_Полный курс ТВН (1). Конспект лекций по дисциплине " техника высоких напряжений" специальность 10. 02. 00 Электроэнергетические системы и сети
 Скачать 1.34 Mb.
|
ФАКУЛЬТЕТ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЙ КАФЕДРА «АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ» КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ ПО ДИСЦИПЛИНЕ “ТЕХНИКА ВЫСОКИХ НАПРЯЖЕНИЙ” СПЕЦИАЛЬНОСТЬ 10.02.00 – ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ И СЕТИ Составил: к.т.н., доцент Салтыков А.В. Самара 2007 Лекция 1. Введение В развитии электроэнергетики Российской Федерации важное место занимает применение высоких напряжений для передачи электрической энергии на большие расстояния. В настоящее время протяженность линий передачи, работающих при напряжениях 330— 500 кВ, составляет 30 тыс. км, введена в строй опытно-промышленная электропередача 750 кВ, ведутся разработки электропередач переменного тока напряжением 1150 кВ и постоянного тока напряжением 1500 кВ. Использование высоких напряжений в электрических системах требует решения сложных научно-технических проблем, среди которых может быть выделен комплекс вопросов, касающихся электрической изоляции. Объединенный единством цели — обеспечить безаварийную работу изоляции всех элементов электрической системы — этот комплекс вопросов связан с изучением разнородных физических явлений. Рассматриваемая проблема, получившая название «Техника высоких напряжений в энергетике», предусматривает как изучение физических процессов в изоляции, так и изучение форм и величин напряжений, воздействующих на изоляцию в эксплуатации. Изоляция электрических установок может быть разделена на внешнюю и внутреннюю изоляцию. К внешней изоляции относятся воздушные промежутки (например, между проводами линии электропередачи, между проводами и опорой) и части изоляционных конструкций, которые соприкасаются с воздухом. Внутренняя изоляция находится внутри корпуса трансформатора или аппарата, кабельной оболочки и т. д.; она состоит из комбинации различных жидких, твердых и газообразных диэлектриков. Под влиянием больших напряженностей электрического поля, которые могут возникать в процессе эксплуатации, возможна частичная или полная потеря изоляцией ее диэлектрических свойств — пробой изоляции. Характер повреждения и его последствия различны для внешней и внутренней изоляции. После пробоя воздушного промежутка или перекрытия вдоль, поверхности изолятора и устранения причины пробоя электрическая прочность воздуха полностью восстанавливается. Нежелательные последствия пробоя воздуха — это возможность возникновения устойчивой дуги. На линиях электропередачи дуговое замыкание на землю или между проводами приводит к отключению линии на время, необходимое для восстановления изоляции, Следовательно, пробой воздушной изоляции связан с кратковременным перерывом электроснабжения, но не с повреждением изоляции. В противоположность этому нарушение электрической прочности внутренней изоляции представляет собой необратимый процесс, ведущий к выходу из строя дорогостоящей аппаратуры. На протяжении всего срока службы изоляция находится под воздействием рабочего напряжения установки. В таблице приведена шкала номинальных напряжений, т. е. средних междуфазных рабочих напряжений. В процессе эксплуатации имеют место отклонения от номинального напряжения, обусловленные падением напряжения в элементах электрической системы. При этом наибольшие рабочие напряжения в системе не должны превосходить значений, указанных в таблице. Там же приведены величины наибольших фазных напряжений, которые прикладываются к изоляции между токоведущими частями и землей. Номинальные и наибольшие (максимальные) рабочие напряжения электрических систем
Примечание. Расчет рабочего напряжения производится по формуле UРАБ.МАКС=1,15UНОМ для номинальных напряжений 3-220 кВ; UРАБ.МАКС=1,1UНОМ для 330 кВ и UРАБ.МАКС=1,05UНОМ для 500-1150 кВ. Поскольку изоляция постоянно находится под рабочим напряжением, а также испытывает механические, термические и другие воздействия, она (за исключением воздушных промежутков) постепенно теряет свои первоначальные свойства, и ее электрическая прочность снижается — изоляция подвергается старению. Необходимо, чтобы в течение всего срока службы, на который рассчитана установка, так называемая длительная прочность изоляции не снизилась бы до величины наибольшего рабочего напряжения установки. Однако требования к изоляции определяются не только рабочим напряжением. В процессе эксплуатации в электрических установках кратковременно возникают значительные повышения напряжения — так называемые перенапряжения. Перенапряжения могут быть разделены на две группы: грозовые перенапряжения, связанные с разрядами молнии в токоведущие части установки или в землю поблизости от нее; внутренние перенапряжения, возникающие в результате различных нормальных или аварийных коммутаций в системе. Атмосферные перенапряжения возникают при поражении