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.
|
|
3.4. Измерение высоких напряжений 3.4.1. Шаровые разрядники Для измерений высоких напряжений широко используются шаровые разрядники. Это универсальное измерительное устройство, которым можно измерять амплитудные значения постоянного, переменного, высокочастотного и импульсного напряжений. Величина пробивного напряжения зависит от расстояния между шарами, их диаметра, способа подключения (симметричное или один шар заземлен, относительной плотности воздуха δ. Для получения высокой точности необходимо выполнить ряд условий. Расстояние между шарами не должно превышать S ≤ 0,5D, где D – диаметр шаров. Следовательно, для широкого диапазона измеряемых напряжений нужен набор шаров разного диаметра. 2. Поверхность шаров должна быть гладкой и чистой. Слой пыли снижает пробивное напряжение. 3. Расстояние от шаров до заземленных или находящихся под напряжением предметов должно быть не менее L > 5 D. 4. Для получения стабильных результатов измерений необходимо облучение разрядного промежутка ультрафиолетовым излучением или радиоактивными изотопами, особенно при малых расстояниях между шарами. 5. Измерение следует производить 4–5 рази за измеренную величину принимать среднее арифметическое значение, т. к. имеет место статистический разброс пробивных напряжений. Измерение постоянных и переменных напряжений производится следующим образом. Вначале устанавливается заведомо большое расстояние между шарами, исключающее пробой при измеряемом напряжении. Затем на шаровой разрядник подается напряжение, и расстояние между шарами плавно уменьшается до возникновения пробоя промежутка. Эта процедура повторяется 4–5 раз. Определяется среднее пробивное расстояние, затем по таблицам находится соответствующее напряжение. При измерении амплитуды импульсного напряжения за пробивное расстояние между шарами принимают такое, при котором половина поданных импульсов, приложенных к разряднику, вызывает пробой промежутка, а половина – нет. Это напряжение называют 50 м пробивным напряжением. Величину пробивного напряжения определяют из таблиц по полученному пробивному расстоянию. При измерении пользуются градуировочными таблицами, дающими связь пробивного напряжения с диаметром шаровых электродов и расстоянием между ними. В таблицах даны амплитудные значения пробивного напряжения. Таблицы Международной электротехнической комиссии (МЭК) составлены для нормальных атмосферных условий Р = 760 мм рт. ст. и T = 20 о С). Значения пробивных напряжений в зависимости от расстояния между шаровыми электродами для разных диаметров шаров приведены в приложении 3, табл. Пи П. В тех случаях, когда измерения проводятся в условиях, отличных от нормальных, вводится поправка на относительную плотность воздуха δ. Тогда искомое значение напряжения будет равно и = т, где т – табличное значение пробивного напряжения δ = Р + T), где Р и – соответственно давление в мм рт. ст. и температура в градусах Цельсия окружающей среды при проведении измерений. Для получения необходимой точности измерений необходимо выполнять требования, предъявляемые к установке шарового разрядника в пространстве, как указано в приложении 3, в табл. Пи на рис. П. Кроме шаровых разрядников, имеется еще целый ряд устройств и приборов для измерения высокого напряжения. 3.4.2. Электростатические вольтметры Рассмотрим наиболее широко применяемые электростатические вольтметры. Электростатические вольтметры измеряют действующее значение напряжения. Принцип действия основан на механическом перемещении одного из электродов вольтметра под действием электростатических сил. Измерение производится за счет уравновешивания этой механической силы грузом или пружиной 2 2 2 0 2 KU U l S F = ⋅ ⋅ ε ⋅ ε = , где S – площадь подвижного электрода l – расстояние между электродами 87 2 , 2 Устройство электростатического вольтметра А. А. Чернышева приведено на рис. 3.9. Г ВН А С С В k 1 k 2 N Рис. 3.9. Устройство электростатического вольтметра А. А. Чернышева: А – подвижный заземленный диск, В – неподвижный высоковольтный диск, Сохранное заземленное кольцо, N – металлическое заземленное коромысло, k 1 , k 2 – контакты цепи гальванометра, Г – гальванометр Имеются шаровые вольтметры, например вольтметр Соренсена, Гобсона и Рамо. В технических электростатических киловольтметрах, например Сна напряжения до 75 кВ, уравновешивание подвижного электрода осуществляется упругой растяжкой, на которой укреплено зеркальце. Отсчет показаний производится за счет светового луча. 3.4.3. Делители напряжения Делители напряжения (ДН) позволяют не только измерять напряжение, но и зафиксировать форму воздействующего сигнала при помощи электронного осциллографа (см. рис 3.10). Применяются делители омические, емкостные и смешанные оми- ческо-емкостные. Делитель характеризуется коэффициентом деления К д – отношение величины полного сопротивления делителя к величине сопротивления низковольтного плеча с учетом передающего кабеля к и измерительного устройства. 