Методические указания к выполнению лабораторных работ Иркутск 1997
 Скачать 1.52 Mb.
|
|
4. Контрольные вопросы Что называют пробоем диэлектрика, пробивным напряжением и электрической прочностью? Какое электрическое поле называют однородным, слабонеоднород- ным, резконеоднородным? Какие механизмы при пробое приводят к тому, что воздух становит- ся электропроводным? Каков характер зависимости пробивного напряжения и электриче- ской прочности от формы электродов, расстояния между ними, от вида и полярности напряжения? Каковы причины этих зависимостей? Лабораторная работа № 3 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РАЗРЯД ВДОЛЬ ПОВЕРХНОСТИ ТВЕРДОГО ДИЭЛЕКТРИКА Цель работы – изучение характера разряда по границе раздела твер- дый диэлектрик – воздух, его особенностей в сравнении с пробоем; изуче- ние особенностей перекрытия проходного изолятора в сравнении с опор- ным. 1. Основные понятия и количественные характеристики Перекрытием называют разряд по границе раздела двух диэлектри- ков в изоляционной конструкции. Основная особенность перекрытия – меньшее разрядное напряжение по сравнению с пробоем однородного ди- электрика (в частности, воздуха), хотя основные особенности разряда в од- нородном диэлектрике (различия процессов в однородном и резконеодно- родном поле, особенности разряда в резконеоднородных полях) остаются теми же. E E E а) б) в) Рис. 1 В конструкции с однородным электрическим полем (рис. 1,а) напря- жение перекрытия в 1.5..2 раза меньше, чем напряжение пробоя чисто воз- душного промежутка. Считается, что основными причинами снижения раз- 16 рядного напряжения является, во-первых, наличие микрозазоров между диэлектриком и электродом, приводящих к увеличению в них напряженно- сти электрического поля; во-вторых, накопление заряженных частиц на поверхности твердого диэлектрика с увеличением напряженности поля вблизи них; в-третьих, наличие микрокапель влаги на поверхности твердо- го диэлектрика, облегчающих разряд. В конструкции опорного изолятора (рис. 1,б) поле неоднородно с преобладанием тангенциальной (касательной) к поверхности изолятора составляющей. И здесь разрядное напряжение меньше, чем в чисто воз- душном промежутке с такими же электродами. Рисунку 1,в соответствует конструкция проходного изолятора. Не- благоприятное расположение электродов этой конструкции приводит к то- му, что вблизи заземленного фланца напряженность электрического поля особенно велика. Кроме того, в этом случае развивающийся от фланца ка- нал стримера оказывается одной из пластин конденсатора, второй пласти- ною которого является внутренний стержень. Емкостный ток замыкается по каналу стримера, дополнительно разогревая его и делая устойчивее, что означает возможность развития разряда при меньшем напряжении, чем у опорного изолятора. Напряжение перекрытия в такой конструкции самое меньшее из всех трех вариантов. При перекрытии в таком поле выделяют три стадии разряда: • коронный разряд, который начинается у фланца, где выше напря- женность электрического поля; • скользящие разряды, при которых видны отдельные искры, увели- ченные в размерах, развивающиеся на значительную длину, но еще не захватывающие весь промежуток; • перекрытие, при котором скользящий разряд перекрывает весь про- межуток и переходит в дугу. Напряжение перекрытия является одной из основных характеристик изоляторов; оно определяется для сухого состояния (сухоразрядное на- пряжение) и при смачивании поверхности изолятора дождем интенсивно- стью 3 мм/мин, падающим под углом 45 О к вертикали (мокроразрядное на- пряжение). Более подробное описание приведено в книгах [3], с. 43-51, [4], с. 66- 72, [7], с. 79-88. 2. Описание экспериментальной установки В лабораторной работе используется испытательная установка пере- менного напряжения WPT-4.4/100, с описанием которой следует ознако- миться в тексте лабораторной работы № 2. Исследование поверхностного разряда производится на следующих конструкциях (рис. 2): 17 • макет опорного изолятора (рис. 2,а с металлическими кольцами 1 и 2 и изоляционной трубой 3); • опорный изолятор; • макет проходного изолятора (рис. 2,а с добавкой внутреннего стерж- ня 4, соединяемого с кольцом 2); • проходной изолятор. На рис. 2,а показан макет, имитирующий опорный и проходной изо- ляторы. Опорный изолятор моделируется при подаче напряжения на ме- таллические кольца 1 и 2, насаженные на изоляционную трубу 3, а модель проходного изолятора получается при добавке внутреннего стержня 4, со- единяемого с кольцом 2. 