ТВН лаб.ур.. Практикум по дисциплине Техника высоких напряжений

• Название: Практикум по дисциплине Техника высоких напряжений
• Анкор: ТВН лаб.ур
• Дата: 17.11.2022
• Размер: 4.03 Mb.
• Имя файла: b817085.doc
• Тип: Практикум; #792878
• страница: 5 из 9

ИССЛЕДОВАНИЕ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ

В ОБМОТКАХ ТРАНСФОРМАТОРА

Цель работы:
а) ознакомиться со схемой и работой анализатора переходных процессов;

б) изучить методы определения перенапряжений в главной и продольной изоляции обмотки трансформатора при воздействии на обмотку грозовых импульсов.

1. 
   Задание на подготовку
   

1. Изучить распределение напряжения в главной и продольной

изоляции силового трансформатора при падении на обмотку прямоугольной волны в начальный момент в установившемся и переходном режиме.

2. Выяснить величины и локализацию максимальных потенциалов и максимальных напряженностей в зависимости от режима нейтрали.

3. Изучить методы снижения потенциалов и напряженностей при конструировании трансформатора (применение экранов, переплетенных обмоток) и при эксплуатации трансформатора (способы снижения крутизны грозового импульса, использование вентильных разрядников и ОПН).

2. 
   Краткие теоретические сведения
   

Изоляция обмоток высоковольтных силовых трансформаторов в значительной мере определяется перенапряжениями, возникающими в обмотках при воздействии на них грозовых импульсов. При падении на обмотку импульсной волны возникают сложные электромагнитные процессы, которые приводят к быстро меняющимся перенапряжением на элементах главной и продольной изоляции.

Точный расчет этих процессов практически невозможен вследствие взаимного влияния многих элементов: распределенных продольных и поперечных емкостей обмотки, собственных и взаимных индуктивностей витков и обмоток и т.п. Поэтому наряду с теоретическими приближенными расчетами и моделированием процессов с помощью ЭВМ часто и наиболее плодотворно используются испытания на моделях или реальных обмотках с применением анализатора переходных процессов.

Обмотка трансформатора может быть представлена линейной электрической цепью (рис. 4.1), параметры которой отнесены к единице длины.



Рис. 4.1. Схема замещения обмотки однофазного трансформатора при падении на обмотку прямоугольной волны. Пунктиром показаны емкости относительно начала обмотки при наличии емкостного экрана
При падении на трансформатор прямоугольной волны индуктивности в первый момент не пропускают тока, и распределение напряжения вдоль обмотки определяются только емкостями С и К. Расчет такой емкостной цепочки ([1], [3], с.201), приводит к приближенному выражению

,
справедливому и для случая заземленной, и для случая изолированной нейтрали. При этом для современных трансформаторов
.
Так как витки и катушки обмотки соединены между собой и образуют токопроводящую цепь, первоначально возникшее распределение напряжения не может сохраниться. Возникает периодический переходный процесс, который закончится установившимся (принужденным) распределением напряжения вдоль обмотки. Принимая для схемы рис. 4.1, получим:

при заземленной нейтрали

;

при изолированной нейтрали

.
Напряжение в некоторой точке х в произвольный момент переходного процесса может быть представлено в виде



где - частота к-ой пространственной гармоники,

- функция распределения по x затухающих амплитуд собственных колебаний частоты .

Частота составляющих определяется параметрами эквивалентной схемы (рис.4.1),

,
а амплитуды зависят от рассматриваемой точки и краевых условий. Например, при глухом заземлении нейтрали , и распределены по длине обмотки, как показано на рис. 4.2,а – кривые 1, 2, 3. С ростом номера гармоники амплитуды быстро уменьшаются, поэтому для грубой оценки переходного процесса достаточно учитывать лишь три первые составляющие. Характерные кривые перенапряжения в обмотке в различные моменты времени представлены на рис.4.2. Кривая, проведенная через максимальные значения напряжения, возникающие в обмотке в различные моменты времени, называется огибающей максимальных потенциалов.

