вольтметром, 3. измерение с помощью добавочных резисторов. 63 Измерительный шаровой разрядник является универсальным измерительным прибором, пригодным и для измерения амплитуды постоянного напряжения. Методика измерений остается такой же, как и для случая измерения высокого переменного напряжения. Электростатический вольтметр при измерении постоянного напряжения использует следующий принцип: сила взаимодействия пластин определяется согласно закону Кулона произведением их зарядов, то есть F  kq 2 , где q - заряд одной из пластин, k - коэффициент пропорциональности, зависящий от расстояния между электродами. Поскольку q  CU , где C - емкость конденсатора, U - напряжение между пластинами, то F  kC 2U 2  k1U 2 , и отклонение подвижной пластины, пропорциональное действующей силе, зависит от квадрата измеряемого напряжения. Шкала такого киловольтметра также квадратична. Измерение высокого постоянного напряжения проще всего проводить с помощью магнитоэлектрического измерительного механизма, включенного последовательно с высоковольтным добавочным резистором с большим сопротивлением (рисунок 3.10): Рисунок 3.10 - Схема измерения высокого напряжения магнитоэлектрическим прибором с добавочным резистором Магнитоэлектрический механизм обладает самой высокой чувствительностью среди электромеханических измерительных механизмов, что позволяет ограничиться очень небольшими токами в измерительной цепи. Добавочный резистор R д рассчитан на полное измеряемое напряжение и обычно выполняется в виде цепочки последовательно соединенных резисторов с углеродистым или металлическим полупроводящим слоем. Сопротивление добавочного резистора выбирается не менее чем 1 МОм/кВ (ток менее 1 мА), чтобы обеспечить небольшое тепловыделение. Из-за возникновения токов утечки по поверхностям резисторов ограничивают сопротивление сверху, не более 10 МОм/кВ (ток 0,1 мА). 64 3.5.3. Измерение высоких импульсных напряжений Измерительный шаровой разрядник пригоден и для измерения максимального значения напряжения стандартного грозового импульса. При измерении амплитуды импульса подбирают такое расстояние между шарами разрядника, при котором из десяти поданных импульсов пять закончатся пробоем, а оставшиеся пять - нет. Пробивное напряжение, определяемое по такому расстоянию с учетом поправки на относительную плотность воздуха (пятидесятипроцентное пробивное напряжение), соответствует амплитуде импульса с погрешностью в ± 3%. Разряд между шарами в этом случае происходит вблизи максимального значения напряжения импульса. Сопротивление резистора, включенного последовательно с разрядником, не должно превышать 500 Ом, так как при больших его значениях возникают недопустимые погрешности измерения из-за падения напряжения за счет емкостного тока разрядника до его пробоя. При проведении измерений расстояние между шарами изменяется ступенями, составляющими 2...5% от ожидаемого пробивного расстояния. На каждой ступени к объекту прикладывается не менее 10 импульсов с интервалами не менее 5 с. Пятидесятипроцентное напряжение определяется путем интерполяции результатов, полученных на двух или более расстояниях. С меньшей точностью можно допустить подбор расстояния, при котором происходит от четырех до шести пробоев разрядника из десяти одинаковых приложенных импульсов. Другим способом измерения импульсных напряжений является применение делителей напряжения с низковольтным импульсным вольтметром или осциллографом. Делитель напряжения может быть омическим, емкостным или емкостно-омическим. Омические делители напряжения изготовляют из нихромовой или константановой проволоки, наматываемой на изоляционный каркас бифилярно (то есть двумя встречными параллельно включенными катушками - для снижения индуктивности). Применение жидкостных или объемных угольных резисторов ограничено в связи с зависимостью их сопротивлений от температуры и приложенного напряжения. С целью повышения начального напряжения короны и улучшения охлаждения резисторы помещают в изоляционные цилиндры с маслом. Паразитные индуктивности делителя и паразитные емкости элементов делителя по отношению к заземленным частям приводят к искажению формы выходного импульса по отношению к входному напряжению, и наибольшие искажения имеют место на фронте импульса (увеличение длительности фронта). Для снижения влияния паразитных емкостей и входных емкостей 65 низковольтного оборудования (которое обычно подключается с помощью экранированного кабеля) применяют емкостно-омический делитель напряжения (рисунок 3.11): Рисунок 3.11 - Емкостно-омический делитель напряжения Емкостный делитель напряжения практически не приводит к искажению измеряемого импульса напряжения (рисунок 3.12): Рисунок 3.12 - Емкостный делитель напряжения 66 Тема 4. ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ 4.1. Общая характеристика перенапряжений Перенапряжением называют всякое превышение напряжением амплитуды наибольшего рабочего напряжения. Длительность перенапряжения может составлять от единиц микросекунд до нескольких часов. Воздействие перенапряжения на изоляцию может привести к ее пробою. К основным характеристикам перенапряжения (которые, как правило, являются случайными величинами) относят следующие: 1. максимальное значение; 2. кратность перенапряжения, равная отношению максимального значения перенапряжения к амплитуде наибольшего допустимого рабочего напряжения; 3. время нарастания перенапряжения; 4. длительность перенапряжения; 5. число импульсов в перенапряжении; 6. широта охвата сети; 7. повторяемость перенапряжения. Наибольшее рабочее напряжение (линейное) определяется соотношением U раб.наиб.  k р U ном , где значение коэффициента k р принимают в соответствии с данными таблицы 4.1. Таблица 4.1 – Значения коэффициентов кратности наибольших рабочих напряжений по отношению к номинальным напряжениям 3-20 35-220 330 500-1 150 Класс напряжения U , кВ ном kр 1,2 1,15 1,10 1,05 ГОСТ 13109-97 «Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения» дает дополнительные определения для перенапряжения:  импульс напряжения - резкое изменение напряжения в точке электрической сети, за которым следует восстановление напряжения до первоначального или близкого к нему уровня за промежуток времени до нескольких миллисекунд;  временное перенапряжение - повышение напряжения в точке электри- 67 ческой сети выше 1,1U ном продолжительностью более 10 мс, возникающее в системах электроснабжения при коммутациях или коротких замыканиях;  коэффициент временного перенапряжения - величина, равная отношению максимального значения огибающей амплитудных значений напряжения за время существования временного перенапряжения к амплитуде номинального напряжения сети. Для отклонения напряжения ГОСТ 13109-97 определяет нормально допустимые и предельно допустимые значения установившегося отклонения напряжения на выводах приемников электрической энергии соответственно ± 5 и ± 10% от номинального напряжения электрической сети. По месту приложения напряжения различают: 1. фазные перенапряжения; 2. междуфазные перенапряжения; 3. внутрифазные перенапряжения например, между витками катушки трансформатора, между нейтралью и землей); 4. между контактами коммутационных аппаратов. По причинам возникновения перенапряжения подразделяются на следующие: 1. внешние - от разрядов молнии (атмосферные перенапряжения) и от воздействия внешних источников; 2. внутренние - возникающие при резонансных явлениях, при авариях и при коммутациях элементов электрической цепи. В высоковольтных цепях главным источником внешних перенапряжений являются разряды молнии. Наиболее опасны прямые удары молнии в оборудование (ПУМ), при которых даже на заземленных сооружениях возникают большие потенциалы. Индуктированные перенапряжения возникают вследствие индуктивной и емкостной связи канала молнии с токоведущими и заземленными частями электрической сети. Величина индуктированных перенапряжений меньше, чем при прямых ударах молнии, и они опасны только для сетей до 35 кВ при ударе молнии вблизи линии. Импульсы перенапряжений распространяются на значительные расстояния от места возникновения. Набегающие волны могут представлять опасность для электрооборудования подстанций, электрическая прочность которого ниже, чем у линейной изоляции. 