электрической установки грозовыми разрядами. Как показывает опыт, явление это довольно частое. С грозовым разрядом при отсутствии специальной защиты связано возникновение волн перенапряжений, достигающих нескольких миллионов вольт. Такие перенапряжения достаточны для перекрытия и повреждения изоляции установок любого номинального напряжения. Атмосферные перенапряжения распространяются в электрической системе в форме волн и проникают во все элементы системы, в частности в аппаратуру и обмотки трансформаторов. Возникающие при этом переходные процессы приводят к резкому повышению напряжений, воздействующих на внутреннюю изоляцию трансформаторов и аппаратов. Поэтому защита от атмосферных перенапряжений является обязательным элементом надежной работы электрической системы. Уже в довоенные годы были разработаны основные технические мероприятия, способные обеспечить почти полную грозоупорность сетей. Однако с экономической точки зрения полная грозоупорность может быть целесообразной только для систем высшего класса напряжения. В целях удешевления строительства сетей, а это в настоящее время является основной задачей, внедряются экономичные конструкции линий, обладающие сниженными показателями в отношении грозоупорности, удешевляются трансформаторы и аппаратура путем снижения уровней изоляции, Все эти мероприятия ставят перед техникой защиты от перенапряжений наиболее трудную задачу — путем улучшения характеристик защитного оборудования обеспечить достаточно надежную работу сетей в новых условиях. Внутренние перенапряжения возникают при переключениях в сети, при дуговых замыканиях на землю в сетях с изолированной и компенсированной нейтралью, а также при резонансных, явлениях, возникающих на длинных линиях в несимметричных режимах. Внутренние перенапряжения, которые существенно зависят от характеристик оборудования, в первую очередь выключателей, и схем сети, имеют обычно амплитуды в пределах 2,5—3,5 фазного напряжения сети. Изоляция электрических установок рассчитывается на воздействие внутренних перенапряжений. По мере роста рабочего напряжения сетей, когда изоляция становится основным фактором, влияющим на экономичность электропередач, проблема ограничения внутренних перенапряжений становится все более актуальной. Согласование уровней изоляции электрических установок с воздействующими перенапряжениями, которые в свою очередь зависят от характеристик защитных аппаратов и условия развития перенапряжений в заданной системе, носит название координации изоляции. Чем шире наши знания в области техники высоких напряжений, тем более обоснована координация изоляции, а, следовательно, тем экономичнее могут быть выполнены линии и подстанции. Координация изоляции тесно связана с режимом нейтрали системы. Системы с изолированной нейтралью требуют при прочих равных условиях существенно более высокого уровня изоляции, что связано с возможностью длительного повышения напряжения на фазах до линейного напряжения сети. Поэтому в России сети напряжением 110кВ и выше имеют глухозаземленную нейтраль. В этих системах основным видом внутренних перенапряжений являются кратковременные коммутационные перенапряжений, связанные с отключением и включением участков сети, в основном линий и трансформаторов. По мере того как добиваются снижения амплитуд коммутационных перенапряжений, все большую роль в координации изоляции начинают играть повышения напряжения рабочей частоты в системе. Эти повышения ограничиваются с помощью системной автоматики в первую очередь автоматическим регулированием возбуждения генераторов и схемными мероприятиями. Лекция 2. 1. РАЗРЯДЫ В ГАЗАХ 1.1.Общая характеристика газовой изоляции Воздух или другие газы в той или иной степени всегда присутствуют в любой изоляционной конструкции. Шины распределительных устройств, провода линий электропередачи, выводы высокого напряжения трансформаторов и других аппаратов изолированы друг от друга воздушными промежутками, в которых воздух играет роль единственного изолирующего вещества. Опорные изоляторы подстанций, подвесные изоляторы линий электропередачи и другие изоляционные конструкции находятся в воздушной среде. Нарушение электрической прочности изоляторов и изоляционных конструкций может произойти путем пробоя твердого диэлектрика, из которого изготовлен изолятор, или путем развития разряда в воздухе вдоль поверхности твердого диэлектрика. Так как пробой диэлектрика приводит к полному выходу изолятора из строя, а перекрытие по поверхности в большинстве случаев не приносит изолятору существенного вреда, напряжение пробоя изолятора всегда стараются сделать больше напряжения перекрытия по поверхности. Таким образом, фактическая электрическая прочность очень многих изоляционных конструкций определяется электрической прочностью воздуха, знание которой приобретает принципиально важное значение. Но воздух или другой газ имеют значение не только естественной газовой среды, в которой находятся изоляционные конструкции, как