Методичка / Лабораторный практикум Техника Высоких Напряжений

ТЕХНИКА ВЫСОКИХ НАПРЯЖЕНИЙ

Лабораторный практикум

Лабораторная работа № 3 РАСПРЕДЕЛЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ ПО ГИРЛЯНДЕ ИЗОЛЯТОРОВ

Теоретические сведения

Переменное и импульсное напряжения распределяются по изоляторам гирлянды неравномерно. Если не принять специальных мер, на линиях высокого напряжения (200 кВ и выше) часть изоляторов в гирлянде может оказаться под таким напряжением, что на них уже при рабочем напряжении и нормальных атмосферных условиях возникнет корона,

которая явится источником радиопомех, причиной ускоренной коррозии арматуры и вызовет дополнительные потери энергии.

Опора

Рисунок 6 - Гирлянда подвесных изоляторов (а) и схема замещения

Кроме собственной емкости подвесного изолятора , в цепи гирлянды имеются емкости 1 – арматуры изоляторов относительно заземленных частей опоры и 2 арматуры изоляторов относительно провода линии электропередачи. Обычно гирлянды комплектуются из однотипных изоляторов, поэтому их собственные емкости = 30 … 70

пФ имеют одинаковую величину. При чистой и сухой поверхностях изоляторов

21

ТЕХНИКА ВЫСОКИХ НАПРЯЖЕНИЙ

Лабораторный практикум

сопротивления утечки 1⁄ .Поэтому распределение напряжения зависит от емкостей

, 1, и 2 (проводимостями утечки при этом можно пренебречь). Если бы емкостей 1 и 2

не было, напряжение распределялось бы по изоляторам равномерно. В реальных условиях

1 = 4 … 5 пФ, а 2 = 0,5 … 1,0 пФ, поэтому величина тока, протекающего через емкости изоляторов, не останется постоянной. Наибольший ток протекает через собственную емкость , ближайшего к проводу изолятора, наименьший – через емкости изоляторов,

расположенных в середине гирлянды, и немного повышенный — через емкости изоляторов, ближайших к заземленной части конструкции.

Соответственно наибольшее напряжение ложится на изоляторы, расположенные около провода, наименьшее на изоляторы в середине гирлянды и немного повышенное на изоляторы, ближайшие к заземленной части конструкции. С увеличением числа изоляторов в гирлянде неравномерность распределения напряжения по гирлянде возрастает.

При > (10 … 15) увеличение числа изоляторов в гирлянде практически не изменяет долю напряжения на ближайшем к проводу изоляторе, что затрудняет выполнение изоляции для линий высокого и сверхвысокого напряжений (свыше 220 кВ),

так как без специальных мер напряжение ∆1 независимо от числа изоляторов в гирлянде растет почти пропорционально рабочему напряжению 0 линии.

Для создания более равномерного распределения напряжения вдоль гирлянды и снижения величины ∆1⁄ 0 используется специальная арматура в месте подвески провода

ввиде колец, восьмерок, овалов.

Спомощью этой арматуры увеличивается емкость 2 изоляторов, ближайших к проводу, что приводит к снижению напряжения ∆1. При расщеплении проводов емкость

2 значительно увеличивается. Поэтому применение расщепленных проводов, а также сдвоенных гирлянд, у которых емкость 2 увеличивается в большей степени, чем емкость

1, способствует выравниванию распределения напряжения вдоль гирлянды изоляторов.

Защитная арматура, кроме того, предохраняет поверхность изолятора от обгорания и сами изоляторы от разрушения при перекрытии гирлянды на землю. При сильном загрязнении и увлажнении поверхностей изоляторов 1⁄ , поэтому распределение напряжений вдоль гирлянды определяется главным образом сопротивлением утечки. Если изоляторы гирлянды загрязнены и увлажнены одинаково и равномерно по всей поверхности, то происходит выравнивание распределения напряжения.

При выполнении лабораторной работы распределение напряжения по изоляторам в гирлянде определяется при помощи шарового разрядника Р, который последовательно прикладывается к каждому изолятору в гирлянде как показано на рисунке 7.

22

ТЕХНИКА ВЫСОКИХ НАПРЯЖЕНИЙ

Лабораторный практикум

Р

Рисунок 7 - Установка шарового разрядника для проведения измерений

При неизменном расстоянии между шарами разрядника напряжение на нем повышается до пробоя искрового промежутка, который производится при замыкании шарового разрядника на напряжение каждого изолятора гирлянды. Шары разрядника,

образующие искровой промежуток, закрепляются на изолирующей штанге, которая называется жужжащей.