Рис. 4.2. Кривые распределения напряжения по обмотке трансформатора:

а – нейтраль заземлена; б – нейтраль изолирована;

--- огибающая максимальных потенциалов; -  - свободная (колебательная) составляющая напряжения; 1,2,3,5 – гармонические составляющие колебаний; - распределение напряжения по обмотке в различные моменты времени
Для приближенной оценки максимально возможных потенциалов в каждой точке обмотки можно считать, что гармонические колебания не затухают и период колебания Т всех гармоник одинаков. Тогда


Как видно из рис. 4.2 максимальные напряжения при изолированной нейтрали наблюдаются на конце обмотки и могут достичь величин (1,7-1,9) . Для трансформаторов с заземленной нейтралью максимальное напряжение до (1,2-1,3) наблюдается вблизи начала обмотки .

Максимальные напряженности в продольной изоляции наблюдаются в начале обмотки в первый момент после падения волны. Величина максимального градиента мажет быть оценена по соотношению

; ,
где - продольная напряженность при равномерном распределении напряжения вдоль обмотки.

В последующие моменты времени максимальные напряжения на продольной изоляции распространяются вглубь обмотки, при этом уменьшается их амплитуда.

Для снижения перенапряжений, возникающих на главной и продольной изоляции, в некоторых трансформаторах устанавливаются емкостные экраны в виде разомкнутых колец, соединенных с началом обмотки. В этом случае поперечные токи, оттекающие от обмотки через емкости , компенсируются токами, подтекающими через емкости , и первоначальное распределение напряжения вдоль обмотки выравнивается. Полное устранение колебательного процесса в обмотке трансформатора с заземленной нейтралью при наступает при условии



где i – номер катушки, считая от начала обмотки; m – число катушек в обмотке (рис.4.1).

В настоящей работе с помощью анализатора переходных процессов исследуются перенапряжения в обмотке трансформатора ТМ 10/380 320 кВА. Используется изолированная обмотка ВН одной фазы. Обмотка низкого напряжения этой фазы разомкнута.
Схема установки
Анализатор переходных процессов для исследования перенапряжений в обмотках в принципе представляет генератор импульсов заданной формы и частоты рис.4.3. Импульсы подаются на обмотку реального трансформатора или модель обмотки, и с помощью осциллографа с синхронизированной ждущей или периодической разверткой. Определяются форма и величина изменяющегося напряжения в исследуемых точках обмотки или модели.

Так как витки и катушки обмотки соединены между собой и образуют токопроводящую цепь, первоначально возникшее распределение напряжения не может сохраниться. Возникает периодический переходной процесс, который закончится установившимся (принужденным) распределением напряжения вдоль обмотки. Принимая для схемы рис. 4.1, получим:

при заземленной нейтрали

;

при изолированной нейтрали

.



Рис. 4.3. Схема испытательной установки

Т1 – автотрансформатор регулятора напряжения; С1 – емкость; VU1, VD1 – тиристор;

R3 - разрядное сопротивление; R2-C3 - фронтовые сопротивление и емкость; VS1 – опорный диод;

R4-C4 - сопротивление и емкость для среза импульса; R1-C2 - делитель регулирования; T3 - исследуемый трансформатор

Напряжение в некоторой точке х в произвольный момент переходного процесса может быть представлено в виде

,

где - частота к-ой пространственной гармоники,

- функция распределения по x затухающих амплитуд собственных колебаний частоты .

Частота составляющих определяется параметрами эквивалентной схемы (рис.4.1),

,

а амплитуды зависят от рассматриваемой точки и краевых условий. Например, при глухом заземлении нейтрали , и распределены по длине обмотки, как показано на рис. 4.2,а – кривые 1, 2, 3. С ростом номера гармоники амплитуды быстро уменьшаются, поэтому для грубой оценки переходного процесса достаточно учитывать лишь три первые составляющие. Характерные кривые перенапряжения в обмотке в различные моменты времени представлены на рис.4. Кривая, проведенная через максимальные значения напряжения, возникающие в обмотке в различные моменты времени, называется огибающей максимальных потенциалов.