это было в приведенных выше примерах. Газ может использоваться также в качестве одного из основных изоляционных материалов в кабелях, конденсаторах и других электрических аппаратах. Основным недостатком, газовой изоляции является ее недостаточная электрическая прочность. Например, слой воздуха толщиной 0,5 см выдерживает напряжение порядка 17 кВ, а слой чистого трансформаторного масла той же толщины около 150 кв. Поэтому целесообразность применения газовой изоляции тесно связана с возможностью увеличения ее электрической прочности. Электрическая прочность газа увеличивается при повышении давления от атмосферного до более высоких. Например, тот же слой воздуха толщиной 0,5 см при давлении 15 ат будет иметь прочность около 190 кВ, т. е. больше, чем у трансформаторного масла. С другой стороны, известно, что прочность воздуха сильно возрастает и при глубоком вакууме. В промышленной изоляции глубокий вакуум в сочетании с другими изоляционными материалами, которые, соприкасаясь с вакуумом, выделяют газы и тем самым приводят к постепенному увеличению давления и уменьшению прочности изоляции. В таких конструкциях вакуум практически невозможно поддерживать и в промышленной изоляции для увеличения электрической прочности преимущественно применяют повышенные давления, а не глубокий вакуум. Газ, применяемый в качестве изоляции, должен удовлетворять следующим основным требованиям. Газ должен быть химически инертным и не вступать в реакции с диэлектриками, в комбинации с которыми он применяется, и с другими материалами, использованными в конструкции аппарата. При ионизации газа, которая в какой-то степени всегда возможна в аппаратах высокого напряжения, также не должно выделяться химически активных веществ. Газ должен обладать низкой температурой сжижения, так как в противном случае его нельзя будет применять при повышенных давлениях (при увеличении давления температура, при которой газ превращается в жидкость, возрастает). Газ должен обладать, возможно, большей электрической прочностью и высокой теплопроводностью. Последнее особенно важно в тех случаях, когда газ одновременно является и изолирующей и охлаждающей средой. Стоимость газа должна быть достаточно низкой, чтобы сделать его применение экономически оправданным. Воздух имеет большое преимущество с точки зрения предельно низкой стоимости, поэтому при повышенных давлениях нашел некоторое применение в конденсаторах, кабелях и др. Но он не удовлетворяет второму требованию, так как ионизация воздуха сопровождается выделением озона, окиси и закиси азота, вызывающих интенсивную коррозию всех металлических частей аппарата и окисление органической изоляции, приводящее к постепенному ухудшению ее изолирующих свойств. Поэтому вместо воздуха чаще применяют азот, который имеет такую же электрическую прочность, невысокую стоимость и является инертным газом. Для того чтобы электрическая прочность воздуха или азота сделалась соизмеримой с прочностью твердых или жидких диэлектриков, таких как масло, слюда, фарфор и т. д., давление в этих газах необходимо поднимать до 10—15 ат. Применение столь высоких давлений, естественно, утяжеляет, всю конструкцию и создает серьезные, затруднения в эксплуатации. Поэтому в последнее время серьезное внимание уделяется различным газам, имеющим электрическую прочность, значительно большую, чем у воздуха и азота. Некоторые из этих газов приведены в табл.1 Таблица 1 Относительная электрическая прочность некоторых газов
Наиболее широко применяются в качестве изолирующей среды два газа: фреон и элегаз, имеющие приблизительно одинаковую электрическую прочность. Оба эти газа химически инертны, но при ионизации выделяют некоторое количество химических веществ, вызывающих коррозию. Преимуществом элегаза является его более низкая температура сжижения, позволяющая использовать его при давлениях до 20 ат, в то время как фреон можно сжимать только до 6 ат. Но даже при давлении в 3 ат, применение которого не вызывает существенных технических трудностей, напряжение, выдерживаемое слоем фреона или элегаза толщиной 0,5 см, достигает 140 кВ, т. е. имеет тот же порядок, что и для трансформаторного масла. Общим недостатком этих двух газов является их большая стоимость, которая, однако, существенно снижается при массовом изготовлении. Идеальный газ состоящий только из нейтральных молекул, абсолютно не проводит электрического тока. В реальных газах за счет различных внешних воздействий (ультрафиолетовое излучение солнца, радиоактивное излучение почвы, космические лучи и т. д.) всегда имеется некоторое количество ионов и электронов, сообщающих газу определенную проводимость. Весьма существенна также следующая особенность прохождения тока через газ. При напряжениях меньше разрядного, непременным условием прохождения тока является наличие внешнего ионизатора, непрерывно создающего электроны и ионы в межэлектродном пространстве. Если этот внешний ионизатор убрать, ток в промежутке немедленно прекращается, прекращается и ионизация под действием сил электрического поля. Процесс является несамостоятельным, т.