Падение напряжения на каждом изоляторе:

р ∆(%) = ∙ 100 (15)

где – напряжение прикладываемое к гирлянде изоляторов при замыкании разрядника на -м изоляторе гирлянды; р – пробивное напряжение разрядника P,

определяется по табличным данным в зависимости от диаметров шаров и расстояния между ними.

Если исключить из (15) пробивное напряжение разрядника р, то падение напряжения на каждом изоляторе гирлянды можно определить по выражению:

23

ТЕХНИКА ВЫСОКИХ НАПРЯЖЕНИЙ

Лабораторный практикум

где – напряжение прикладываемое к гирлянде изоляторов при замыкании разрядника на -м изоляторе гирлянды; – число изоляторов в гирлянде; – напряжения каждого изолятора гирлянды при замыкании на них шарового разрядника Р, определяется по опытным данным.

Приведенная методика измерения распределения напряжения пригодна только тогда, когда емкость между электродами штанги мала по сравнению с емкостью изолятора,

и измерения осуществляются при отсутствии короны на изоляторах и подводящих проводах.

Описание лабораторной установки

Принципиальная электрическая схема установки представлена на рисунке 8.

Q1

220 В

Рисунок 8 - Схема лабораторной установки

Объектом испытания (ОИ) является гирлянда подвесных изоляторов. Высокое напряжение подается на гирлянду изоляторов ОИ от высоковольтного трансформатора Т.

Напряжение его регулируется автотрансформатором АТ и измеряется на стороне низкого напряжения вольтметром V.

Выключатель Q1 служит для коммутации напряжения испытательной установки.

Контактор КМ предназначен для дистанционного отключения и включения высоковольтного трансформатора. Испытательная схема снабжена лампочкой,

сигнализирующей о подаче напряжения на высоковольтный трансформатор Т.

Высоковольтная часть установки расположена за ограждением. Двери ограждения снабжены блокировкой, контакты которой включены в цепь управления контактором КМ.

24

ТЕХНИКА ВЫСОКИХ НАПРЯЖЕНИЙ

Лабораторный практикум

Порядок выполнения работы

1.Ознакомиться со схемой установки, с расположением ее элементов и объектов испытания, порядком проведения измерений и правилами безопасной работы.

2.Измерить распределение напряжения вдоль гирлянды из семи изоляторов без арматуры и с арматурой. По полученным данным построить график зависимости ∆(%) =

( ) .

3. Измерить распределение напряжения вдоль гирлянды из пяти изоляторов без арматуры и с арматурой. По полученным данным построить график зависимости∆(%) = ( ).

Таблица 7 - Распределение напряжения вдоль гирлянды из семи изоляторов без арматуры

Таблица 8 - Распределение напряжения вдоль гирлянды из семи изоляторов с арматурой

25

ТЕХНИКА ВЫСОКИХ НАПРЯЖЕНИЙ

Лабораторный практикум

Таблица 9 - Распределение напряжения вдоль гирлянды из пяти изоляторов без арматуры

Таблица 10 - Распределение напряжения вдоль гирлянды из пяти изоляторов с арматурой

Содержание отчета

1.Цель работы.

2.Краткие теоретические сведения.

3.Схема установки.

4.Результаты измерений.

5.Векторные диаграммы.

6.Выводы.

Контрольные вопросы

1.Объясните причину неравномерного распределения напряжения вдоль гирлянды изоляторов.

2.Почему на 1-й изолятор от провода ложится большее напряжение?

3.Как изменяется распределение напряжения вдоль гирлянды изоляторов с ростом числа изоляторов в гирлянде?

4.Объясните назначение защитных экранов.

5.Как влияет на распределение напряжения вдоль гирлянды изоляторов расщепление проводов?

6.Как изменяется распределение напряжения вдоль гирлянды изоляторов при сильном загрязнении и увлажнении поверхностей изоляторов?

7.Как измерить распределение напряжения по изоляторам гирлянды с помощью жужжащей штанги?

26

ТЕХНИКА ВЫСОКИХ НАПРЯЖЕНИЙ

Лабораторный практикум

Лабораторная работа № 4 ПРОФИЛАКТИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ ИЗОЛЯЦИИ КАБЕЛЯ С ВЯЗКОЙ

ПРОПИТКОЙ

Теоретические сведения

Изоляция кабелей должна обладать высокой электрической прочностью, что позволяет уменьшать диаметр кабеля и его стоимость, быть гибкой и сохранять механическую прочность в широком диапазоне изменения температур. В силовых кабелях наибольшее распространение получила бумажно-масляная изоляция различных типов,

которая отличается друг от друга количеством пропиточного масла, приходящегося на единицу объема изоляции, и его вязкостью. Для пропитки бумаги в силовых кабелях применяется минеральное масло с различными добавками, из которых основное значение имеет канифоль. Добавки, во-первых, предотвращают окисление масла, в результате чего оно стареет и ухудшаются его изоляционные свойства, и, во-вторых, увеличивается вязкость масла.