68 Внутренние перенапряжения по длительности и по причине возникновения делятся на квазистационарные и коммутационные. Квазистационарные перенапряжения продолжаются от единиц секунд до десятков минут и в свою очередь подразделяются на: 1. режимные, 2. резонансные, 3. феррорезонансные и 4. параметрические. Режимные перенапряжения возникают при несимметричных коротких замыканиях на землю, а также при разгоне генератора в случае резкого сброса нагрузки. Резонансные перенапряжения имеют место при возникновении резонансных эффектов в линиях (при одностороннем питании линии), в электрических цепях при наличии реакторов. Феррорезонансные перенапряжения возникают в цепях с катушками с насыщенным магнитопроводом, что может быть как на частоте 50 Гц, так и на высших гармониках и на субгармониках. Особенностью феррорезонанса является скачкообразный вход в режим резонанса (триггерный эффект). Коммутационные перенапряжения возникают при переходных процессах и быстрых изменениях режима работы сети (при работе коммутационных аппаратов, при коротких замыканиях и при прочих резких изменениях режима) за счет энергии, запасенной в емкостных и индуктивных элементах. Наиболее часто такие перенапряжения имеют место при коммутациях линий, индуктивных элементов, конденсаторных батарей. 4.2. Общая характеристика защитных мероприятий Все мероприятия по защите от перенапряжений делятся на две группы: 1. превентивные меры снижения перенапряжений; 2. защита оборудования с помощью коммутационных защитных средств. Превентивные меры - это предотвращение возникновения перенапряжений или ограничение их величины в месте их возникновения. К таким мерам относятся следующие: 1. применение выключателей с шунтирующими резисторами; 2. применение выключателей без повторных зажиганий дуги между контактами при их разведении; 3. применение грозозащитных тросов и молниеотводов; 69 4. заземление опор линий электропередачи; 5. емкостная защита изоляции обмоток трансформаторов и реакторов; 6. применение емкостных элементов для снижения перенапряжений. Коммутационные средства защиты от перенапряжений срабатывают и соединяют защищаемую цепь с заземлением в случае, когда перенапряжение в точке их установки превышает некоторую критическую величину. К этим средствам относят: 1. разрядники, 2. шунтирующие реакторы с искровым соединением и 3. нелинейные ограничители перенапряжений. Надежность защиты в значительной степени определяется состоянием заземления опор воздушных линий и металлических корпусов оборудования подстанций. Заземление, помимо его роли в защите от перенапряжений, является весьма ответственным элементом сетей высокого напряжения. Различают три основных типа заземлений: 1. рабочее заземление, используемое для создания необходимого распределения напряжений и токов в нормальных и аварийных режимах работы сети; 2. защитное заземление, служащее для защиты персонала от напряжения, возникающего на корпусах оборудования при повреждениях изоляции или вследствие влияний; 3. грозозащитное заземление, предназначенное для защиты от внешних перенапряжений. Заземление разрядников, молниеотводов и тросов способствует уменьшению вероятности перекрытия изоляции при грозовых разрядах. Функции рабочего, защитного и грозозащитного заземлений часто возлагают на одно устройство. Основной характеристикой заземляющего устройства является его сопротивление, определяемое как отношение потенциала на зажиме заземлителя к току, стекающему через заземлитель. Потенциал определяется по отношению к удаленной точке земли. Сопротивление заземлителя зависит от конструкции и размеров, удельного сопротивления земли, а также от величины и формы стекающего с него тока. Различают сопротивления на частоте 50 Гц и на грозовых импульсах, эти сопротивления могут значительно различаться. Импульсное сопротивление заземлителя определяют при протекании импульсного тока, по форме совпадающего со стандартным грозовым импульсом. 70 4.3. Характеристики грозовой деятельности и параметры молний Для прогноза атмосферных перенапряжений и обоснованного выбора средств защиты необходимо иметь информацию по двум направлениям: 1. О возможном количестве разрядов молнии в защищаемое оборудование или вблизи него. 2. О токах в разряде молнии. Первый вопрос решается путем анализа многолетних метеорологических наблюдений и использованием средних характеристик грозовой деятельности. Второй вопрос более сложен из-за сложности прямых измерений токов в разряде молнии, однако многочисленные исследования в этом направлении позволили получить приемлемые статистические данные по параметрам разрядов молнии. Молния представляет собой электрический разряд между объемным зарядом в облаке и землей (наземные разряды) или между двумя заряженными областями (межоблачные и внутриоблачные разряды). Молнии предшествует процесс разделения и накопления электрических зарядов в облаках, происходящий из-за мощных восходящих воздушных потоков и интенсивной конденсации в них водяных паров. Восходящие потоки возникают в результате нагрева приземных слоев воздуха, который становится легче более холодных слоев. В восходящем потоке воздух охлаждается, и на определенной высоте его температура достигает значения, при котором образуется насыщенный водяной пар. Конденсация сопровождается выделением тепла, что стимулирует дальнейшее продвижение воздушного потока вверх до высоты примерно 6 - 8 км с образованием мощного кучевого облака. Различают три характерные стадии развития грозового облака: 1. Зарождение с разрастанием облака (10-15 мин); 2. Зрелая стадия с интенсивными осадками, сопровождаемыми холодными нисходящими потоками и резкими порывами ветра (15 - 30 мин); 3. Распад облака при прекращении восходящих и нисходящих потоков воздуха и постепенном выпадении осадков (около 30 мин). В целом грозовая деятельность определяется процессами в ряде отдельных грозовых ячеек. При прохождении холодного атмосферного фронта с резким понижением температуры воздуха такие процессы могут длиться до нескольких часов. 71 Первоначальным пусковым механизмом электризации грозового облака считается наличие в атмосфере электрического поля хорошей погоды из-за заряженности конденсатора «земля – ионосфера» (рисунок 4.1) с напряженностью около 100 В/м. Рисунок 4.1 - Электрическое поле в атмосфере при хорошей погоде Капельки воды в облаке в электрическом поле атмосферы становятся электрическими диполями, у которых положительный заряд находится внизу. Перемещающиеся вниз капельки отталкивают положительные ионы и захватывают отрицательные, приобретая избыточный отрицательный заряд; аналогично движущиеся вверх капельки становятся положительными. Движущиеся вверх капельки замерзают при температуре существенно ниже 0°С (при резком переохлаждении замерзание происходит при температуре около -18°С). Капелька при резком замерзании лопается, распадаясь на мелкие льдинки, которые уносят положительный заряд на высоту 10 - 12 км. В итоге грозовое облако представляет собой диполь с зарядом в среднем 25 Кл. Центр отрицательного заряда расположен на высоте около 5 км над землей (рисунок 4.2), и большая часть наземных молний (около 90%) переносит на землю отрицательный заряд, подзаряжая конденсатор «земля – ионосфера». Рисунок 4.2 - Образование заряженных областей в грозовом облаке 72 В средних широтах Земли разряды на землю составляют 30 … 40% всех молний, остальные разряды - межоблачные и внутриоблачные. Развитие наземного разряда молнии, как правило, начинается от облака, ответвления канала при этом направлены вниз. Восходящие молнии наблюдаются только на очень высоких объектах или в горной местности. Разряд молнии состоит из нескольких стадий. Вначале от центра отрицательного заряда по направлению к земле начинает скачками - ступенями развиваться канал ионизации - ступенчатый лидер. Средняя скорость продвижения ступенчатого лидера составляет 150 … 300 км/с. При приближении лидера к земле или к возвышенному объекту от последнего начинает развиваться встречный лидер высотой примерно 10 м или более. При соединении двух лидеров ток резко возрастает до значений в десятки и сотни килоампер, канал ионизации сильно нагревается и зона с большим током со скоростью 0,05 - 0,5 от скорости света распространяется обратно к облаку. Эта стадия называется главным разрядом или обратным ударом. Главный разряд отводит на землю заряд из канала лидера и его чехла за время от 20 до 200 мкс. Время нарастания тока в канале главного разряда составляет 5 ... 