А. Г. Овсянников доктор технических наук, профессор, зав каф. Твн нгту А. А. Ким доктор технических наук, профессор, завлаб. Исэ со ран в. И. Курец доктор технических наук, профессор тпу Томский политехническ
 Скачать 2.62 Mb.
|
|
1.13. Потери энергии при коронировании При проектировании ЛЭП пользуются расчетными зависимостями потерь энергии при коронировании. Распространенной формулой для расчета потерь на корону на переменном напряжении является эмпирическая формула Пика для одиночного провода ( ) ( ) 5 к ф 10 25 δ 1 , 24 − ⋅ − + = U U S r f P , кВт/км ⋅ фаза, (1.30) где δ – относительная плотность воздуха f – частота, Гц r 0 – радиус одиночного провода, см S – расстояние между проводами, см Ф действующее значение фазного напряжения, кВ к – напряжение возникновения короны, кВ 2 к ln 2 , 21 m m r S U ⋅ ⋅ ⋅ δ ⋅ = , кВ, (1.31) где m 1 – коэффициент гладкости провода m 2 – коэффициент погоды. Для идеально гладкого провода m 1 = 1, для реального витого провода (зависит от конфигурации провода. Обычно принимают х m 2 = 0,8 – при плохой погоде. На линиях электропередачи сверхвысокого напряжения используют расщепленные провода в фазах. Для определения потерь при коро- нировании для расщепленных проводов используют формулу Майра 2 эк э эк 1350 ( ) 2,3lg 1 1 E P k n f r E E E f r − ⎛ ⎞ = ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ − ⋅ − ⋅ ⎜ ⋅ ⎝ ⎠ 0 ⎟ , (1.32) где n – число проводов в фазе f– частота, Гц r 0 – радиус одиночного провода, см Е к – напряженность возникновения короны, кВ/с; Е э – эквивалентная напряженность, кВ/см; k – коэффициент погоды 2 ср э Е E E max + = . (1.33) Средняя напряженность для расщепленного провода экв cp Максимальная напряженность 37 cp у, где ( ) p экв у 1 r r n k ⋅ − + = ; n n r r n r 1 р 0 экв − ⋅ ⋅ = – эквивалентный радиус одиночного провода, имеющего туже емкость, что и расщепленная фаза – радиус расщепления фазы. Недостатком формулы Майра является то, что все многообразие погодных условий сводится к двум группам погоды хорошая погода ( k = 44; Е к = 17 кВ/см) и плохая погода ( k = 31,5; Е к = 11 кВ/см). Для средней полосы европейской части России и Западной Сибири потери на корону для трехфазных ЛЭП сверхвысокого напряжения могут рассчитываться по формуле Л. Егоровой и Н. Тиходеева км к 10 53 , 0 7 , 8 ехр 10 4 , 2 − − ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ = U U U P , кВт/км, (1.34) где м – амплитудное значение фазового напряжения, кВ. Для определения потерь на корону в течение года рассчитывают потери энергии для каждой группы погоды, а затем суммируют их с учетом продолжительности группы в течение года Р к к, (1.35) где ψ i – относительная продолжительность группы погоды, Р кi – среднегодовая мощность потерь при й группе погоды. Для оценочного подсчета среднегодовых потерь всепогодные условия разбивают на 4 группы 1) хорошая погода 2) дождь (включая мокрый снег и морось 3) сухой снег 4) изморозь (включая гололед и иней. Наибольшие потери в единицу времени возникают при изморози. Усредненная продолжительность различных групп погоды для средней полосы европейской части России и Западной Сибири приведена в табл. 1.3. 38 Таблица 1.3 Продолжительность групп погоды за год Группа погоды Продолжительность групп погоды за год (ч) Продолжительность групп погоды за год (Хорошая погода 81,3 Сухой снег 800 9,1 Дождь 500 5,7 Изморозь 340 3,9 Сумма 8760 100 1.14. Разряд в воздухе вдоль поверхности изоляторов Рассмотрим влияние твердого диэлектрика на возникновение и развитие разряда в воздухе вдоль поверхности изолятора. В конструкции на риса) силовые линии электрического поля параллельны поверхности диэлектрика и поле однородно. В конструкции (на рис. 1.19, б) поле неоднородно и тангенциальная составляющая напряженности поляна поверхности диэлектрика Е τ преобладает над нормальной составляющей E n . В конструкции (на рис. 1.19, в) поле также неоднородно, но преобладает нормальная составляющая. Первая конструкция сравнительно редко встречается в реальных условиях, но удобна при выявлении влияния характеристик диэлектрика на возникновение разряда, вторая и третья конструкции встречаются часто (опорные и проходные изоляторы. E E n Eτ E E n E Eτ а б в Рис. 1.19. Характерные конструкции воздушных промежутков с твердым диэлектриком В изоляционной конструкции (см. риса) электрическая прочность промежутка с диэлектриком меньше, чем прочность чисто воздушного промежутка. Это связано с адсорбцией влаги из окружающего 39 воздуха на поверхности диэлектрика, а также с микрозазорами между твердым диэлектриком и электродом. Поверхность всех тел во влажном