На рисунке 9 показана изоляция кабеля с вязкой пропиткой. Изоляция кабеля состоит из двух частей: фазной 2 и поясной 3 (рисунке 9а).

1 - жила кабеля; 2 - фазная изоляция; 3 - поясная изоляция; 4 - наполнитель; 5 - свинцовая оболочка; 6 - броня; 7 - пропитанная пряжа 8 - битумный состав

Рисунок 9 - Изоляция кабеля с вязкой пропиткой на напряжение 6-10 кВ а - поперечный разрез кабеля, б структура бумажной изоляции

Зазоры между отдельными изолированными жилами заполняются низкокачественной изоляцией - наполнителем 4 (джутом или бумажным жгутом). Поверх свинцовой оболочки 5 для повышения механической прочности кабеля накладывается броня 6 из стальных лент или проволок, от коррозии броня защищается битумным составом

8. Кабельная изоляция ( рисунке 9б) изготовляется из бумажных лент 2 шириной 10-30 мм,

27

ТЕХНИКА ВЫСОКИХ НАПРЯЖЕНИЙ

Лабораторный практикум

толщиной 20-120 мм, наматываемых спирально слой на слой. В каждом слое между смежными лентами оставляются зазоры в 1,5-3,5 мм, благодаря которым при изгибании кабеля бумажные ленты не повреждают друг друга. Масляные каналы в зазоре между лентами являются слабым местом в изоляции, поэтому при намотке бумаги необходимо по возможности предотвращать совпадение зазоров в двух соседних слоях бумаги.

Бумага содержит влагу и воздух, для удаления которых применяется сушка под вакуумом при температуре 120-135°С. После сушки в тех же герметически закрытых баках производится пропитка изоляции под вакуумом составом из минерального масла и канифо-

ли. Масло и бумага в кабельной изоляции удачно дополняют друг друга, поэтому пробивные напряженности кабельной изоляции значительно выше пробивных напряженностей бумаги и масла, взятых в отдельности. Кабельная изоляция имеет весьма высокую кратковременную электрическую прочность порядка 50-60 кВ/мм при пере-

менном напряжении, намного превышающую прочность бумаги и масла, взятых в отдельности. При постоянном напряжении эта разница еще более увеличивается. Однако электрическая прочность изоляции с вязкой пропиткой значительно снижается при увеличении времени воздействия напряжения.

Трехжильные кабели имеют неблагоприятную структуру с точки зрения отвода тепла, который затруднен из центральной части кабеля.

Кроме того, электрическое поле трехжильных кабелей не является строго радиальным. Имеется составляющая напряженности поля, направленная вдоль слоев бумаги, что существенно уменьшает электрическую прочность кабеля. Поэтому трехжильные кабели с поясной изоляцией используются только для напряжений 10 кВ и ниже. При напряжениях 20 и 35 кВ применяются кабели с отдельно освинцованными или с экранированными, жилами. Основным недостатком кабелей с вязкой пропиткой является возможность появления газовых включений при эксплуатации, если они работают в режиме переменной электрической нагрузки, приводящей к перемежающимся нагревам и охлаждениям кабеля. Так как температурный коэффициент расширения изоляции кабеля значительно больше, чем у свинцовой оболочки, то при нагреве кабеля в режиме максимальной нагрузки оболочка принудительно распирается изоляцией. При уменьшении нагрузки и остывании кабеля оболочка сохраняет остаточную деформацию, в результате чего внутри него образуется ряд пустот, которые постепенно заполняются выделяющимся из изоляции газом. Газовые включения создаются главным образом вблизи оболочки,

однако, за счет диффузии газа сквозь изоляцию газовые включения появляются и вблизи жилы кабеля, т. е. в области наибольшей напряженности электрического поля.

Пузырек газа, расположенный вблизи жилы кабеля, попадает в область наибольшей

28

ТЕХНИКА ВЫСОКИХ НАПРЯЖЕНИЙ

Лабораторный практикум

напряженности поля, поэтому ионизация газа может начаться даже при рабочем напряжении. Благодаря бомбардировке ионами краев газового пузырька он раздробляется,

превращаясь в газо-масляную эмульсию, которая постепенно вытесняет масло из пор ближайшей бумажной ленты и проникает в следующий масляный канал между бумажными лентами. Так как ионизация сопровождается прохождением определенного тока, одно или несколько отверстий в первой ленте бумаги обугливается, превращаясь в хорошо проводящий канал. Во втором масляном слое процесс развивается аналогично, в результате чего оказывается проколотой следующая лента бумаги. После того как в нескольких слоях бумаги, примыкающих к жиле, образуются проводящие каналы, электрическое поле в окрестности газового включения искажается, появляется тангенциальная составляющая напряженности электрического поля, и разряд получает возможность развиваться вдоль слоев бумаги. На этом пути прочность кабельной изоляции значительно ниже, поэтому разряд начинает скользить вдоль слоев бумаги, несмотря на то, что этот путь значительно длиннее. Дойдя до следующего зазора между лентами, разряд переходит в следующий слой,