10 мкс. Таких главных разрядов в одном ударе молнии несколько, в среднем два или три, а общая длительность удара молнии составляет десятые доли секунды (в среднем 0,3 с). Последующие главные разряды имеют длительность фронта порядка 1 мкс. В промежутках между главными разрядами могут протекать слабо меняющиеся во времени токи величиной в сотни ампер, на которые, тем не менее, приходится основная доля перемещаемого молнией заряда. Степень опасности удара молнии определяется прежде всего максимальным значением тока I м в канале. Величина падения напряжения на индуктивных элементах и величины индуктированных перенапряжений зависят от скорости нарастания тока молнии на фронте волны: diм . dt Это наиболее важные параметры тока; кроме того, интеграл  i м 2dt определяет нагрев металлических частей, а оплавление металлических частей дугой зависит от величины перенесенного заряда. Обнаружено, что амплитуда тока главного разряда практически не зависит от сопротивления заземления в месте удара, так что молнию можно считать источником тока. а 73 4.4. Распространение волн перенапряжений 4.4.1. Распространение волн перенапряжений вдоль проводов Оборудование подстанций имеет гораздо более низкий уровень изоляции по сравнению с изоляцией линий электропередачи. Вместе с тем из-за большой протяженности линий основная доля грозовых перенапряжений возникает именно в них и, распространяясь вдоль проводов линии, достигает подстанции. Перенапряжение в месте его возникновения может рассматриваться как источник, исходя из которого можно определиться и с перенапряжениями, достигающими оборудования подстанций. Наиболее распространенным механизмом для анализа процессов в электрических цепях и предсказания их поведения являются законы Кирхгофа в совокупности с законом Ома и производные от них методы (контурных токов, узловых потенциалов, узловых напряжений и другие). К сожалению, все эти методы не учитывают запаздывание распространения электромагнитного поля и годятся только для электрически коротких цепей. Кроме того, все элементы электрической цепи рассматриваются дискретно, то есть распределение свойств вдоль длины линии никак не учитывается, что не позволяет говорить о распределении потенциала по элементу даже в случае электрически малой его длины. Максимальная скорость распространения электромагнитного поля в пространстве составляет 300 м/мкс. Цепь будет электрически короткой, если время распространения поля вдоль нее много меньше времени существенного изменения напряжения или тока в цепи. Считается, что для синусоидальных напряжений и токов можно говорить о небольшой длине линии, если время распространения поля вдоль нее не превышает одной десятой периода напряжения. Для простейшего анализа процессов можно рассматривать один провод над поверхностью хорошо проводящей плоской земли, поскольку основную опасность для оборудования представляет перенапряжение на изоляции по отношению к земле (рисунок 4.3). Рисунок 4.3 - Распространение волны перенапряжения по проводу линии 74 Если на некотором расстоянии x от начала линии выделить электрически короткий участок dx , то можно обойти трудность, связанную с невозможностью применения законов Кирхгофа к длинной линии. На малой длине dx при малости высоты h законы Кирхгофа вполне применимы. Схема замещения участка dx показана на рисунке 4.4, а: Рисунок 4.4 - Схема замещения участка линии длиной dx Здесь элемент dR - отражает потери энергии в проводе на нагрев, dL отображает индуктивность провода, емкостный элемент dC - отображает запас энергии в электрическом поле между проводами, а проводимость dG - соответствует утечке по изоляции между проводами. В простейшей постановке задачи резистивными элементами можно пренебречь, считаю провода низкоомными, а изоляцию – идеальной (рисунок 4.4, б). Ток i и напряжение u являются функциями координаты и времени, i  i  x ,t  , u  u  x ,t  , и при приросте переменной x на малую величину dx они прирастают на малые величины di и du . Применение законов Кирхгофа к коротким отрезкам длинных линий приводит к дифференциальным уравнениям, называемым «телеграфные уравнения». 4.4.2. Перенапряжения на оборудовании, подключенном к линии Решение телеграфных уравнений линии, основанных на распределенном характере параметров линии (рисунок 4.4), показывает, что перенапряжение можно представить как результат наложения падающей и отраженной волн напряжения. Отраженная волна возникает в конце линии при отражении волны от нагрузки линии. Характер отражения волны напряжения и получающееся итоговое напряжение на нагрузке линии зависит от характера этой нагрузки. В простейших ситуациях речь идет о падения волны на активную нагрузку, на емкостную нагрузку и на индуктивную нагрузку линии. В любом случае напряжение и ток в линии - и в конце ее на нагрузке в 75 том числе - определяется наложением падающих и отраженных волн, связанных в напряжении и токе волновым сопротивлением линии. Волновым сопротивлением линии называется величина: 1 L0 , C0  C0 связывающая друг с другом падающие и отраженные волны тока и напряжения. При падении волны грозового перенапряжения на провод, величина напряжения в конце линии, то есть на электрооборудовании понизительной (приемной) подстанции зависит от характера нагрузки линии. Опуская математические выкладки, отметим: Zв   1. При падении волны грозового перенапряжения u n на резистивную нагрузку R н напряжение на нагрузке может быть в пределах от 2u n до нуля. Форма напряжения на нагрузке повторяет форму падающей волны, а наибольшее напряжение получается при отсутствии нагрузки в конце линии или при большом входном сопротивлении нагрузки. 2. При падении волны грозового перенапряжения u n на емкостную нагрузку линии емкость оборудования в 1 000 пФ почти не влияет на время нарастания напряжения и на оборудование действует удвоенная волна грозового перенапряжения. Если же входная емкость оборудования велика, порядка 1 мкФ и более (кабельные вставки и конденсаторы), то будет происходить существенное снижение перенапряжения. 3. Анализ воздействия волны перенапряжения на индуктивную нагрузку дает следующие результаты: при индуктивности нагрузки, соответствующей силовому трансформатору при заземлении нейтрали, падающая волна грозового напряжения будет удваиваться. Таким образом, отсутствие нагрузки линии, небольшая емкостная нагрузка линии или большая индуктивная нагрузка приводят к удвоению падающей волны грозового перенапряжения на конце линии. 76 4.5. Квазистационарные и коммутационные перенапряжения 4.5.1. Емкостный эффект линий электропередачи Линия электропередачи обладает индуктивными и емкостными свойствами, что обусловливает возможность резонансных эффектов. В наиболее простой форме это отображается П-образной схемой замещения рисунок 4.5, которая пригодна для коротких отрезков линии. Рисунок 4.5 - Однолинейная схема ЛЭП (а) и П-образная схема замещения (б) Считается, что линия является электрически короткой, если ее длина не превышает одной десятой длины волны электромагнитного поля. Поскольку для 50 Гц в воздухе длина волны составляет 6000 км, линия может считаться электрически короткой, если ее длина не превосходит 600 км. Чтобы погрешности представления линии схемой, показанной на рисунке 4.5, б - не превышали 3%, нужно еще более жесткое ограничение длины линии - не более одной двадцатой длины волны, то есть не более300 км. Одностороннее питание линии возникает практически всегда в процессе каждого ее включения и отключения из-за несовпадения моментов коммутации выключателей на разных концах линии. Резонанс в схеме рисунок 4.5, б наступает при длине линии 1 500 км и отсутствии нагрузки, если внутреннее сопротивление генератора мало. При малой мощности генератора (большая индуктивность Lг ) резонанс наступает при меньшей длине линии. Корона на проводах линии увеличивает емкость проводов и также приводит к резонансу на меньших длинах. При резонансе увеличение напряжения на конце линии может в несколько раз превысить номинальное напряжение. Если длина линии сравнительно мала, то наблюдается небольшое повышение напряжения на конце линии, зависящее от длины и параметров линии. Подключение к линии трансформаторов снижает емкостный эффект линии в основном за счет насыщения стали трансформатора при повышенном напряжении; снижение за счет тока холостого хода при номинальном режиме обычно невелико. Уменьшение длины участков линий уменьшает перенапряжения емкостного эффекта. При больших длинах участков линии (более 300 км) и малой 77 мощности связываемых систем на линии устанавливают шунтирующие реакторы, компенсирующие емкостный ток линии. 