88 Z 1 Z 2 R Z Z К ЭО ВН Рис. 3.10. Схема измерения высокого напряжения посредством делителя напряжения Требования, предъявляемые к делителям напряжения 1. Коэффициент деления не должен зависеть от амплитуды, полярности, длительности измеряемого напряжения. 2. Коэффициент деления не должен зависеть от внешних электрических полей. 3. Делитель должен быть удобным в эксплуатации и относительно дешевым. У каждого типа делителя есть свои достоинства и недостатки. Наиболее универсальным является третий тип делителя – емкостно- омический правда, они наиболее сложный. 3.4.3.1. Омический делитель Схема омического делителя приведена на риск осцил. ВН Рис. 3.11. Схема замещения омического делителя В качестве сопротивления высоковольтного плеча R 1 используют жидкостные или проволочные малоиндуктивные резисторы. 89 Жидкостные резисторы изготавливают, например, из раствора CuSO 4 в дистиллированной воде. Недостатки жидкостных омических делителей К д зависит от температуры, от загрязнения посторонними ионами. Проволочные резисторы изготавливают из высокоомной проволоки – нихрома, константана. Применяется малоиндуктивная бифилярная намотка с малым шагом. Индуктивность проволочных резисторов больше, чем жидкостных. Это приводит к искажению формы импульсов при коротких временах воздействия. 3.4.3.2. Емкостный делитель Схема емкостного делителя напряжения приведена на рис. 3.12. Основные недостатки емкостного делителя невозможно точно согласовать с передающим кабелем, что приводит к наличию отраженного сигнала и искажению основного при коротких временах воздействия лучше, чем омический ДН сложности при расчете К д С 1 С 2 к осцил. ВН Рис. 3.12. Схема замещения емкостного делителя напряжения 3.4.3.3. Смешанный делитель напряжения Схема смешанного делителя напряжения приведена на рис. 3.13. Настроить смешанный делитель напряжения сложно, т. к. К д по Си должны быть одинаковы (К д С = К д R ) . Сложно также рассчитать К д Этот делитель имеет достоинства омического и емкостного делителей, те. можно измерять короткие и длинные сигналы. Недостатки сложность изготовления и дороговизна. 90 к осцил. ВН C 1 C 2 Рис. 3.13. Схема замещения смешанного делителя напряжения Делитель должен присоединяться непосредственно к объекту испытаний, а не через длинные подводящие шины (рис. 3.14). объект R 1 R 2 к осцил. ВН Рис. 3.14. Схема присоединения высоковольтного делителя к объекту, на котором производится измерение высокого напряжения 4. Перенапряжения и защита от них 4.1. Классификация перенапряжений Перенапряжение – всякое повышение напряжения в электрической сети больше максимального рабочего ( ) H H р.макс 05 0 2 0 U , , U U ⋅ ÷ + = , в зависимости от класса напряжения. При перенапряжениях создаются тяжелые условия для работы изоляции, т. кони могут во много раз превышать U р.макс Перенапряжения подразделяются 1) на внешние (грозовые 2) внутренние (переходные процессы в электрических сетях. На рис. 4.1 приведена классификация перенапряжений. 91 Перенапряжения Резонанс Феррорезонанс Параметрический резонанс Квазистационарные и стационарные Внутренние Внешние Грозовые Коммутационные Отключение трансформатора Включение линии или трансформатора волны с линии Дуговые ( к. з.) АПВ линии Рис. 4.1. Классификация перенапряжений Необходимо знать следующие характеристики перенапряжений: 1. Максимальное значение амплитуды напряжения при перенапряжении макс или кратность перенапряжений р.макс макс п. Длительность воздействия перенапряжения. 3. Форму кривой перенапряжений (апериодическая, колебательная, высокочастотная и др. 4. Широту охвата элементов электрической цепи. Все перечисленные характеристики имеют стохастическую природу и имеют значительный статистический разброс, который обязательно учитывается при расчетах. Для изоляции высоковольтных устройств низких классов напряжения (U ≤ 220 кВ) наиболее опасными являются грозовые перенапряжения. Их изоляция выдерживает коммутационные перенапряжения любой кратности. 