Для приближенной оценки максимально возможных потенциалов в каждой точке обмотки можно считать, что гармонические колебания не затухают и период колебания Т всех гармоник одинаков. Тогда


Как видно из рис. 4.2, максимальные напряжения при изолированной нейтрали наблюдаются на конце обмотки и могут достичь величин (1,7-1,9) . Для трансформаторов с заземленной нейтралью максимальное напряжение до (1,2-1,3) наблюдается вблизи начала обмотки.

Максимальные напряженности в продольной изоляции наблюдаются в начале обмотки в первый момент после падения волны. Величина максимального градиента мажет быть оценена по соотношению

; .
Схема генератора (рис. 4.3) позволяет получать импульсы с частотой следования 50 Гц, длина импульсов ; регулирование фронта в пределах мкс, амплитуда от 30 до 90 В.

Форма импульса, получаемого с помощью генератора, представлена на рис.4.4.


Рис. 4.4. Формирование импульса генератора:

1 – напряжение на трансформаторе; 2 – напряжение за тиристором;

3 – напряжение на выходе генератора при включении VS1 и R₄, C₄
Для формирования импульсов используется периода переменного напряжения. Открывание тиристора VU1 происходит вблизи максимума напряжения на трансформаторе T1 в момент времени, регулируемого величиной отрицательного напряжения на управляющем электроде тиристора. Скорость нарастания напряжения на фронте импульса определяется постоянной времени. Длина фронта

.
При С=0,05 мкФ в качестве используется регулируемое проволочное сопротивление с бифилярной намоткой. Амплитуда импульса ограничивается системой R4, C4, включенной параллельно с опорным диодом VС1.

Контроль формы импульса осуществляется с помощью осциллографа от делителя R3. Для наблюдения за характером процессов используется осциллограф со ждущей разверткой. Запуск (синхронизация) развертки осуществляется от генератора импульсов с делителя R3. Для четкой регистрации начала исследуемого процесса подача импульса на объект (модель или трансформатор) осуществляется через линию задержки импульса. Процессы могут также исследоваться с использованием осциллографа с периодической разверткой.
4.4. Методика выполнения работы

1. 
   Подать напряжение на схему с помощью выключателя QS1 и автотрансформатором Т1 установить необходимое напряжение на тиристоре VU1, VD1 (по указанию преподавателя).
   
2. 
   Изменяя системой напряжение R1, C2 на управляющем электроде открыть тиристор. На выходе генератора появляются импульсы.
   
3. 
   Проконтролировать форму импульса с помощью осциллографа.
   
4. 
   Подключить исследуемый трансформатор к генератору импульсов согласно рис. 4.5.
   
5. 
   С помощью осциллографа исследовать изменение напряжения при переходном процессе в отдельных точках (1,2,3,4,5,6) обмотки на главной изоляции (рис. 4.5):
   

а) с заземленной нейтралью;

б) с изолированной нейтралью.


Рис. 4.5. Схема подключения осциллографа при исследовании перенапряжений в обмотке трансформатора; 1- измерение напряжения на главной изоляции;

2 – измерение напряжения на продольной изоляции

Результаты работы записать в табл. 4.1.

Таблица 4.1

Исследуемая точка обмотки (n)	Заземленная нейтраль			Изолированная нейтраль

Примечание: Отсчет напряжения (в мм) ведется от нулевой линии при постоянном усилении сигнала для всех выполняемых опытов.
Зарисовать 2-3 характерные осциллограммы.
По результатам табл. 4.1 построить в относительных единицах кривые ; первоначального распределения напряжения - ; установившегося - и огибающую максимальных потенциалов .

Определить распределение напряжения в продольной изоляции обмотки (осциллограф включается последовательно между точками 1-2, 2-3 и т.д. в соответствии с рис.4.5):

а) при заземленной нейтрали;

б) при изолированной нейтрали.
* , где - амплитуда падающей волны.
Результаты измерений записать в табл. 4.2.