3 2 4 4 1 2 3 1 а) б) Рис. 2 Влияние неблагоприятной конструкции с весьма близким располо- жением разнопотенциальных электродов в работе изучается на макете, изображенном на рис. 2,б. На изоляторе 1 располагается металлический лист 2 и несколько листов стекла 3, поверх которых расположен высоко- вольтный электрод 4. Путем изменения числа листов стекла можно изме- нять расстояние между электродами и емкость системы стример – метал- лический лист, при этом весьма мало меняется длина пути перекрытия, но заметно изменяются условия развития разряда. Изменение электрической прочности системы при изменении числа листов стекла будет при этом существенно отличаться от обычной картины снижения электрической прочности с ростом расстояния между электродами. 3. Задание на измерения 3.1. Пользуясь макетом опорного изолятора, измерить напряжения начала короны U кор и напряжения перекрытия U пер при разных расстояниях l между электродами. Расстояния менять от 3 до 8 см через 1 см. Результа- ты занести в табл.1. Рассчитать электрическую прочность E пер =U пер /l. 18 Таблица 1 Наименование конструкции l, см U кор , кВ U пер , кВ E пер , кВ/см 3.2. Измерения пункта 3.1 (кроме изменения расстояния) произвести для предложенного опорного изолятора. Напряжение испытательной уста- новки выше 90 кВ не поднимать! 3.3. Повторить измерения пункта 3.1 для макета проходного изоля- тора. Произвести измерения также и для предложенного проходного изо- лятора. 3.4. По результатам опытов построить графики зависимостей напря- жения перекрытия и электрической прочности от расстояния между элек- тродами. Графики разместить на двух координатных плоскостях: на одной – все напряжения, на другой – электрические прочности. 3.5. Пользуясь устройством, показанным на рис. 2,б, измерить вели- чины U кор (l), U ск (l) (напряжение появления скользящих разрядов), U пер (l), E пер (l) при изменении числа листов стекла от одного до четырех. Построить графики перечисленных зависимостей от суммарной толщины стекла. 3.6. Проанализировать результаты и сделать выводы по полученным результатам. 4. Контрольные вопросы Перечислите цели, а затем и задачи лабораторной работы. Что называют перекрытием и каковы его основные особенности? Почему электрическая прочность проходного изолятора меньше, чем элек- трическая прочность опорного изолятора (при прочих равных условиях)? Почему размеры проходных изоляторов больше размеров опорных изоля- торов того же класса напряжения? Объясните, как меняются условия развития разряда в модели рис. 2,б при изменении числа листов стекла. Объясните принцип действия, устройство испытательной установки, порядок работы с ней и правила техники безопасности. Лабораторная работа № 4 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ ТРАНСФОРМАТОРНОГО МАСЛА Цель работы – знакомство с методами испытаний трансформатор- ного масла, изучение стандартного метода определения пробивного на- пряжения масла и зависимости напряжения пробоя масляного промежутка от расстояния между электродами. 19 1. Основные понятия и количественные характеристики Трансформаторное масло получают из нефти путем ее ступенчатой перегонки с выделением и последующей переработкой первой масляной фракции. Это слабовязкая, практически нейтральная жидкость желтого цвета, по химическому составу представляющая собой смесь различных углеводородов, преимущественно предельных. Трансформаторное масло используют для заливки трансформаторов, выключателей, высоковольтных вводов, где оно обеспечивает более высо- кую электрическую прочность промежутков между токоведущими частями по сравнению с воздушной изоляцией, а также служит теплоносителем для охлаждения нагревающихся частей. Наиболее важной электрической ха- рактеристикой масла является поэтому электрическая прочность h U E пр пр = , где U пр – пробивное напряжение, h – расстояние между элек- тродами. В технически чистых диэлектриках решающее влияние на элек- трическую прочность масла оказывают примеси: пузырьки газа, коллоид- ные частицы, капельки воды, твердые