4.5.2. Резонансное смещение нейтрали в сетях 3 ...35 кВ ПУЭ предусматривают для электрических сетей напряжением 3..35 кВ работу с изолированной нейтралью или с нейтралью, заземленной через дугогасящий реактор или резистор. Это мероприятие повышает надежность электроснабжения и сроки службы трансформаторов и выключателей, поскольку однофазные короткие замыкания на землю характеризуются малыми токами и допустимы на достаточно длительное время. Так как этот вид повреждения изоляции нередко сопровождается электрической дугой, для ее прерывания требуется снижение тока дуги за счет компенсации емкостного тока проводов линии с помощью дугогасящего реактора. Компенсация емкостного тока должна применяться при значениях этого тока в нормальных режимах более 10 А в сетях напряжением 3-20 кВ, имеющих железобетонные и металлические опоры на воздушных линиях электропередачи, и во всех сетях напряжением 35 кВ, а при деревянных опорах - при токах более 30 А при напряжении 6кВ и 20 А при напряжении 10кВ. Принцип работы дугогасящего реактора (в предельно упрощенном виде) поясняется рисунком 4.6 для ситуации однофазного замыкания на землю в фазе С . Рисунок 4.6 - Схема включения дугогасящего реактора (а), векторная диаграмма напряжений (б) и сумма токов (с) В сети с изолированной нейтралью в нормальном режиме с симметричной нагрузкой потенциал разземленной нейтральной точки обмотки показанного трансформатора имеет потенциал, близкий к нулевому потенциалу земли. При этом емкости трех отдельных фаз линии находятся под равными по модулю фазными напряжениями, которые создают систему взаимно уравновешенных емкостных токов, а через дугогасящий реактор ток не протекает. При однофазном чисто замыкании на фазе С линейный конец ее обмотки приобретает нулевой потенциал, что приводит к смещению потенциала нейтрали на величину фазного напряжения  U C  , поскольку ЭДС обмотки фазы С не меняется. Это приводит к изменению величины и фазы напряжений 78 проводов с исправной изоляцией А и В относительно земли (по модулю - с фазного до линейного), при этом провод поврежденной фазы С имеет нулевой потенциал. Дугогасящий реактор L р оказывается под фазным напряжением и в сети возникает индуктивный ток I p , направленный встречно суммарному емкостному току, определяемому емкостными токами фаз сумма емкостных токов I A и I B . Если I A , I B и индуктивного тока I p , равна нулю - дуга установившегося тока короткого замыкания не может возникнуть. Однако при отсутствии замыкания на землю подключение дугогасящего реактора может вызвать резонансное смещение нейтрали, что обычно сопровождается квазистационарными перенапряжениями. Дело в том, что при идеальной настройке реактора при нормальной работе сети напряжение на реакторе равно: L р , U р  U NO Rр где U NO - напряжение на нейтрали трансформатора при отсутствии дугогасящего реактора, R р - активное сопротивление реактора. Если система полностью симметрична, то U NO равно нулю. Однако поскольку полной симметрии, особенно при использовании ВЛ, не бывает, а отношение L р R р велико (порядка нескольких десятков), напряжение смещения нейтрали нормального режима может существенно превышать фазное напряжение. Для снижения напряжения на реакторе в нормальном режиме улучшают симметрию системы, а также вводят некоторую расстройку реактора от резонанса. Большая несимметрия возникает при неодновременной работе фаз выключателей, поэтому важно обеспечить минимальный разброс в действии фаз (в пределах 2 ...4 полупериодов частоты 50 Гц). 4.5.3. Перенапряжения при гашении дуги Большинство коммутаций в цепях высокого напряжения сопровождаются возникновением электрической дуги, которая представляет собой вид электрического разряда, характеризуемый большой плотностью тока и термической ионизацией молекул газа. Скорость снижения тока при гашении дуги определяет возникающие перенапряжения в сети. Условия существования дуги и ее характеристики зависят от скорости ее охлаждения. При токах более 200-300 А и неподвижной дуге в воздухе средний градиент потенциала на дуге составляет 8 ... 10 В см . Если напряжение 79 на размыкаемых контактах меньше 15 ... 20 В , то дуга возникнуть не может и ток прерывается за очень короткое время (менее 1мС), что при больших токах и значительных индуктивностях в цепи приводит к большим перенапряжениям. При небольших токах, менее 0,4 ... 1 А , не обеспечивается баланс тепла в дуге и размыкание цепи сопровождается многочисленными неустойчивыми разрядами со значительными перенапряжениями. При достаточно больших токах и напряжениях на размыкаемых контактах возникает устойчивая дуга, свойства которой определяются вольт- амперной характеристикой (статической для установившейся дуги постоянного тока и динамической при отключении или при переменном напряжении). Чтобы дуга могла погаснуть, необходимо увеличивать величину падения напряжения на дуге u д , например, путем растягивания дуги. Удлинение дуги может быть естественным, как в роговых разрядниках, или принудительным под действием магнитного поля; изменение вольтамперной характеристики дуги может быть и под действием принудительного ее охлаждения. При переменном напряжении ток дуги периодически снижается до нуля и дуга полностью прекращается. Если восстанавливающееся напряжение на промежутке меньше пробивного напряжения промежутка, то дуга возникнуть больше не может и ток естественным образом прекращается; по этой причине гашение дуги переменного тока происходит значительно легче гашения дуги постоянного тока. 4.5.4. Коммутационные перенапряжения Коммутационные перенапряжения возникают при включении ненагруженной линии, при котором на квазистационарное перенапряжение за счет емкостного эффекта накладываются затухающие колебания на емкости и индуктивности линии, частота которых зависит от длины линии. Амплитуда колебательной составляющей максимальна при угле включения 90° или 270° и величина ее составляет порядка двух амплитуд установившегося режима. Для снижения этого типа перенапряжений используют следующие меры: 1. шунтирующие резисторы с двухступенчатым включением (по схемам рисунок 4.7), сначала с резистором сопротивлением 600 ... 