ТВН шпаргалки. ТВН_шпаргалки_экзамен(2022). Вопросы к экзамену по дисциплине Электроэнергетика

• Название: Вопросы к экзамену по дисциплине Электроэнергетика
• Анкор: ТВН шпаргалки
• Дата: 15.05.2023
• Размер: 5.79 Mb.
• Имя файла: ТВН_шпаргалки_экзамен(2022).doc
• Тип: Вопросы к экзамену; #1130454
• страница: 3 из 7

Внутренняя изоляция – те элементы или участки электроизоляционной конструкции, в пределах которой изоляционные промежутки между проводниками заполнены газообразными, жидкими или твердыми диэлектрическими материалами или их комбинацией, но не атмосферным воздухом.

Целью регулирования электрических полей является повышение эффективности использования изоляции. Для надежной эксплуатации изоляции необходимо, чтобы мак­симальные напряженности поля не превосходили допустимого значения . Если выразить Е_макс через коэффициентом неоднородности электрического поля k_н = Е_макс/Е_ср и среднюю напряженность поля Е_ср=U/d(U – рабоченн напряжение, d – толщина изоляции), то получим или .

где Едоп - допустимая напряженность, соответствующая отсутствию разрядных процессов в изоляции при данном виде воздействующего напряжения U_возд (импульсном, одноминутном испытательном, рабочем).

Последнее означает, что при заданном значении необходимая толщина изоляции пропорциональна коэффи­циенту неоднородности поля. Иными словами, толщина изоляции минимальна, если поле однородно. Поэтому ос­новной задачей регулирования электрических полей явля­ется снижение коэффициента неоднородности.

Следует заметить, что уменьшение толщины изоляции может повлиять на некоторые другие характеристики ап­паратуры, поскольку при этом могут улучшиться условия ее охлаждения.

В резко неоднородных электрических полях (k_н > 3) принципиально допустимы разрядные процессы в малых объемах изоляции при условии, что выделяемая при этом энергия недостаточна для разрушения изоляции.

Для снижения степени неоднородности поля (уменьшения k_н) или уменьшения областей с особенно большими напряжённостями поля применяется регулирование электрических полей. Регулирование полей позволяет уменьшить толщину изоляции при сохранении её электрической прочности. В зависимости от конструкции и технологии изготовления изоляции применяют различные способы регулирования.

1. Скругление краев электродов. При отсутствии скругления острые края электродов имеют очень малый радиус кривизны и k_н достигает 5.. 10, т. е. поле резконеоднородное.

При r > 0,5*S – поле слабонеоднородное, а при r/S > 1,0 - k_н не превышает 1,3. (Здесь r - радиус скругления; S- расстояние между электродами.

2. Полупроводящее покрытие. Применяется, когда электрод с острой кромкой находится в газе или жидкости и примыкает к твердому диэлектрику. При этом эффект от скругления электрода будет наименьший из-за щели, где напряженность поля увеличивается из-за различия проницаемости двух сред.

Регулирование электрического поля с помощью полупро водящего покрытия.а — устройство изоляции (на участке АВ — покрытие); б —схема замещения; в — изменение напряженности Ех вдоль поверхности твердой изоляции.

3. Дополнительные электроды. Такой способ регулирования электрического поля у острого края электрода наиболее удобен в случае многослойной изоляции (бумажнопропитанной, маслобарьерной). Дополнительные электроды выполняются из тонкой металлической фольги. Дополнительные электроды широко используются для регулирования электрических полей в проходных изоляторах и кабельных муфтах.

 

Регулирование электрического поля у края электрода в плоской изоляции с помощью дополнительных электродов 1 — основные электроды; 2— дополнительные электроды

В рассмотренном случае и при наличии дополнительных электродов электрическое поле у края верхнего электрода остается резконеоднородным. Кроме того, появляются новые участки с резконеоднородным полем у краев дополнительных электродов. Однако размеры каждой области с повышенной напряженностью оказываются меньшими. Это затрудняет появление разрядов и позволяет повысить допустимое напряжение. Конструкция, показанная на рис., называется конденсаторной разделкой края электрода.

4. Градирование изоляции применяется, как правило, в изоляционных конструкциях с электродами в виде соосных цилиндров, например в кабелях ВН, и позволяет выравнивать эл. поле в радиальном направлении. Регулирование поля достигается за счёт изменения диэлектрической проницаемости слоев изоляции

Дополнительные электроды широко используются для регулирования электрических полей в проходных изоляторах и кабельных муфтах.

Г радирование изоляции применяется, как правило, в изоляционных конструкциях с электродами в виде соосных цилиндров, например в кабелях высокого напряжения, и позволяет выравнивать электрическое поле в радиальном направлении. Регулирование поля достигается за счет изменения диэлектрической проницаемости слоев изоляции. Без градировании ,С градированием .
Регулирование электрического поля путем градирования изоляции.а — схема градированной изоляции: б – изменение напряженности в изоляции без градирования и при градировании.