после чего он может прорастать вправо и влево. Образуется характерный для кабелей с вязкой пропиткой ветвистый разряд, который доходит иногда до оболочки кабеля на расстоянии 1 м и более от места своего зарождения. По мере развития ветвистого разряда,

которое в кабелях с вязкой пропиткой идет весьма медленно, иногда в течение десятков лет,

вдоль канала распространяется газо-масляная эмульсия с непрерывной ионизацией,

сопровождающейся химическим разложением бумаги и масла.

При повышении напряженности поля скорость распространения ветвистых разрядов очень быстро возрастает, так как увеличивается интенсивность ионизации газо-масляной эмульсии. Этим в значительной мере и объясняется резкая зависимость времени жизни ка-

беля с вязкой пропиткой от длительности приложения напряжения.

При постоянном напряжении кабели с вязкой пропиткой имеют более благоприятные характеристики, так как отсутствуют условия для образования ветвистых разрядов. В газовом включении, расположенном вблизи жилы, возникает ионизация, но ионы, оседая на стенках включения, ослабляют внешнее поле, и ионизация прекращается.

При переменном напряжении она возобновляется в следующем полупериоде, когда напряжение источника меняет знак. При постоянном напряжении ионы очень медленно стекают через проводимость изоляции, и только после этого возникают новые вспышки ионизации, менее интенсивные и происходящие гораздо реже, чем при переменном напряжении, поэтому вероятность образования ветвистых разрядов практически полностью отсутствует. Кроме того, при постоянном напряжении распределение потенциалов по толще изоляции определяется проводимостями ее участков. Так как прово-

29

ТЕХНИКА ВЫСОКИХ НАПРЯЖЕНИЙ

Лабораторный практикум

димость пропитанной бумаги всегда в несколько раз меньше проводимости масла, в бумаге образуются наибольшие напряженности поля. Это обстоятельство является благоприятным, так как электрическая прочность бумаги выше прочности масляных пленок. При переменном напряжении распределение потенциалов определяется емкостями,

инаибольшие напряженности поля создаются в масляных пленках, которые имеют меньшую диэлектрическую проницаемость. Поэтому рабочая напряженность электрического поля для кабеля с вязкой пропиткой при постоянном напряжении может быть повышена до 25-30 кВ/мм, т. е. в 5-7 раз по сравнению с амплитудным значением напряженности при переменном напряжении.

Ветвистые разряды в кабелях развиваются весьма медленно, однако в какой-то мере они имеются в каждом кабеле, пробывшем в эксплуатации длительное время. Изоляция кабеля повреждается вследствие коррозии или при земляных работах, при оползнях в почве

ит. д. Через место повреждения в оболочке в изоляцию постепенно проникает влага,

вытесняя масло, и прочность изоляции снижается до недопустимо низких пределов. При эксплуатации кабеля в соединительных муфтах иногда появляются трещины, и

загрязняются выводы. Таким образом, в кабелях в основном возникают местные дефекты,

которые необходимо обнаружить, чтобы вырезать поврежденный участок и заменить его новым.

При профилактических испытаниях контролируется изоляция каждой жилы кабеля относительно земли, и испытываются концевые муфты, воронки. Для выявления нарушений изоляции при замыканиях фаз на землю и резкой асимметрии изоляции фаз применяются мегомметры на 2500 В. Проверка мегомметром производится до и после испытания кабеля повышенным напряжением постоянного тока. Для выявления местных сосредоточенных дефектов изоляции кабеля испытываются повышенным напряжением постоянного тока: кабели 3-10 кВ течение 5 минут напряжением (5 … 6) ном, кабели 10-35

кВ (4 … 5) ном.

Эти испытания осуществляются на выпрямительных кенотронных установках.

Одновременно измеряется величина тока утечки.

При удовлетворительном состоянии изоляции токи утечки не превосходят 500 мкА для кабелей 3-10 кВ и 800 мкА - для кабелей до 35 кВ. Коэффициент асимметрии токов утечки по фазам не должен быть более 2. Однако основным показателем является не вели-

чина тока утечки, а ее изменение в процессе испытании. При возрастании тока утечки длительность испытания должна быть несколько увеличена и, если ток утечки не стабилизируется, кабель необходимо довести до пробоя, который фиксируется по резкому броску тока и снижению напряжения. Место повреждения отыскивается либо искателями,

30