1 200 Ом (включение контакта 2, затем контакта 1), а затем, через 10... .20 мс, шунтирование этого резистора; 2. применение выключателей, позволяющие выбирать наиболее благоприятный момент включения; 3. использование вентильных разрядников и ОПН для ограничения перенапряжений; 4. секционирование линий на участки длиной не более 250 ...300 км. 80 Рисунок 4.7 - Схемы выключателя с шунтирующим резистором При автоматическом повторном включении после однофазного или двухфазного замыкания переходный процесс отличается от включения ненагруженной линии возможным наличием зарядов на неповрежденных фазах линии. Заряд на линии без шунтирующих реакторов стекает на землю через активные проводимости изоляторов, и в среднем, для сухой погоды при задержке АПВ на 0,4 с, напряжение оставшихся зарядов составляет 60-70% первоначального. В целом перенапряжения при АПВ обычно выше, чем при включении ненагруженных линий. Значительные коммутационные перенапряжения могут возникать не только при включениях, но и при отключениях ненагруженных линий и конденсаторных батарей. Значительные перенапряжения при отключении емкостного элемента могут возникнуть из-за повторных пробоев между расходящимися контактами выключателя. Пробивное напряжение межконтактного промежутка гораздо быстрее расчет у воздушных выключателей с их быстрым перемещением контактов и интенсивным дутьем, чем у масляных выключателей. При переходе тока через ноль дуга прекращается, а через полпериода изза остающегося на емкостном элементе напряжения восстанавливающееся напряжение на контактах составит двойную амплитуду сетевого напряжения, и если оно окажется больше пробивного напряжения, то возникает повторное включение цепи. Следующий обрыв тока произойдет при прохождении тока через нулевое значение и может опять произойти повторный пробой. Коммутация представляет собой серию чередующихся отключений и включений с пробоями на максимумах напряжений и раскачиванием процесса в отключаемой цепи. Из-за больших значений возникающих перенапряжений подобного типа целесообразно применять выключатели, не дающие повторных зажиганий в процессе отключения ненагруженных линий и конденсаторных батарей. К появлению перенапряжений приводит и отключение коротких замыканий, поскольку при этом из-за селективности защиты (избирательности действия, при котором отключается только поврежденный участок) отключается только часть линии, а оставшаяся часть представляет собой линию, на которой 81 восстанавливается напряжение после отключения ближнего к короткому замыканию выключателя. Наличие на линии устройства продольной компенсации приводит к увеличению перенапряжений, которые могут превысить трехкратное значение амплитуды напряжения центра питания линии. Отключение ненагруженного трансформатора (и любого другого индуктивного элемента) сопровождается возникновением при срезе тока выключателем затухающих колебаний большой амплитуды в контуре «индуктивность трансформатора - емкость цепи». Возникающие при этом повторные зажигания дуги в выключателе ограничивают возникающие перенапряжения, однако при большом количестве повторных зажиганий больше и перенапряжения, которые могут достигнуть четырех амплитуд рабочего напряжения и более. Разрядники, устанавливаемые на трансформаторном присоединении, ограничивают перенапряжения. 4.6. Защита от перенапряжений 4.6.1. Координация изоляции Изоляция нового оборудования на заводе - изготовителе подвергается испытаниям повышенным напряжением. Совокупность испытательных напряжений, которым подвергается изоляция нового оборудования, принято называть уровнем изоляции оборудования. Минимальным уровнем изоляции называют совокупность испытательных напряжений, которыми испытывается изоляция периодически в процессе эксплуатации. Выбор изоляции оборудования производят с учетом характеристик защитных разрядников и других применяемых способов ограничения перенапряжений. Под координацией изоляции понимается установление и поддержание в эксплуатации необходимого соотношения между уровнем изоляции и воздействующими на нее напряжениями. На изоляцию воздействует прежде всего рабочее напряжение. Для сетей от 3 кВ до 35 кВ, работающих с изолированной или резонансно заземленной нейтралью, расчетным рабочим напряжением является наибольшее рабочее линейное напряжение сети 1,73 U ф .   Для оборудования, предназначенного для работы в сетях с эффективно заземленной нейтралью (110 кВ и выше), за расчетное рабочее напряжение 82   принимают наибольшее рабочее фазное напряжение сети U ф . Кроме того, на изоляцию действуют и внутренние перенапряжения. Расчетные кратности внутренних перенапряжений выбираются в соответствии с применяемыми типами защитного оборудования; в случае применения ограничителей перенапряжения (ОПН) расчетные кратности внутренних перенапряжений берут пониженными (таблица 4.2). Таблица 4.2 - Расчетные кратности U ном , кВ k п без ОПН k п при ОПН kп внутренних перенапряжений 110 150 220 330 500 3,2 3,0 3,0 2,7 2,5 2,3-2,5 2,4 2,2 2,2 2,2 Воздействие грозовых перенапряжений, отличающихся весьма малыми временами нарастания напряжения, отличается от воздействия внутренних перенапряжений эффектами отражения падающих волн от конца линии с увеличением (до удвоения) амплитуды перенапряжения. Поскольку защитные элементы устанавливаются на некотором расстоянии от защищаемого оборудования, то при выборе расчетных значений грозовых перенапряжений остающееся напряжение на разряднике или на ОПН (соответствующее току координации) умножают на коэффициент, учитывающий перепад напряжения между разрядником и защищаемым объектом. Обычно коэффициент принимают равным 1,2 для силовых трансформаторов (разрядники располагают достаточно близко к трансформаторам) и 1,3 - 1,4 для остального оборудования. Уровни изоляции высоковольтного оборудования задаются по ГОСТ 1516.1-76, который устанавливает для каждого класса напряжения испытательные напряжения промышленной частоты и импульсные испытательные напряжения. ГОСТ 1516.2-97 устанавливает методику проведения испытаний. Для линий электропередачи координация изоляции предусматривает такой ее выбор, при котором обеспечивается весьма малое среднее число перекрытий и требуемый срок службы с учетом загрязнения и увлажнения изоляции. Обычно принимают среднее число перекрытий изоляции для линии типовой длины равным1 раз в 10 лет. Для изоляции подстанций в связи с высокой стоимостью оборудования показатель надежности принимается значительно более высоким, примерно один отказ в 50 - 100 лет. 83 4.6.2. Устройства для защиты от перенапряжений Для защиты линий и оборудования подстанций от перенапряжений используют следующие устройства: 1. Искровые промежутки, разрядники и ОПН для защиты отдельных точек на линии. 2. Тросы и заземления опор на линиях. 3. Роговые разрядники, трубчатые разрядники на контактной сети. 4. Молниеотводы. 5. Разрядники и ОПН на подстанциях. Защитное действие тросов и молниеотводов основано на отводе тока молнии от защищаемого оборудования. Остальные защитные устройства выполняют две функции: 1. Присоединение защищаемой цепи к заземлителю при воздействии перенапряжения (непосредственная защитная функция); 2. Отключение защищаемой цепи от заземления при окончании действия перенапряжения, что часто связано с отключением возникшего короткого замыкания в защищаемой цепи. 4.6.3. Искровые промежутки и роговые разрядники Искровые промежутки являются самым простым и дешевым устройством защиты от перенапряжений, в настоящее время применяется редко. В сетях напряжением 3 … 35 кВ могут выполняться в виде рогов, способствующих растягиванию и гашению дуги из-за электродинамических сил и тепловых потоков. В сетях до 35 кВ длина защитного промежутка мала, и для предотвращения замыкания промежутка птицами в заземляющих спусках создаются дополнительные искровые промежутки. Параметры искровых промежутков приведены в таблице 4.3. Таблица 4.3 - Параметры искровых промежутков Параметр Длина основного промежутка, мм Длина дополнительного промежутка, мм Амплитуда пробивного напряжения 50 Гц, кВ ампл. Импульсное пробивное напряжение, кВ (для отрицательного импульса) 3 20 5 Номинальное напряжение, кВ 6 10 35 40 60 250 10 15 30 110 650 - 28 48 63 148 356 34 52 67 220 510 84 Искровые промежутки обладают целым рядом недостатков, основные из которых следующие: 1. Срабатывание искровых промежутков приводит к короткому замыканию, которое должно отключаться выключателями. При переходном процессе среза напряжения могут возникнуть перенапряжения на продольной изоляции трансформаторов, реакторов и электрических машин. 2. Большой статистический разброс пробивных напряжений затрудняет координацию изоляции. 3. Вольт-секундная характеристика искрового промежутка из-за резкой неоднородности поля имеет подъем в области малых времен, соответствующих грозовым перенапряжениям, и защищаемая изоляция может остаться незащищенной (рисунок 4.8). Рисунок 4.8 - Вольт-секундные характеристики изоляции (1) и искрового промежутка с резко неоднородным полем (2) Достаточно широко применяемые на контактной сети электрического транспорта роговые разрядники выполняются либо с одним искровым промежутком, либо с двумя искровыми промежутками (рисунок 4.9). Рисунок 4.9 - Роговые разрядники, применяемые на контактной сети Действующие «Правила устройства и технической эксплуатации контактной сети» требуют применения роговых разрядников с двумя искровыми промежутками. Способность гашения дуги роговым разрядником сильно зависит от скорости и направления ветра. Дуга гаснет быстрее при направлении ветра перпендикулярно плоскости разрядника. 