воздухе покрыта тончайшей пленкой воды. Ионы, образующиеся в этой пленке под действием электрического поля, перемещаются к электродам. В результате этого поле вблизи электродов усиливается, а в середине промежутка – ослабляется. Усиление поля у электродов приводит к снижению электрической прочности промежутка. Это снижение тем больше, чем гигроскопичнее диэлектрик. Например, стекло является более гигроскопичным материалом, чем глазурованный фарфор, поэтому напряжение перекрытия вдоль поверхности стекла ниже, чем вдоль фарфора. Уменьшение напряжения перекрытия изолятора при наличии мик- розазора между диэлектриком и электродом или микротрещины на поверхности диэлектрика связано с увеличением в них напряженности поля вследствие различия диэлектрических проницаемостей воздуха и твердого диэлектрика (диэлектрическая проницаемость твердого диэлектрика в 3–4 раза больше, чем воздуха. Увеличение напряженности поляк микрозазорах приводит к возникновению там ионизационных процессов, продукты которых (ионы и электроны, попадая в основной промежуток, создают местное усиление поля, приводящее к уменьшению напряжения перекрытия. Для увеличения разрядного напряжения промежутка с твердым диэлектриком стремятся использовать малогигроскопичные диэлектрики или создать покрытия из малогигроскопичных материалов, защищающие диэлектрик от контакта с парами воды (например, глазуровка поверхности фарфора, а также обеспечить надежное, без микрозазоров, сопряжение тела изолятора с металлической арматурой, используя цементные заделки и эластичные проводящие прокладки. В изоляционной конструкции (см. рис. 1.19, б) поле неоднородное, следовательно, как ив случае чисто воздушного промежутка, разрядное напряжение меньше, чем в однородном поле. Влияние гигроскопичности диэлектрика и микрозазоров здесь качественно такое же, как ив конструкции на риса, но оно слабее выражено, т. к. электрическое поле и без того существенно неоднородно. При достаточно большой неоднородности поля в этой изоляционной конструкции, как ив чисто воздушном промежутке, возникает коронный разряд. Образующиеся при этом озон и окислы азота воздействуют на твердый диэлектрик. Наибольшую опасность коронный разряд представляет для полимерной изоляции, особенно если он имеет стримерную форму. Температура в канале стримера достаточно высока, и соприкосновение его с поверхностью диэлектрика может приводить к термическому разложению диэлектрика и образованию обугленного следа с повышенной проводимостью. Длина этого следа (трека) со временем возрастает, что приводит к перекрытию изолятора с необратимой потерей им электрической прочности. Всe сказанное справедливо и для конструкции на рис. 1.19, в Большая нормальная составляющая электрического поля способствует сближению канала стримера с поверхностью диэлектрика, что повышает вероятность повреждения диэлектрика. Электрическая прочность этой конструкции еще меньше, чем конструкция на рис. 1.19, б. Каналы стримеров, развивающихся вдоль поверхности диэлектрика, имеют значительно большую емкость по отношению к внутреннему (противоположному) электроду, чем в конструкции с преобладанием тангенциальной составляющей поля. Поэтому через стримерные каналы проходит сравнительно большой ток. При определенном значении напряжения ток возрастает настолько, что температура стримерных каналов становится достаточной для термической ионизации. Термически ионизированный канал разряда, развивающегося вдоль диэлектрика, на поверхности которого нормальная составляющая напряженности поля превышает тангенциальную составляющую, называют каналом скользящего разряда. Проводимость канала скользящего разряда значительно больше проводимости канала стримера, поэтому падение напряжения в канале скользящего разряда меньше, а на неперекрытой части промежутка – больше, чем в каналах стримера. Увеличение напряжения на непере- крытой части промежутка приводит к удлинению канала скользящего разряда и полному перекрытию промежутка при меньшем значении напряжения между электродами. Длина канала скользящего разряда зависит от его проводимости, а следовательно, от значения тока в нем. В свою очередь, ток зависит от напряжения между электродами, изменения напряжения и емкости канала стримера относительно противоположного электрода. Влияние этих параметров отражено в эмпирической формуле Теплера, согласно которой длина канала скользящего разряда 4 5 2 1 ск dt dU U С l ⋅ ⋅ χ = , (1.36) где – коэффициент, определяемый опытным путем С – удельная поверхностная емкость (емкость поверхности диэлектрика, по которой развивается разряд относительно