примеси. Газовые пузырьки имеют меньшую электрическую прочность, поэтому ионизация в них начинается при сравнительно небольших напряжениях, происходит рост пузырьков и пробой по ним. Жидкие и твердые примеси под действием сил электриче- ского поля скапливаются в местах с наиболее высокой напряженностью поля, искажают поле и снижают пробивное напряжение. Поскольку при этом пробой определяется в основном тепловыми процессами, на перемен- ном напряжении пробивным напряжением считают действующее значение напряжения. Электрическая прочность трансформаторного масла с увеличением расстояния между электродами снижается, как и у воздуха. Также понижа- ется электрическая прочность и с увеличением степени неоднородности электрического поля. Более подробное описание приведено в книгах [1], с. 66-75, 110-116, [5], [6], с. 70-89. 2. Описание экспериментальной установки Каждая партия трансформаторного масла, поступившего на ремонт- ный завод или энергохозяйство железной дороги, перед заливкой в обору- дование подвергается испытаниям по показателям, приведенным в табл. 1, кроме пункта 3. После монтажа оборудования перед его включением под напряжение из него отбирается проба масла и подвергается сокращенному анализу в объеме, предусмотренном в пунктами 1-6 табл. 1, а для оборудо- 20 вания 110 кВ и выше, кроме того, – по пункту 10 табл. 1. В процессе эксплуатации электрооборудования в сроки, предусмот- ренные правилами технической эксплуатации, производится испытание пробы масла в объеме, предусмотренном пунктами 1-6 и 10 табл. 1. Значе- ния показателей, полученные при испытаниях, должны быть не ниже при- веденных в табл. 1. Таблица 1 Предельно допустимые величины показателей качества трансформаторного (нефтяного) масла Показатели качества Свежее су- хое масло перед за- ливкой Масло после заливки в оборудова- ние Масло в процессе эксплуата- ции 1. Среднее значение пробивного напряжения масла в стандартном сосуде, кВ, не менее: в оборудовании напряжением до 15 кВ 30 25 20 выше 15 до 35 кВ 35 30 25 от 60 до 220 кВ 45 40 35 от 330 до 500 кВ 55 50 45 2. Содержание механических примесей отсутствие (визуально) отсутствие (визуально) отсутствие (визуально) 3. Содержание взвешенного угля в трансформаторах - - - в выключателях - - незнач. 4. Кислотное число, мг KOH, не более 0.02 0.02 0.02 5. Реакция водной вытяжки нейтраль нейтраль нейтраль 6. Температура вспышки, О С, не ниже 135 135 130 7. Вязкость кинематическая, мм 2 /с, не более при 20 О С 28 23-28 - при 50 О С 9.0 8-9 - 8. Температура застыв., О С, не выше минус 45 - - 9. Прозрачность при +5 О С прозрач. прозрач. прозрач. 10. tg δ при напряженности электрического поля 1 кВ/мм, % при 20 О С 0.2 0.4 2 при 70 О С 1.5 2.0 7 При измерении пробивного напряжения приходится учитывать ста- тистический характер пробоя масла, при котором по одному измерению невозможно сказать, каким будет следующее значение пробивного напря- жения, то есть невозможно предсказать поведение масла в оборудовании. В таких ситуациях отыскивают и измеряют более стабильные характери- стики, которые сохранят свои значения в будущем. К таким характеристи- кам относится математическое ожидание стационарной случайной величи- ны. Стационарной называют как раз такую случайную величину, которая и сохраняет во времени характер своей случайности, в частности, сохраняет во времени математическое ожидание, которое является серединой, сред- 21 ним значением при очень большом числе измерений. Реально можно гово- рить только о некотором приближении к измерению математического ожи- дания путем вычисления среднего значения случайной величины по ряду ее измерений. В случае пробивного напряжения трансформаторного масла так и поступают: измеряют среднее значение из нескольких пробивных напря- жений. Вопрос о том, сколько надо произвести пробоев масла, решается с учетом разбросов пробивных напряжений, да еще и с контролем этих раз- бросов. Порядок определения пробивного напряжения регламентируется ГОСТ 6581-75 следующим образом. 1. Визуально устанавливают наличие или отсутствие воды в пробе масла; если в пробе обнаружены капельки влаги, определение пробивного напряжения не производят и качество масла квалифицируют как неудовле- творительное. 