Таблица 4.2

Исследуемый участок обмотки	Заземленная нейтраль	Изолированная нейтраль
1-2 2-3 ……

Примечание: Величина напряжения определяется по осциллограмме как максимальное отклонение луча (в мм) от нулевой линии для всех выполняемых опытов.
Зарисовать 2-3 характерные осциллограммы.

Проверить влияние величины на при изолированной и заземленной нейтрали.
По результатам табл. 4.2 построить в относительных единицах кривые для обоих исследованных случаев или, например, и т.д.

Аналогичные исследования можно произвести на модели обмотки, схема которой соответствует схеме замещения трансформатора (рис. 4.1). Смонтированная в лаборатории ТВН модель имеет следующие параметры: емкости катушек относительно земли ; продольные емкости ; . При таких величинах емкостей , т.е. соответствует реальных трансформаторов.

Все условные точки модели имеют выводы, позволяющие набирать чисто емкостные цепочные схемы, схемы с индуктивностями, схемы с С_э.

Емкости С_э - сменные и могут меняться от 100 пФ до 3000 пФ, что дает возможность регулировать первоначальное распределение напряжения вдоль обмотки от экспоненциального при С_э=0 до линейного при .

В качестве индуктивностей L используются дроссели. Собственная частота колебаний модели обмотки при включенных и лежит в пределах Гц, что близко к собственным частотам колебаний обмоток реальных трансформаторов. Однако эта частота несколько ниже собственной частоты исследуемого трансформатора ТМ – 10/0,4; 320 кВА ( Гц). Переходной процесс в модели регистрируется более четко и наглядно, и работа с моделью достаточно проста.
4.5. Содержание отчета
1. Наименование, краткое описание цели и сущности работы.

2. Схему испытательной установки с указанием технических характеристик оборудования и приборов.

3. Результаты в виде таблиц и графиков.

4. Характерные осциллограммы.

5. Краткие выводы по работе.
4.6. Контрольные вопросы
1.Нарисуйте схему замещения обмотки трансформатора в момент падения на обмотку прямоугольной волны, в установившемся режиме и в переходном режиме.

2.Что такое огибающие максимальных потенциалов?

3.На каком участке обмотки возможны максимальные напряжения в переходном режиме для случая: а) с заземленной нейтралью; б) с изолированной нейтралью?

4.Как оценить величину напряженности в продольной изоляции, если известна кривая распределения напряжения вдоль обмотки?

5.В какой части обмотки наблюдаются наибольшие напряжения на продольной изоляции?

6.Какие вы знаете способы выравнивания распределения напряжения вдоль обмотки?

7.Как работает схема анализатора переходных процессов? Назначение ее отдельных элементов.

8.Как находится первоначальное и установившееся распределение напряжения вдоль обмотки с помощью осциллограмм, полученных при работе анализатора переходных процессов?

9.Как влияет на максимальное напряжение в главной изоляции и максимальные градиенты в продольной изоляции крутизна фронта падающей на обмотку волны?

Литература: [1] с. 236 – 244.

Лабораторная работа №5
ЗАЩИТНЫЕ РАЗРЯДНИКИ И ОГРАНИЧИТЕЛИ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ
Цель работы:

1.Ознакомление с назначением, принципом действия и конструкцией разрядников и ограничителей перенапряжений (ОПН). 2. Изучение особенностей работы и применения основных типов трубчатых и вентильных разрядников и ОПН. 3. Расчет характеристик и защитного действия разрядников с использованием ЭВМ.

5.1. Задание на подготовку

1. 
   Изучить теоретические основы применения, конструирования и работы основных защитных разрядников и ОПН.
   
2. 
   Ознакомиться с методиками выбора типа и места установки разрядников и ОПН для защиты ВЛ и подстанций.
   