противоположного электрода приложенное напряжение. Из формулы (1.36), при подстановке вместо l ск расстояния между электродами по поверхности диэлектрика L , можно определить значение напряжения U P , необходимого для перекрытия изолятора. Если же принять 0 S C d ε ⋅ ε ⋅ = , где d – толщина диэлектрика, а площадь S принята равной 1 см, и считать значение dt dU постоянным, что в первом приближении соответствует постоянству частоты приложенного напряжения, из формулы (1.36) получим выражение для нахождения разрядного напряжения 4 , 0 0 2 , 0 p ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ ε ⋅ ε ⋅ χ = d L U , (1.37) которое называется формула Теплера Из формулы Теплера следует, что рост длины изолятора дает относительно малое повышение разрядного напряжения. Поэтому для увеличения разрядных напряжений проходных изоляторов уменьшают удельную поверхностную емкость путем увеличения диаметра изолятора у фланца, с которого можно ожидать развития разряда. Используется также нанесение у фланца полупроводящего покрытия, что способствует выравниванию распределения напряжения по поверхности изолятора и, следовательно, приводит к увеличению разрядных напряжений. При постоянном напряжении удельная поверхностная емкость практически не влияет на развитие разряда и значение разрядного напряжения оказывается близким к разрядному напряжению чисто воздушного промежутка. Разряд вдоль проводящей и загрязненной поверхности изолятора В условиях эксплуатации поверхности изоляторов всегда загрязняются. Как правило, сухие загрязнения, имеющие высокое сопротивление и не влияющие на распределение напряжения по поверхности изолятора, не снижают заметно его разрядного напряжения. Увлажнение слоя загрязнения моросящим дождем или росой приводит к уменьшению сопротивления слоя загрязнения, изменению распределения напряжения по поверхности изолятора ив результате – к снижению его разрядного напряжения. 42 Механизмы перекрытия изолятора под дождем и при загрязненной и увлажненной поверхности сходны. Рассмотрим развитие разряда в случае, когда поверхность изолятора загрязнена и увлажнена. Под действием приложенного к изолятору напряжения по увлажненному слою загрязнения проходит ток утечки, нагревающий его. Так как загрязнение распределено по поверхности изолятора неравномерно и плотность тока утечки неодинакова на отдельных участках изолятора из-за сложной конфигурации его поверхности, то нагревание слоя загрязнения происходит также неравномерно. На тех участках изолятора, где плотность тока наибольшая, происходит интенсивное испарение воды и образуются подсушенные участки с повышенным сопротивлением. Распределение напряжения по поверхности изолятора меняется. Почти все напряжение, воздействующее на изоляцию, оказывается приложенным к подсушенным участкам. В результате этого подсушенные участки перекрываются искровыми каналами, называемыми частичными перемежающими дугами. Сопротивление искрового канала меньше сопротивления подсушенного участка поверхности изолятора, поэтому ток утечки возрастает. Возрастание тока утечки приводит к дальнейшему подсушиванию слоя загрязнения, а следовательно и к увеличению его сопротивления. Интенсивное подсушивание поверхности изолятора у концов дуг приводит к их удлинению. Подсушивание всей поверхности ведет к снижению тока утечки, а увеличение длины частичных дуг – к его росту. Если результатом этого будет уменьшение тока утечки, то дуги погаснут, если же ток утечки будет расти, то частичные дуги будут удлиняться и перекроют весь изолятор. Так как параметры частичной дуги и количество дуг, одновременно существующих на поверхности изолятора, случайны, то и перекрытие также является случайным событием, характеризуемым определенной вероятностью. Вероятность перекрытия изолятора повышается с увеличением воздействующего напряжения, т. к. при этом возрастает ток утечки, что благоприятствует удлинению частичных дуг до полного перекрытия изолятора. Из приведенной картины развития разряда следует, что разрядные напряжения изоляторов будут тем выше, чем меньше ток утечки У У R U I = , (1.38) где Уток утечки по изолятору У – сопротивление утечки по поверхности изолятора. 43 Если слой загрязнения имеет толщину ∆ с удельным объемным сопротивлением, то для цилиндрического гладкого изолятора диаметром D D L R ⋅ ∆ ⋅ ⋅ = π ρ У У , (1.39) где У – длина пути утечки. Из формул (1.38) и (1.39) следует, что У У ρ L D U I ⋅ ⋅ ∆ ⋅ π ⋅ = Следовательно, разрядное напряжение изолятора будет возрастать с увеличением длины пути утечки и уменьшением диаметра изолятора У У вл.