92 Для изоляции высоковольтных устройств высоких и сверхвысоких классов напряжения (U > 330 кВ) наиболее опасными являются коммутационные перенапряжения. Поэтому на низких классах напряжения ограничивают специальными устройствами только грозовые перенапряжения, а на высоких классах принудительно ограничивают и внутренние перенапряжения. 4.2. Внутренние перенапряжения Наиболее многообразны внутренние перенапряжения. Причины возникновения внутренних перенапряжений очень разнообразны (отключение линии электропередач, трансформатора и другие переключения обрывы фаз КЗ, перекрытие и пробой изоляторов. Внутренние перенапряжения вызываются колебаниями энергии, запасенной в элементах сети, или при изменении поступающей энергии от источников энергии (генераторы при изменении первоначальных параметров. Элементы электрической сети источники энергии накопители энергии (конденсаторы, катушки индуктивности поглотители энергии активные сопротивления, корона, проводимость изоляции. Внутренние перенапряжения делятся на коммутационные, квазистационарные (установившиеся, стационарные. Условно развитие перенапряжения графически представлено на рис. 4.2. I стадия – переходный процесс (коммутационные перенапряжения. Длится несколько периодов. II стадия – условно установившееся состояние (квазистационарная. Переходный процесс закончился, но параметры цепи другие, поэтому установилось высокое напряжение, а регуляторы напряжения на генераторах еще не успели сработать. III стадия – работа регуляторов напряжения у генераторов. Снижение напряжения до нового установившегося рабочего напряжения. Увеличение длины и класса напряжения линии приводит к увеличению энергии в элементах сети и, как следствие, к увеличению кратности перенапряжений. В связи с этим для линий класса U > 330 кВ осуществляется принудительное ограничение перенапряжений до уровней 30 кВ – К п = 2,7; 500 кВ – К п = 2,5; 750 кВ – К п = 2,2; 1150 кВ – К п = 1,8. 93 р. макс р. макс Рис. 4.2. Вид напряжения сети при появлении внутренних перенапряжений: t 0 – момент коммутации Ограничение перенапряжений осуществляется защитными разрядниками (РЗ), трубчатыми разрядниками (РТ, вентильными разрядниками (РВ), нелинейными ограничителями перенапряжений (ОПН) и схемными решениями (реакторы, конденсаторы, сопротивления активные и др. 4.3. Грозозащита воздушных линий электропередачи подстанций Основной количественной характеристикой разряда молнии является амплитуда тока молнии. Воздушные линии электропередач (ВЛ) в районах со средней продолжительностью грозовой деятельности (20–30 часов в год) поражаются разрядами молнии 15–20 разв годна км длины. Токи молнии изменяются в широких пределах – от единиц до сотен килоампер. Средний расчетный ток молнии составляет 15 кА. При разряде молнии в землю могут поражаться различные объекты, в частности, воздушные линии электропередачи, подстанции, станции. Протекание тока молнии через объект вызывает возникновение волны напряжения молнии, которая может пробить и разрушить изоляцию электротехнических устройств. При расчетах импульсной электрической прочности пользуются стандартной волной напряжения. 4.3.1. Защита от прямых ударов молнии Для защиты объектов от поражения молнией используются молниеотводы. В зависимости от защищаемого объекта применяют стержневые (подстанции) или тросовые (ВЛ) молниеотводы. Необходимым условием эффективной работы молниеотводов является их хорошее заземление Наибольшие грозовые перенапряжения возникают при прямом ударе молнии (ПУМ) в линию или подстанцию. Вместе удара возникает кратковременное (импульсное) напряжение в миллионы вольт, те. выше импульсной электрической прочности изоляции электропередачи электрооборудования. Для обеспечения надежной работы электрической сети необходимо осуществить ее эффективную и экономичную грозозащиту. Чтобы быть защищенным от ПУМ, объект должен полностью находиться внутри пространства, которое представляет собой зона защиты молниеотвода. Зоной защиты молниеотводов называется пространство вокруг молниеотвода, попадание в которое разрядов молнии маловероятно. 