Все рассмотренные способы применяются для регулирования электрических полей в изоляции, работающей при переменном напряжении, а некоторые, например скругление краев электродов, — и при постоянном напряжении.

Виды внутренней изоляции:

1) Бумажная пропитанная изоляция. Сначала изоляция подвергается сушке под вакуумом, затем пропитке, а после этого она прессуется для исключения газовых включений;

2) Маслонаполненная изоляция (например, бак трансформатора);

3) Маслобарьерная изоляция. Между электродами устанавливаются барьеры из картона для повышения разрядного напряжения;

4) Изоляция на основе слюды. Слюда обладает высокойнагревостойкостью, используется во вращающихся машинах. Из слюды и пропитки на основе битумных компаундов получают компаундированную изоляцию. Её недостаток – она термопластична (размягчается при нагревании). Термореактивная изоляция слюда пропитана эпоксидными смолами. Плюсы: не размягчается под действием температуры.

4) Литая изоляция на основе эпоксидных смол. Такую изоляцию заливают под давлением для исключения газовых включений. Плюсы: стойкость к воздействию воды и масел.

14. 
    Частичные разряды.
    

Под действием высокой напряженности электрического поля в изоляции в местах с пониженной электрической прочностью возникают частичные разряды (ЧР), которые представляют собой пробой газовых включений, локальные пробои малых объемов твердого диэлектрика. Условия возникновения ЧР определяются конфигурацией электрического поля изоляционной конструкции и электрическими характеристиками рассматриваемой области изоляции.

ЧР обычно не приводят к сквозному пробою диэлектрика, однако приводят к местному разрушению изоляции, а при длительном существовании могут привести и к сквозному пробою.

Возникновение ЧР всегда свидетельствует о местной неоднородности диэлектрика. В связи с этим регистрация характеристик ЧР позволяет оценивать качество изготовления изоляции и выявлять местные дефекты.

Характеристики ЧР достаточно хорошо коррелируют с размерами и количеством дефектов, т. е. позволяют судить о степени дефектности изоляционной конструкции.

Изучение характеристик ЧР в зависимости от различных условий работы стало вопросом первостепенной важности для кабелей, конденсаторов, трансформаторов и других устройств – там, где применяется слоистая изоляция при переменном, постоянном, пульсирующем и импульсном напряжениях.

При рассмотрении механизма возникновения ЧР воспользуемся эквивалентной схемой замещения диэлектрика с общей емкостью С_Э.

Схема замещения твердого диэлектрика: С₀ – емкость бездефектной изоляции;Св – емкость воздушного включения;Сд – емкость диэлектрика последовательно с включением;Uв – напряжение пробоя воздушного включения.

.

ЧР возникают тогда, когда напряжение на включении достигает пробивного значения U_ПР – напряжения зажигания разряда во включении. Напряженность электрического поля во включении Е_В связана с напряженностью в остальной части диэлектрика: .

где Eд – напряженность электрического поля в диэлектрике; εд – относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика; εв – относительная диэлектрическая проницаемость включения.

Эпюры напряжения на включении в процессе приложения переменного напряжения приведены:

Э пюры напряжения на воздушном включении в твердом диэлектрике: 1 – напряжение на образце; 2 – напряжение на включении; Uпр – напряжение на образце, при котором происходит пробой воздушного включения.

Наибольшую опасность ЧР представляют на переменном или импульсном напряжении.

Разрушающее действие ЧР на диэлектрики обусловлено следующими факторами, возникающими при пробое включения:

1– воздействием ударных волн;

2– тепловым воздействием;

3– бомбардировкой заряженными частицами;

4– воздействием химически активными продуктами разряда (озон, окислы азота);

5– воздействием излучения;

6– развитием древовидных побегов-дендритов.

В зависимости от величины заряда q_ЧР, измеряемого при ЧР, возможна классификация ЧР по q_ЧР:

1.При превышении некоторого порога напряжения в изоляции возникают ЧР с интенсивностью q_ЧР =10^–12–10^–11 Кл. Такие ЧР не вызывают быстрого разрушения изоляции и во многих случаях могут быть допустимы. Такие разряды называются начальными.

2.Дальнейшее возрастание напряжения или увеличение размеров включений в процессе длительной работы изоляции приводит к резкому возрастанию интенсивности ЧР, причем прежде всего возрастает q_ЧР до величины q_ЧР =10^–10–10^–8 Кл. Их возникновение резко сокращает срок службы изоляции, и они не должны допускаться при рабочих условиях. Такие разряды называются критическими.

15. 
    Тепловое старение внутренней изоляции. Тепловой и электрический пробой.
    

Тепловое старение, т. е. постепенное ухудшение характеристик внутренней изоляции при длительном нагреве, происходит вследствие того, что при повышении температуры возникают или уско­ряются химические процессы в изоляционных материалах.