3. 
   Изучить защитное действие разрядника и графоаналитические методы расчета перенапряжения при падении на подстанции волн произвольной формы.
   

5.2.Краткие теоретические сведения
Волны перенапряжений, возникшие на линиях при ударах молнии, распространяются по проводам, доходят до подстанции и могут представлять опасность для изоляции установленного на подстанции оборудования. Такой же опасности могут подвергаться отдельные места на линии, имеющие ослабленную изоляцию или особенно ответственные участки (транспозиционные опоры, пролеты пересечения, переходы через транспортные магистрали, большие реки и т.д.). В этих случаях наряду с защитой от прямых ударов с помощью молниеотводов применяется защита от набегающих волн. Для предупреждения повреждения какой-либо изоляционной конструкции параллельно может быть включен искровой промежуток ИП (рис. 5.1,а), вольт-секундная (U_p-t_p) характеристика которого должна лежать ниже U_p-t_p характеристики защищаемой изоляции (рис.5.1, соответственно кривые 2 и 1). При соблюдении этого условия падение волны перенапряжений вызовет пробой ИП с последующим резким падением (“срезом”) напряжения на ИП и защищаемой изоляции.

Рис. 5.1. Принцип защиты от набегающих волн:

а – принципиальная схема; б – вольт-амперные характеристики
Вслед за импульсным током через искровой промежуток начнет протекать ток, обусловленный напряжением промышленной частоты электроустановки, - сопровождающий ток, который должен быть отключен с помощью релейной защиты и отключающих аппаратов.
5.3. Защитные разрядники
Защитные разрядники обеспечивают не только защиту изоляции от перенапряжения, но и гашение дуги сопровождающего тока в течение времени, меньшего, чем время действия релейной защиты.

В последнее время активно внедряются ограничители перенапряжений (ОПН), представляющие собой устройство с варистором, ограничивающим сопровождающий ток практически до нуля. ОПН включают непосредственно, параллельно изоляции, без искрового промежутка.

Существует два основных типа разрядников, отличающихся принципом гашения дуги сопровождающего тока: трубчатые (РТ), в которых гашение дуги осуществляется созданием интенсивного продольного дутья и вентильные (РВ), в которых дуга гаснет благодаря уменьшению сопровождающего тока с помощью нелинейного сопротивления (варистора), включенного последовательно с искровым промежутком или достаточно сложной системой гашения дуги сопровождающего тока.
5.4. Трубчатые разрядники
Трубчатый разрядник (рис.5.2) представляет собой трубку 1 из изолирующего газогенерирующего материала, внутри которой имеется нерегулируемый промежуток S₁, образованный стержневым электродом 2 и фланцем 3. Трубка 1 не рассчитана на длительное нахождение под рабочим напряжением из-за разложения газогенерирующего материала под действием токов утечки. Поэтому разрядник отделяется от рабочего напряжения внешним искровым промежутком S₂.


При перенапряжении в сети оба искровых промежутка пробиваются, и волна перенапряжения срезается. По пути, созданным импульсным разрядом, начинает протекать сопровождающий ток, и искровой разряд переходит в дуговой. Под действием высокой температуры канала дуги материал трубки разлагается с выделением большого количества газов, давление в ней резко возрастает (до нескольких МПа), и газы с силой вырываются через отверстия фланца 3, создавая интенсивное продольное дутье. В результате дуга гаснет при первом прохождении тока через нуль.

При срабатывании разрядника из него выбрасываются раскаленные газы в виде факела длиной 1,5-3,5 м и шириной 1-2,5 м и раздается звук, напоминающий выстрел. Поэтому для предупреждения междуфазных замыканий при монтаже разрядников нужно следить, чтобы в зону выхлопа не попадали токоведущие части соседних фаз.

Напряжение срабатывания разрядников можно регулировать, изменяя расстояние внешнего искрового промежутка S₂, но нельзя снижать ниже определенного минимума (табл. 5.1), так как это вызывает слишком частые срабатывания и повышенный износ разрядника.