4.3.2. Зона защиты стержневого молниеотвода Поверхность, ограничивающая зону защиты стержневого молниеотвода, может быть представлена ломаной линией (рис. 4.3). в с a h 0,2h h x r х r х 0,75h 1,5h сечение зоны защиты на высоте Рис. 4.3. Построение зоны защиты стержневого молниеотвода Отрезок ав часть прямой, соединяющей вершину молниеотвода сточкой поверхности земли, удаленной на 0,75h от оси молниеотвода. Отрезок вс – часть прямой, соединяющей точку молниеотвода на высоте 0,8h сточкой поверхности земли, удаленной на 1,5h. Точка в находится на высоте 2/3h. Радиус защиты на высоте хана высоте х > 2/3h 1 75 , 0 ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − = h h h r x x (4.2) Зона защиты двумя молниеотводами имеет большие размеры, чем сумма защиты двух одиночных молниеотводов (рис. 4.4). в с a h 0,2h h x х 0,75h 1,5h сечение зоны защиты на высоте х = 3,5h h 0 = h – х х 0,75h 0 1,5h 0 Рис. 4.4. Зона защиты двух стержневых молниеотводов Открытые распределительные подстанции располагаются на большой территории. Их приходится защищать несколькими молниеотводами. Зона защиты определяется тем же путем, что и зона защиты двух молниеотводов. 4.3.3. Зона защиты тросового молниеотвода Тросовые молниеотводы используются в основном для защиты проводов ВЛ. В связи с этим пользуются не зонами защиты, а углами защиты, те. углами между вертикальной линией, перпендикулярной тросу, и линией, соединяющей проводи трос (см. рис. 4.5). Линии длиной до 1000 км (ВЛ 500 кВ) поражаются молнией не менее разв грозовой сезон. Поэтому для ВЛ защита с помощью тросовых молниеотводов приобретает основное значение. Опыт эксплуатации ВЛ показывает, что угол защиты должен быть 20–25° (см. рис. 4.5). Сопротивление заземления опор с глухозаземленной нейтралью должно быть менее 5 Ома с изолированной нейтралью – менее 10 Ом. Грозозащита подстанций, кроме защиты от прямых ударов молнии, должна включать в себя следующие виды защит 1) от перекрытий при ударах молнии в заземленные конструкции подстанций, те. от обратных перекрытий с заземленных элементов на токоведущие части оборудования 2) от волн, приходящих с линии. трос провод Рис. 4.5. Зона защиты тросового молниеотвода Для выполнения первого требования необходимо сопротивление заземления подстанции делать малым. Для напряжения выше 1000 В сопротивление заземления подстанции з ≈ 0,5 Ом. Уменьшение з – наиболее эффективный путь защиты от обратных перекрытий. Для выполнения второго требования применяются вентильные разрядники (РВ) и ограничители перенапряжения (ОПН). Вентильный разрядник обладает пологой вольт-секундной характеристикой (ВСХ). Это позволяет ему защищать оборудование в широком диапазоне изменений длин волн, набегающих с линии (рис. 4.6). Для эффективной защиты необходимо, чтобы 1) остающееся напряжение на рабочем сопротивлении РВ не превышало допустимого 2) крутизна набегающей на подстанцию волны была ограниченной. Для выполнения этих условий все линии, подходящие и отходящие от подстанции, оборудуются тросовой защитой длиной 2–3 км – защитные подходы. Углы защиты выполняют менее 20º и даже отрицательные. Наличие защищенных подходов исключает прямой удар молнии в провод, что уменьшает токи через РВ и, следовательно, остающееся напряжение на рабочем сопротивлении РВ. 97 оборудование t РВ защитный интервал Рис. 4.6. Вид вольт-секундных характеристик защищаемого объекта и РВ При движении волны по проводу с линии в защищенном подходе возникает интенсивное коронирование, что сглаживает фронт волны уменьшает крутизну импульса) и уменьшает амплитуду напряжения. 4.3.3. Грозоупорность объектов Воздушные линии (ВЛ) электропередачи из-за большой протяженности поражаются наиболее часто. Поэтому нарушение работы энергосистем вызывается в основном нарушением изоляции ВЛ. При расчетах грозоупорности ВЛ вводится понятие уровня грозо- упорности . Уровень грозоупорности оценивается максимальной амплитудой тока молнии I 0 и его крутизной а, при которых еще не происходит нарушения изоляции линии (крутизна ф, где – длительность фронта волны тока. ф t Показателем грозоупорности считают вероятное число лет работы установки без грозовых отключений , 1 откл N M = где М – число лет работы без грозовых отключений N откл – ожидаемое число случаев возникновения опасных грозовых перенапряжений в год. Например, для ВЛ , 10 пер д 3 откл η ⋅ υ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ = − n L h N где h – средняя высота подвеса троса или провода 98 |