85 4.6.4. Трубчатые разрядники Трубчатые разрядники (рисунок 4.10) представляют собой разновидность искровых промежутков, дополненных приспособлением для принудительного гашения дуги, которое выполнено в виде трубки из газогенерирующего материала (винипласт или менее прочный фибробакелит). Рисунок 4.10 - Устройство трубчатого разрядника и вольт-секундные характеристики: разрядника РТФ-35/0,8-5 при l 2 =60 мм (1), l 2 =40 мм (2), роговогоразрядника 2x50 мм (3) Защитная функция трубчатым разрядником выполняется так же, как и простым искровым промежутком, с теми же недостатками. Отключение дуги сопровождающего тока короткого замыкания производится из-за интенсивного газовыделения трубкой при повышенной температуре горения дуги. Специфическим недостатком трубчатого разрядника является наличие зоны выхлопа разрядника. В соответствии с выполняемыми функциями трубчатый разрядник характеризуется двумя группами параметров. К первой группе относится номинальное напряжение, пробивное напряжение промышленной частоты, импульсное пробивное напряжение и вольт-секундная характеристика. Ко второй группе относятся нижний и верхний пределы отключаемых токов. Основное применение трубчатых разрядников сводится к защите подходов к подстанциям, защите оборудования маломощных подстанций 3 - 10 кВ и защита контактной сети переменного тока. 4.6.5. Вентильные разрядники Вентильные разрядники являются другой разновидностью искровых промежутков, отличающихся слабой неоднородностью электрического поля и нелинейным резистором для гашения дуги. Защитная функция вентильным разрядником выполняется так же, как и простым искровым промежутком. Однако в связи с однородностью электрического поля вольт-секундная характеристика разрядника существенно лучше, чем у трубчатого. Кроме того имеет место меньший статистический разброс пробивных напряжений. Отключение 86 возникшего при пробое промежутка короткого замыкания производится с помощью нелинейного резистора, включенного последовательно с искровым промежутком. Сопротивление этого резистора велико при рабочем напряжении и резко снижается при повышенном напряжении. Простейший единичный промежуток вентильного разрядника показан на рисунке 4.11, а. Рисунок 4.11 - Единичный искровой промежуток с неподвижной дугой (а) и вид вольт-секундной характеристики разрядника с многократным искровым промежутком (б) Промежуток составлен двумя латунными электродами, разделенными миканитовой шайбой. Единичные промежутки включаются последовательно друг с другом для улучшения гашения дуги, которая нестабильна в небольшом промежутке с холодными электродами. У многократного искрового промежутка, однако, происходит неравномерное распределение напряжения на отдельных промежутках, аналогично гирлянде изоляторов, что приводит к снижению пробивного напряжения при малых временах порядка 2 - 4 мкс (рисунок 4.11, б). Группа характеристик вентильного разрядника, определяющая его защитную функцию, составлена следующими характеристиками: 1. Номинальное напряжение. 2. Наибольшее допустимое длительное напряжение на разряднике. 3. Пробивное напряжение на частоте 50 Гц (обычно действующее значение). 4. Остающееся напряжение на сопротивлении резистора при определенном импульсном токе (от 5 до 14 кА, в зависимости от типа разрядника), называемым током координации (рисунок 4.12). Рисунок 4.12 - Вольтамперная характеристика резистора вентильного разрядника (а) и напряжение на вентильном разряднике при его срабатывании (б) Функция отключения характеризуется напряжением гашения - это 87 наибольшее напряжение промышленной частоты на разряднике, при котором надежно обрывается сопровождающий ток (ток гашения). Еще одной характеристикой разрядника является его пропускная способность, то есть минимальное количество нормированных импульсов тока, который разрядник должен выдержать без существенного изменения его свойств. Это количество обычно равно 20. Таким образом, и защитная функция, и отключение короткого замыкания определяются как искровым промежутком, так и нелинейным резистором. 4.6.6. Нелинейные ограничители перенапряжений (ОПН) Основным недостатком вентильного разрядника является сравнительно невысокая нелинейность резисторов на основе карбида кремния. Значительно большей нелинейностью обладают резисторы на основе окиси цинка. Выполненные на их базе ОПН позволяют ограничивать коммутационные перенапряжения на уровне (1,65 ...1,8) U ф , а грозовых - на уровне (2,2 ... 2,4) U ф . Высоконелинейные оксидно-цинковые резисторы выпускаются в виде дисков диаметром от 28 до 85 мм. ОПН выполняется путем последовательного и параллельного включения таких резисторов. При рабочем напряжении через одну параллельную колонку резисторов протекает ток в доли миллиампера, и необходимость в искровом промежутке отпадает. Защитная функция ОПН характеризуется величиной остающегося напряжения при определенной величине протекающего тока коммутационного или грозового перенапряжения. Понятия напряжения гашения у ОПН нет, однако есть наибольшее рабочее напряжение ОПН, выше которого может произойти разогрев и разрушение ОПН. Кроме того, ОПН характеризуют величиной номинального напряжения, которая указывается в маркировке устройства. 4.6.7. Основные принципы грозозащиты линий Высокую надежность грозозащиты воздушных линий электропередачи обеспечивают следующие мероприятия: 1. Подвеска грозозащитных тросов с достаточно малыми углами защиты. 2. Снижение импульсного сопротивления опор. 3. Повышение импульсной прочности изоляции линий и снижение вероятности установления дуги (в частности, этому способствует использование деревянных траверс и опор). 4. Применение изолированной нейтрали или дугогасящего реактора. 5. Использование автоматического повторного включения линий. 88 Для линий напряжением 220 кВ и выше, сооружаемых обычно на металлических или железобетонных опорах, основным средством грозозащиты являются тросы, располагаемые над фазными проводами. Импульсное сопротивление заземлений опор, к которым присоединяются тросы, должно быть не более 15 Ом для линий 220 кВ, а для линий 110 кВ с железобетонными опорами - не более 20 Ом. При грунтах с удельным сопротивлением более 1 000Ом×м разрешаются более высокие значения сопротивления заземлений. Для уменьшения потерь энергии, возникающих из-за наведенного напряжения 50 Гц в контуре «земля-опора-трос-опора-земля», заземление тросов производят не на каждой опоре, подвешивая трос на одном-двух изоляторах, зашунтированных искровым промежутком. Дополнительным средством уменьшения грозопоражаемости линий 220 кВ и выше является использование АПВ. Линии напряжением 110-150 кВ на металлических и железобетонных опорах также обычно защищаются по всей длине тросами. Эксплуатация линий 110 кВ без тросов допускается в районах с числом грозочасов в году менее 20, при высоких удельных сопротивлениях грунта, в особо гололедных районах, в районах с коррозионным загрязнением атмосферы, в горных местностях с возвышающимися горными массивами. Линии 110- 150 кВ на деревянных опорах не требуют подвески грозозащитных тросов в связи с высокой импульсной прочностью изоляции таких линий. Применение АПВ также повышает надежность грозозащиты таких линий. Линии 35 кВ на металлических опорах защищаются тросами лишь в особо ответственных случаях. Линии 35 кВ на деревянных опорах имеют более высокую надежность грозозащиты. Линии напряжением 3 - 20 кВ не оборудуются тросовой защитой и защищаются от грозовых перенапряжений с помощью дугогасящего реактора или изолированной нейтрали и АПВ. Дополнительные меры защиты (с помощью разрядников) должны быть использованы в следующих случаях: 1. Пересечения линий электропередачи между собой или с другими линиями. 2. Опоры со сниженной электрической прочностью изоляции и высокие опоры переходных пролетов. 3. Ответвления к подстанциям на отпайках и секционирующие разъединители на линиях. 4. Кабельные вставки на линиях. 