р ρ π I L U D ⋅ ⋅ = ⋅ ∆ Так как процессы подсушки поверхности изолятора происходят относительно медленно, то при кратковременных перенапряжениях они не успевают развиться и напряжение перекрытия бывает выше, чем при длительном воздействии напряжения. Влагоразрядное напряжение изолятора зависит от характеристик слоя загрязнения, его количества и состава, а также от интенсивности и вида увлажнения. Большое разнообразие видов загрязнения, встречающихся в условиях эксплуатации, не позволяет выбрать единственное стандартное загрязнение, которое можно было бы наносить на поверхность изоляторов при определении влагоразрядных напряжений. Наиболее правильно разрядные напряжения в реальных условиях загрязнения и увлажнения могут быть определены из опыта эксплуатации. 1.15. Пробой жидких диэлектриков Жидкие диэлектрики, обладая значительно более высокой электрической прочностью (по сравнению с газами, нашли очень широкое применение в качестве высоковольтной изоляции в разнообразных устройствах трансформаторах, кабелях, передающих линиях, конденсаторах, выключателях, разрядниках и т. д. Жидкие диэлектрики можно классифицировать по их природе наследующие группы 1) углеводороды минеральные – продукты перегона нефти и каменного угля (трансформаторное, конденсаторное и др. масла 2) углеводороды растительные (касторовое, льняное и др. масла 44 3) хлорированные углеводороды ароматического ряда (хлордифе- нил, совтол); 4) кремнийорганические соединения. Кроме этого, жидкие диэлектрики могут быть полярными и неполярными. В связи с этим у них существенно изменяются свойства, которые приведены в табл. 1.4. Таблица 1.4 Свойства диэлектриков Вид диэлектрика ρ, Ом·см ε tg δ Неполярные ≥ 10 18 1,8–2,5 ≈ 0,001 Слабополярные ≈ 10 11 –10 12 > 2,5 ≈ 0,01 Сильнополярные ≈ 10 7 –10 8 > 5 ≈ 0,1 В промышленности имеют дело с технически чистыми жидкими диэлектриками, у которых влияние посторонних примесей ограничено некоторой минимальной концентрацией. В этой связи в теориях пробоя технически чистых жидкостей рассматривают влияние посторонних примесей, неизбежно появляющихся при эксплуатации. Важнейшие посторонние примеси в жидких диэлектриках а) вода б) газы в) волокна целлюлозы г) углерод д) продукты разложения используемого жидкого диэлектрика. По сравнению с воздухом (газом, пробивные напряжения масла имеют очень большой разброс. Отклонение от среднего составляет 50 % и более, а среднеквадратичное отклонение – 10…15 %. Определение электрической прочности масла U ПР по ГОСТ 6581-75 осуществляется в стандартном пробойнике на переменном напряжении. На пробой жидких диэлектриков существенное влияние оказывает множество факторов, которые могут как понижать пробивное напряжение (загрязнения, увлажнение и др, таки увеличивать его (очистка, давление, барьеры и т. д. Основные факторы, изменяющие U ПР : 1) загрязнение и увлажнение (увеличение загрязненности масла снижает ПР, ничтожное количество влаги ( < 0,03 %) резко снижает ПР 2) вязкость (уменьшение вязкости уменьшает U ПР ); 45 3) температура (с увеличением температуры ПР уменьшается на импульсном напряжении это влияние незначительное для технически чистого масла зависимость ПР = f (T о) носит сложный характер 4) давление (для технически чистого масла увеличение давления приводит к увеличению ПР, т. к. увеличивается давление в газовых пузырьках) наличие барьеров (барьеры могут существенно повысить ПР, особенно в резконеоднородном поле 6) время действия напряжения (с увеличением времени воздействия напряжения U ПР уменьшается чем чище диэлектрик, тем меньше это влияние на импульсном напряжении коэффициент импульса в несколько раз больше, чем для газовых диэлектриков 7) форма, площадь электродов и расстояние между ними (форма электродов создает поля разной степени неоднородности причем больше коэффициент неоднородности, тем ниже ПР с увеличением площади электродов ПР уменьшается увеличение расстояния увеличивает ПР 8) полярность электродов при несимметричной их форме (при отрицательной полярности пробивные напряжения больше, чем при положительной этот эффект тем больше, чем более полярен диэлектрик. Пробой жидких диэлектриков – явление сложное, что объясняется сложным составом жидких диэлектриков и многими факторами, влияющими на развитие пробоя (загрязнение, форма, размеры и материал электродов, температура, давление и др) Для хорошо очищенных жидкостей величина электрической прочности достигает 1000 кВ/см. В приложении 1, табл. П, даны электрофизические характеристики некоторых наиболее широко применяемых в энергетике технически чистых жидких диэлектриков при нормальных условиях окружающей среды. |