е. он не может поддерживаться только за счет внутренних ресурсов самого промежутка. При напряжении, равном разрядному, процесс приобретает самостоятельный характер, т. е. он больше не нуждается в помощи внешнего ионизатора. Поэтому часто говорят, что условием пробоя промежутка является условие превращения разряда в самостоятельный. Как известно, высокую проводимость газ может приобретать только в особом состоянии, называемом плазмой, когда значительная часть молекул газа ионизирована, причем проводимость плазмы возрастает по мере увеличения числа ионов, содержащихся в единице объема. Количество положительных и отрицательных зарядов в единице объема плазмы практически одинаково, причем носителями положительных зарядов являются ионы, а носителями отрицательных зарядов — ионы и электроны. Содержащиеся в плазме электроны собственно и обеспечивают ее проводимость, природа которой, таким образом, весьма сходна с природой проводимости металлов. Существенное различие между газом в состоянии плазмы и металлическим проводником заключается в том, что в плазме заряды разных знаков все время рекомбинируют друг с другом, следовательно, в объеме, заполненном плазмой, непрерывно должен идти процесс ионизации, поддерживающий плотность зарядов на неизменном уровне. В противном случае газ постепенно вернется к своему нормальному нейтральному состоянию. Одним из основных механизмов ионизации в плазме является термическая, ионизация, осуществляемая благодаря ее высокой температуре, которая достигается за счет непрерывных столкновений электронов, двигающихся под действием поля, с молекулами и ионами плазмы. Чем больше число двигающихся электронов, т. е. чем больше проходящий через плазму ток, тем выше ее температура, а следовательно, и проводимость. Таким образом, разряд в газе сопровождается переходом в состояние плазмы всего пространства между электродами или его части. Устанавливающийся при этом в промежутке режим может приобретать различные качества в зависимости от конфигурации электрического поля, мощности источника и давления газа. Можно назвать следующие основные виды разряда. Тлеющий разряд возникает в промежутке при малых давлениях газа, когда плазма даже при высокой степени ионизации не может приобрести большую проводимость из-за недостаточного числа молекул газа в единице объема. Поэтому абсолютная величина тока, проходящего в газе, не может быть очень большой, невелико также и взаимодействие между отдельными ионами, находящимися в промежутке. Тлеющий разряд обычно занимает все пространство между электродами. Характерным примером является тлеющий разряд, используемый в газосветных трубках, лампах дневного света и др. Искровой разряд образуется в промежутке при достаточно больших давлениях газа р и расстояниях между электродами s (ps >1000 см • мм рт. ст.) в случае, если мощность источника питания невелика или если напряжение приложено к промежутку на очень короткое время. При больших давлениях газа разряд уже не занимает всего поперечного сечения промежутка, а развивается в виде узкого канала. Концентрация ионов в плазме, заполняющей этот узкий канал, может достигать больших величин, поэтому по каналу мог бы проходить значительный ток, однако его величина ограничивается мощностью источника. Благодаря этому интенсивность термической ионизации в канале может оказаться недостаточной для поддержания его проводимости и канал разряда распадается. Это, например, имеет место при переменном напряжении, когда разряд в газовом промежутке происходит в виде перемежающихся искр, последовательно возникающих между электродами. Дуговой разрядявляется последующей стадией искрового разряда при большой мощности источника. В этом случае через промежуток может проходить большой ток, который способствует разогреву канала, возрастанию его проводимости, а, следовательно, дальнейшему увеличению тока, В конце концов, будет достигнуто состояние равновесия, когда тепловые потери из канала прекратят дальнейшее повышение температуры. Этот процесс длительный, вследствие чего искровой разряд не переходит в дуговой в случае приложения напряжения на очень короткое время. Канал дугового разряда характеризуется, следовательно, высокими температурами и значительной степенью ионизации газа. Коронныйразрядявляется своеобразной формой разряда, характерной для резко неоднородных полей, когда ионизация возникает только в небольшой области вблизи электрода. При этом между электродами промежутка не возникает сквозного проводящего канала, что исключает возможность прохождения большого тока независимо от давления газа и мощности источника. Таким образом, образование коронного разряда не означает полной потери газовым промежутком изолирующих свойств, однако в изоляционных конструкциях образование коронного разряда является нежелательным. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