Диэлектрические материалы, используемые для изготов­ления внутренней изоляции установок высокого напряже­ния, при комнатной температуре практически инертны. Однако при рабочих температурах (60-130С) в этих ма­териалах возникают или резко ускоряются химические ре­акции. Сущность этих реакций обычно весьма сложна и зависит от химического состава материалов, количества содержащейся в изоляции влаги, доступа кислорода из окружающего воздуха и ряда других факторов. На ход этих реакций могут оказывать влияние проводниковые и другие материалы, входящие в конструкцию. Например, медь проводников может быть катализатором термоокислительных процессов в минеральных маслах.

Во всех случаях химические реакции, протекающие в изоляции при нагреве, приводят к постепенному изменению структуры и свойств материалов и как следствие — к ухуд­шению свойств всей изоляции в целом. Эти процессы име­нуют тепловым старением.

Для твердых диэлектрических материалов наиболее ха­рактерным является постепенное снижение механической прочности в процессе теплового старения. Со временем это приводит к повреждению изоляции под действием механи­ческих нагрузок и затем уже к пробою.

В жидких диэлектриках в результате теплового старения образуются газообразные, жидкие и твердые продукты реакций. По мере накопления этих продуктов, загрязняющих изоляцию, проводимость и диэлектрические потери растут, а электрическая прочность снижается.

В комбинированной внутренней изоляции, содержащей жидкие и твердые материалы, тепловое старение влечет за собой как снижение механической прочности соответствующих элементов, так и ухудшение электрических характеристик всей изоляции.

Темпы теплового старения внутренней изоляции определяются скоростями химических реакций, зависящими от температуры в соответствии с уравнением Аррениуса где v - скорость химической реакции.

Срок службы изоляции при тепловом старении обратно пропорционален скорости химических реакций. При разных температурах и отношения сроков службы изоляции

где Т - повышение температуры, вызывающее сокращение срока службы изоляции при тепловом старении в 2 раза.

Значение Т для разных видов внутренней изоляции лежит в пределах от 8 до 12С и в среднем составляет 10С.

Тепловой пробой.

Развитие теплового пробоя в твердом диэлектрике в общих чертах может быть представлено в виде следующей последовательности:

Uд →Iд→Tд ↑ → γ↑и tg δ ↑ →Iд ↑ →Tд ↑и т. д.,

где Uд – напряжение, приложенное к изоляции; Iд – ток, текущий через изоляцию; Tд – температура изоляции; γ – проводимость изоляции; tg δ – диэлектрические потери в изоляции.

Под действием приложенного напряжения в изоляции возникают диэлектрические потери, обусловленные нали­чием у любой реальной изоляции небольшой проводимости и рассеянием энергии при некоторых видах поляризации. За счет диэлектрических потерь происходит дополнитель­ный разогрев изоляции.

Мощность диэлектрических потерь в изоляции определя­ется выражением Р_Д=ω C tgδ U²,

Мощность потока тепла, отводимого от изоляции в окружающую среду Р_ОТВ =  S(T–T₀),

где ω – угловая частота; С – емкость изделии; tg δ – диэлектрические потери в изоляции; – коэффициент теплопередачи; S – площадь поверхности изоляции;Т₀ – температура окружающей среды; Т – температура внутри диэлектрика.

Для многих видов внутренней изоляции величина tgб растет при повышении температуры Т в соответствии с выражением ,

где — коэффициент, зависящий от свойств изоляции {а0,02 1/^ОС); Т₀— температура окружающей среды.

Таким образом, мощность диэлектрических потерь в изоляции при заданном напряжении зависит от темпера­туры Т.

Зависимости P_Д=f(T), соответствующие трем значе­ниям воздействующего на изоляцию напряжения U₁< U₂<U₃ и зависимость Р_ОТВ =f(Т) показаны на рис.. Как видно, при напряжениях U₁и U₂кривые P_Д=f(T) и Р_ОТВ =f(Т) пересекаются при температурах Т₁и T₂. Это означает, что при указанных напряжениях достигаются установившиеся режимы нагрева изоляции, при которых соблюдается баланс выделяемой в изоляции и отводимой от нее тепловой энергии. Однако при U>U₃мощность по­терь в изоляции при любой температуре будет превышать мощность отвода тепла. Следовательно, при U>U₃прои­зойдет нарушение теплового баланса изоляции, темпера­тура последней будет неограниченно расти до потери изо­ляцией диэлектрических свойств — произойдет тепловой пробой.

И зложенная выше упрощенная модель теплового про­боя относится к случаю, когда время приложения напря­жения  значительно превышает постоянную времени на­грева изоляции _н и, следовательно, могут достигаться ус­тановившиеся режимы нагрева конструкции. Однако теп­ловой пробой возможен и при , соизмеримых с _н, и даже при <_H. В этих случаях механизм теплового пробоя сложнее, но сущность его остается прежней — разогрев изо­ляции за счет диэлектрических потерь до температуры, при которой происходит разрушение изоляции. В этой об­ласти времен  напряжение Uпр теплового пробоя возра­стает при уменьшении , так как для разогрева изоляции до одной и той же температуры разрушения за более ко­роткое время нужна большая мощность диэлектрических потерь.

Сущность теплового пробоя – разогрев изоляции за счёт диэлектрических потерь до температуры, при которой происходит разрушение изоляции.