89 4.6.8. Основные принципы защиты подстанций Надежность защиты подстанций от перенапряжений должна быть значительно выше надежности защиты линий, поскольку ущерб от повреждения здесь значительно больше, а уровень изоляции ниже. Основные принципы защиты оборудования подстанций сводятся к следующему: 1. Защита от прямых ударов молнии стержневыми молниеотводами. 2. Защита оборудования от волн, приходящих с линии, с помощью разрядников или ОПН. 3. Защита подходов линий от прямых ударов молнии. Зоны защиты молниеотводов определены опытным путем исходя из того, что вероятность прорыва молнии в защищаемый объект не превосходит 0,05 (одно попадание прямого удара из двадцати ударов), иногда – 0,005. Для успешной защиты оборудования от волн, набегающих с линии, разрядник должен иметь пробивное и остающееся напряжение ниже допустимого на защищаемом объекте на некоторую величину, называемую интервалом координации, который должен составлять не менее 15% уровня допустимого напряжения. Особенностью перенапряжений на подстанции является их существенная зависимость от крутизны фронта набегающей волны и слабая зависимость от амплитуды набегающей волны. Амплитуда влияет лишь на величину остающегося напряжения, слабо меняющегося благодаря пологой вольтамперной характеристике нелинейного резистора разрядника или ОПН. Величина перенапряжения зависит от крутизны набегающей волны потому, что при прохождении волны от объекта до разрядника (если объект оказался первым по ходу волны) и обратной волны от сработавшего разрядника до объекта подъем напряжения на объекте за время двойного пробега прямо определяется скоростью нарастания напряжения падающей волны. При продвижении волны вдоль линии фронт волны сглаживается (удлиняется) за счет импульсной короны, потерь в земле и в проводах, поэтому выполняют защиту подходов линий от прямых ударов молнии на определенной длине (рисунок 4.13), что к тому же снижает величину тока в разрядниках подстанции. 90 Рисунок 4.13 - Схема защищенного подхода линии электропередачи Количество и места установки ОПН и разрядников выбирают так, чтобы расстояние между разрядниками и защищаемыми объектами не превышали безопасной величины (от 30 м до 150 м для разных случаев). При защите подхода линии грозозащитные тросы подвешивают даже в случае их отсутствия на других участках линии, трос заземляют на каждой опоре, а сопротивление заземления опоры выдерживают на уровне не более 10 - 20 Ом. В начале подхода устанавливают трубчатый разрядник, способствующий ограничению амплитуды тока в разряднике подстанции. Второй трубчатый разрядник РТ2 предназначен для защиты выключателя. На подстанциях напряжений 110 - 220 кВ обычно устанавливают один комплект разрядников на каждую систему шин. Длина защищаемого подхода составляет обычно 1-2 км. Подстанции напряжением 3 ... 20 кВ имеют обычно кабельные вводы, поскольку подвести к подстанции большое число воздушных линий сложно. Обобщенная схема защиты от перенапряжений такой подстанции показана на рисунок 4.14. Рисунок 4.14 - Обобщенная схема защиты подстанции 3-20 кВ Наличие кабельной вставки на входе такой подстанции обычно не обеспечивает достаточной грозоупорности подстанции из-за неизбежных многократных отражений волн в кабельной линии. Поэтому в месте соединения воздушной линии с кабельной устанавливают вентильный или трубчатый разрядник для ограничения приходящей волны. Вентильный разрядник в конце кабеля устанавливается из-за возможности повреждения кабельной муфты из-за удвоения волны при отключенном выключателе. 91 ЗАКЛЮЧЕНИЕ ПО КУРСУ ТВН 1. Превышение напряжения на изоляции выше критического значения приводит к пробою изоляции. Значение пробивного напряжения зависит от свойств изоляционного материала, структуры электрического поля в изоляционном промежутке и скорости нарастания пробивного напряжения на промежутке. Пробой изоляции происходит из-за явлений ударной ионизации, фотоионизации в объеме газа, термической ионизации, эмиссии электронов из катода. В жидкостях особое значение имеют тепловые процессы и наличие примесей, в твердой изоляции при пробое происходят электрические, тепловые и электрохимические процессы. Пробивное напряжение газового промежутка с однородным и слабонеоднородным электрическим полем зависит от произведения относительной плотности газа на расстояние между электродами. Эта зависимость характеризуется снижением электрической прочности при увеличении расстояния между электродами при условиях, близких к нормальным и имеет минимум при очень низких давлениях или очень малых расстояниях между электродами. Разрядный промежуток с электродами типа «стержень – плоскость» характеризуется существенно меньшей электрической прочностью по сравнению с промежутком с однородным и слабонеоднородным электрическим полем, наличием явления короны и двойным эффектом полярности. При отрицательном стержне корона начинается при существенно меньшем напряжении, чем при положительном, а пробивное напряжение при положительном стержне меньше, чем при отрицательном. При быстром подъеме напряжения разрядное напряжение оказывается связанным с предразрядным временем, эта зависимость называется вольт-секундной характеристикой изоляционного промежутка. Вольт-секундная характеристика определяется на стандартных грозовых импульсах. Напряжение перекрытия проходных изоляторов существенно меньше напряжения перекрытия опорных изоляторов при одинаковой длине пути перекрытия. 2. Среди изоляторов по расположению токоведущей части различают опорные, проходные и подвесные изоляторы, по конструктивному исполнению различают тарельчатые, стержневые и штыревые изоляторы, а по месту установки различают линейные и станционные изоляторы. 92 К основным характеристикам изоляторов относят номинальное напряжение, разрядные напряжения, геометрические параметры и механические характеристики. Напряжение, приложенное к гирлянде изоляторов, распределяется неравномерно, и наибольшее напряжение оказывается на изоляторе, ближайшем к проводу. 3. Изоляция силовых трансформаторов разделяется на внешнюю и внутреннюю. Внутренняя изоляция делится на главную и продольную. Главная изоляция силовых трансформаторов чаще всего выполняется маслобарьерного типа, а продольная изоляция - слоями электроизоляционной бумаги, накладываемой поверх провода. Проходные изоляторы высокого напряжения имеют неблагоприятное расположение электродов, слабую механическую прочность на изгиб и характеризуются нагревом изоляционного тела изолятора. Наиболее распространенной конструкцией проходного изолятора является конденсаторный ввод. От силовых конденсаторов требуется обеспечение необходимой емкости, рабочего напряжения и тепловой устойчивости, что определяется изоляцией конденсатора. В качестве изоляции используется пропитанная конденсаторная бумага и полимерные пленки. Электродами в силовых конденсаторах является алюминиевая фольга толщиной 7 ... 12 мкм. Изоляция силовых кабелей выполняется либо слоями кабельной бумаги, пропитанной вязкими маслоканифольными компаундами или кабельными маслами (нефтяными или синтетическими), либо из пластмасс. В кабелях 110 кВ и выше применяется бумажная изоляция с менее вязкой пропиткой и поддержанием избыточного низкого или высокого давления масла. В электрических машинах высокого напряжения изоляцию обмоток статоров разделяют на главную изоляцию, на междуфазную изоляцию и на продольную изоляцию. 4. В процессе эксплуатации изоляции на нее воздействуют частичные разряды, тепловые и механические нагрузки, из окружающего воздуха проникает влага. Все это приводит к появлению сосредоточенных и распределенных дефектов изоляции. Методы контроля состояния изоляции подразделяются на неразрушающие методы, производимые при пониженных напряжениях и при рабочих напряжениях, и на разрушающие методы контроля, предполагающие использование напряжений, повышенных по сравнению с рабочими. 