2. Сосуд с пробой масла, имеющего температуру 15-35°С, несколько раз осторожно переворачивают вверх дном с тем, чтобы содержащиеся в пробе случайные загрязнения равномерно распределялись по всему объему жидкости, а затем, сполоснув измерительную ячейку, заполняют ее мас- лом, следя за тем, чтобы не образовывались пузырьки воздуха и электроды покрылись слоем масла не менее чем на 15 мм. 3. Выдерживают залитое масло в течение 10 мин и осуществляют шесть последовательных пробоев с интервалом между каждым из них, рав- ным 5 мин. 4. Вычисляют среднее арифметическое пробивного напряжения ∑ = = n i i пр ср пр U n U 1 1 и среднюю квадратическую ошибку (среднего пробивного напряжения) ∑ = − − = n i ср пр i пр U U n n 1 2 ) ( ) 1 ( 1 σ , где U пр.i – величина пробивного напряжения при i -том пробое, n – число пробоев (шесть). Если значение коэффициента вариации % 100 ⋅ = ср пр U σ ν превышает 20%, то дополнительно проводят еще одно заполнение испытательной ячейки порцией масла из того же сосуда с пробой масла (после перемеши- вания по пункту 2) с добавочной серией из шести пробоев масла в ячейке, а для расчета число пробоев берут равным 12. Если и в этом случае коэф- фициент вариации превышает 20%, качество масла считают неудовлетво- рительным. Для измерения пробивного напряжения трансформаторного масла в лабораторной работе используют установку АИМ-90 или установку WPOT 22 0.25/75. Упрощенная схема установки АИМ-90 приведена на рис. 1, схема установки WPOT 0.25/75 в главных чертах схожа со схемой АИМ-90. Рис. 1 Источником высокого напряжения установки АИМ-90 служит испы- тательный трансформатор Т2 с регулятором напряжения Т1. Для защиты обмоток трансформатора от перегрузок при пробое служит автоматиче- ский выключатель SB3 и защитный резистор R1. Стандартная измеритель- ная ячейка установки состоит из сосуда для жидкости и электродов. Элек- троды имеют форму шарового сегмента с зазором между ними 2.5 ±0.05 мм. Внешний вид установки АИМ-90 показан на рис. 2, где обозначено: 1 – выключатель сети, 2 – сигнал включения сети, 3 – кнопка возврата в ну- левое положение, 4 – сигнал готовности схемы к включению высокого на- пряжения, 5 – кнопка включения высокого напряжения, 6 – сигнал вклю- чения высокого напряжения, 7 – измерительный прибор, 8 – кнопка пре- рывания подъема высокого напряжения (то есть остановки двигателя, пе- ремещающего подвижный контакт автотрансформатора), 9 – кнопка авто- матического возврата регулятора напряжения в нулевое положение после пробоя масла. 4 7 кВ 1 2 6 3 5 8 9 Рис. 2 Работа на установке АИМ-90 производится в следующем порядке. 1. Проверить заземление корпуса аппарата. После допуска к работе 23 открыть крышку, установить ячейку с маслом и закрыть крышку. Осталь- ные операции проводить, стоя на диэлектрическом коврике и надев ди- электрические перчатки. 2. Включить сетевую вилку в розетку и включить кнопку сети 1. При этом должна загореться подсветка 2. 3. Включить кнопку 3 для возврата стрелки прибора в нулевое поло- жение, если при включении она стояла не на нуле. После возврата стрелки в нуль должна загореться подсветка желтого сигнала 4. 4. Включить кнопку 9 для подготовки автоматического возврата стрелки после каждого пробоя масла. 5. Громко объявить: «Включаю высокое напряжение!» - и нажать кнопку включения высокого напряжения 5. Должна загореться подсветка красного сигнала и погаснуть подсветка желтого сигнала. Вольтметр в мо- мент пробоя покажет величину пробивного напряжения масла. 6. После возврата стрелки вольтметра в нулевое положение и загора- ния желтого сигнала отключить сетевой выключатель. Открыть крышку прибора и из зазора между электродами при помощи чистой сухой стек- лянной палочки осторожно удалить твердые продукты разложения, избегая возникновения пузырьков воздуха в масле. 7. Не следует прерывать повышение испытательного напряжения при проведении испытаний. Не следует допускать подъема напряжения выше 90 кВ (для установки WPOT 0.25/75 – 75 кВ). 8. Запрещается включение высокого напряжения, если в аппарат не вставлена измерительная ячейка с трансформаторным маслом. Установка WPOT 0.25/75 отличается от АИМ-90 отсутствием сетево- го выключателя SB1 и отсутствием кнопок включения возврата регулятора в нулевое положение. Функции кнопок 5 и 8 установки АИМ-90 здесь вы- полняет одна кнопка. |