93 5. Измерение сопротивления изоляции позволяет контролировать как сплошное увлажнение изоляции, так и увлажнение только одного из слоев в слоистой изоляции. При измерении сопротивления изоляции принимают во внимание прежде всего абсолютную величину сопротивления R60 , которая должна быть не меньше нормированного значения, а затем и коэффициент абсорбции. Если обе величины не выходят за пределы нормы, то говорят о том, что увлажнения изоляции не обнаружено; если хотя бы одна из величин неудовлетворительна, то делают вывод о недопустимом увлажнении изоляции. Контроль величины емкости изоляции позволяет выявлять слоистое увлажнение изоляции. Для выявления повреждений в силовых трансформаторах используется хроматографический анализ растворенных в масле газов. 6. Измерение tg  - это один из основных методов контроля изоляции электрооборудования высокого напряжения. При измерениях контролируют абсолютную величину tg  , изменения tg  по сравнению с предыдущими измерениями, а в некоторых случаях снимают зависимость tg  от напряжения. Контроль частичных разрядов позволяет судить о темпах электрического старения изоляции. В электрическом методе контроля ЧР регистрируют скачок напряжения на изоляции и величину кажущегося заряда. 7. Испытания изоляции повышенным напряжением позволяют выявить локальные дефекты, не обнаруживаемые иными методами. Этот метод испытаний является прямым способом контроля способности изоляции выдерживать воздействия перенапряжений. При испытаниях повышенным напряжением используются три основных вида испытательных напряжений: повышенное напряжение промышленной частоты, выпрямленное постоянное напряжение и импульсное испытательное напряжение. Все виды испытаний делятся на три основные группы: испытания новых изделий на заводе-изготовителе, испытания после прокладки или монтажа нового оборудования и после капитального ремонта, периодические профилактические испытания. Изоляцию кабелей испытывают повышенным напряжением, измеряют сопротивление изоляции, а некоторых случаях измеряют tg  изоляции. У силовых трансформаторов измеряют пробивное напряжение трансформаторного масла, сопротивление изоляции и коэффициент абсорбции, от- 94 ношение С 2 С50 , tg  , проводят испытания повышенным напряжением для обмоток напряжением 35 кВ и ниже. На заводе-изготовителе внутренняя и внешняя изоляция испытываются полными и срезанными стандартными грозовыми импульсами, а также переменным напряжением. Основной вид контроля вводов высокого напряжения - периодический осмотр. У вводов напряжением 110-220 кВ измеряют tg  и проводят анализ и испытания проб масла и измерение сопротивления изоляции. 8. Испытательные установки высокого переменного напряжения предназначены для получения высокого регулируемого переменного напряжения, с помощью которого испытывают изоляцию. Основным узлом установки является испытательный трансформатор, отличающийся малой мощностью, ограниченным временем включения, малым запасом электрической прочности изоляции. Для получения напряжений выше 1 000 кВ используют каскадное соединение испытательных трансформаторов. Схема испытательной установки содержит испытательный трансформатор или каскад, регулировочный трансформатор и защитный резистор. Для получения высокого постоянного напряжения при испытаниях изоляции используют выпрямительные установки. Выпрямительные установки делятся на две группы: установки однополупериодного выпрямления и установки, построенные по схемам умножения напряжения. Основная проблема высоковольтного выпрямителя - выравнивание обратного напряжения на последовательно включенных вентилях. 9. Для испытания изоляции коммутационными импульсами напряжения используют генераторы коммутационных импульсов, которые могут быть выполнены на базе колебательных контуров с повышающими импульсными трансформаторами. Стандартные грозовые импульсы получают путем разряда заряженного высоковольтного конденсатора на резистор; фронт импульса формируют путем зарядки дополнительного конденсатора через дополнительный фронтовой резистор. Для получения импульсов напряжением более 250-300 кВ используют многоступенчатые схемы ГИН, в которой несколько конденсаторов заряжаются от зарядного устройства параллельно, а при разряде с помощью искровых промежутков переключаются в последовательное соединение со сложением напряжений на конденсаторах. 95 10. Наиболее распространенными средствами измерения высоких постоянных напряжений являются шаровые разрядники, электростатические вольтметры и добавочные резисторы. На высоком переменном напряжении для измерений применяются шаровые разрядники, электростатические вольтметры, емкостные делители напряжений, трансформаторы напряжения с низковольтными вольтметрами и низковольтные вольтметры в первичных обмотках повышающих трансформаторов. Для измерения импульсных напряжений используют шаровые разрядники и делители напряжения. 11. На изоляцию электрооборудования воздействуют перенапряжения, появляющиеся в результате коммутационных процессов в сети, незапланированного режима сети или из-за разрядов молнии. Эти перенапряжения могут привести к повреждению изоляции. В соответствии с причинами возникновения различают коммутационные, квазистационарные и атмосферные (грозовые) перенапряжения. Очень существенную роль в защите от перенапряжений играют заземления, поведение которых при грозовых перенапряжениях характеризуется величиной импульсного сопротивления. Источником грозовых перенапряжений служат разряды молнии, характеризуемые числом часов с грозой в году, количеством разрядов молнии на 1 км2 за 100 грозовых часов и статистическими характеристиками тока в канале молнии и крутизны тока в канале молнии. 12. Прямые удары молний приводят к перекрытию изоляции линий напряжением 3 ... 35 кВ приметно в половине случаев. Величина индуктированного перенапряжения примерно пропорциональна амплитуде тока молнии. 13. К длинным линиям относят электрические цепи, в которых необходимо учитывать запаздывание в распространении электромагнитного поля. К цепям с распределенными параметрами относят цепи, в которых необходимо заниматься распределением напряжений и токов внутри отдельных элементов цепи. Прямое применение законов Кирхгофа для анализа процессов в длинных линиях невозможно из-за того, что в них не учитывается запаздывание в распространении электромагнитного поля. Применение законов Кирхгофа к коротким отрезкам длинных линий приводит к дифференциальным уравнениям, 96 называемым телеграфными уравнениями. В длинной линии распространяются падающие и отраженные волны напряжений. Грозовые перенапряжения полностью относятся к таким типам волн. На конце линии возможно удвоение падающей волны напряжения, а в обмотках трансформаторов на главной изоляции также возможны условия удвоения перенапряжений. Импульсные перенапряжения больше по величине на витках, расположенных вблизи проходного изолятора, с которого приходит волна перенапряжения. 14. Емкостная генерация в линии электропередачи приводит к повышению напряжения на удаленном от генератора ненагруженном конце линии. В сетях с изолированной нейтралью квазистационарные перенапряжения возникают при однофазных замыканиях на землю. В сетях с компенсированной нейтралью возможно большое смещение нейтрали в нормальном режиме из-за несимметрии отдельных фаз линии. Гашение электрической дуги приводит к возникновению в сети перенапряжений, определяемых скоростью спада тока при гашении дуги. При включении и отключении ненагруженных линий, при отключении конденсаторных установок и ненагруженных трансформаторов возникают коммутационные перенапряжения большой величины. 15. Для изоляции электроустановок устанавливают и поддерживают необходимое соотношение между уровнем изоляции и воздействующими на нее напряжениями, называемое координацией изоляции. Обычно принимают для линий электропередачи среднее число перекрытий изоляции линии типовой длины равным1 раз в 10 лет, для изоляции подстанций показатель надежности принимается равным примерно одному отказу в 50-100 лет. Для защиты линий и оборудования подстанций от перенапряжений используют искровые промежутки, разрядники и ОПН, тросы и заземления опор на линиях, молниеотводы. Основные принципы защиты оборудования подстанций сводятся к защите от прямых ударов молнии стержневыми молниеотводами, защите оборудования от волн, приходящих с линии с помощью разрядников или ОПН, и к защите подходов линий от прямых ударов молнии. 97