Ответы на ТВН. Вопросы к экзамену по дисциплине Электроэнергетика

• Название: Вопросы к экзамену по дисциплине Электроэнергетика
• Дата: 26.03.2022
• Размер: 1.48 Mb.
• Имя файла: Ответы на ТВН.pdf
• Тип: Вопросы к экзамену; #418132
• страница: 4 из 7

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 элек- трической прочностью возникают
частичные разряды (ЧР), которые представляют собой пробой газо- вых включений, локальные пробои малых объемов твердого диэлектрика. Условия возникновения ЧР определяются конфигурацией электрического поля изоляционной конструкции и электрическими ха- рактеристиками 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 реги- страция характеристик ЧР позволяет оценивать качество изготовления изоляции и выявлять местные дефекты.
Характеристики ЧР достаточно хорошо коррелируют с размерами и количеством дефектов, т. е. позво- ляют судить о степени дефектности изоляционной конструкции.
Изучение характеристик ЧР в зависимости от различных условий работы стало вопросом первостепен- ной 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 ди- электрика с общей емкостью С
Э

Схема замещения твердого диэлектрика: С
0
– емкость бездефектной изоляции;Св – емкость воздушного включения;Сд – емкость диэлектрика последовательно с включением;Uв – напряжение пробоя воздушного включения.
Д
В
Д
В
Э
С
С
С
С
С
С
+
⋅
+
=
0
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:
В
Д
Д
В
Е
Е
ε
ε
\
⋅
=
где Eд – напряженность электрического поля в диэлектрике; εд – относительная диэлектрическая про- ницаемость диэлектрика; εв – относительная диэлектрическая проницаемость включения.
Эпюры напряжения на включении в процессе приложения переменного напряжения приведены:
Эпюры 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 раз- ряда (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 до- пустимы. Такие разряды называются начальными.
2.Дальнейшее возрастание напряжения или увеличение размеров включений в процессе длительной ра- боты изоляции приводит к резкому возрастанию интенсивности ЧР, причем прежде всего возраста- ет 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 хи- мические 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 реак- ций 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 реак- ций 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 меха- нической прочности в процессе теплового старения. Со временем это приводит к повреждению изоля- ции 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 ди- электрические потери растут, а электрическая прочность снижается.
В комбинированной внутренней изоляции, содержащей жидкие и твердые материалы, тепловое старе- ние влечет за собой как снижение механической прочности соответствующих элементов, так и ухудше- ние электрических характеристик всей изоляции.
Темпы теплового старения внутренней изоляции определяются скоростями химических реакций, зави- сящими от температуры в соответствии с уравнением Аррениуса
,
/
0
kT
W
A
e
v
v
−
=
где v - скорость химиче- ской реакции.
Срок службы изоляции при тепловом старении обратно пропорционален скорости химических реакций.
При разных температурах
1
T
и
2
T
отношения сроков службы изоляции
(
)
T
T
T
∆
−
−
=
/
2 1
2 1
2
/
τ
τ
где ∆Т - повышение температуры, вызывающее сокращение срока службы изоляции при тепловом ста- рении в 2 раза.
Значение ∆Т для разных видов внутренней изоляции лежит в пределах от 8 до 12°С и в среднем состав- ляет 10°С.
Тепловой пробой.
Развитие теплового пробоя в твердом диэлектрике в общих чертах может быть представлено в виде
следующей последовательности:
U
д →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, обусловлен- ные наличием у любой реальной изоляции небольшой проводимости и рассеянием энергии при некото- рых видах поляризации. За счет диэлектрических потерь происходит дополнительный разогрев изоля- ции.
Мощность диэлектрических потерь в изоляции определяется выражением Р
Д
=ω C tgδ U
2
,
Мощность потока тепла, отводимого от изоляции в окружающую среду Р
ОТВ
=
α S(T–T
0
), где ω – угловая частота; С – емкость изделии; tg δ – диэлектрические потери в изоляции; α– коэффици- ент теплопередачи; S – площадь поверхности изоляции;Т
0
– температура окружающей среды; Т – темпе- ратура внутри диэлектрика.
Для многих видов внутренней изоляции величина tgб растет при повышении температуры Т в соответ- ствии с выражением
(
)
0 0
T
T
e
tg
tg
−
⋅
=
α
δ
δ
, где α— коэффициент, зависящий от свойств изоляции {а≈0,02 1/
О
С); Т
0
— 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
U
1
< U
2
< U
3
и зависимость Р
ОТВ
=f
(Т) показаны на рис.. Как видно, при напряжениях U
1
и U
2
кривые
P
Д
=f(T)
и Р
ОТВ
=f
(Т) пересекаются при температурах Т
1
и T
2
. Это означает, что при указанных напряже- ниях достигаются установившиеся режимы нагрева изоляции, при которых соблюдается баланс выделя- емой в изоляции и отводимой от нее тепловой энергии. Однако при U>U
3
мощность потерь в изоляции при любой температуре будет превышать мощность отвода тепла. Следовательно, при U>U
3
произойдет нарушение теплового баланса изоляции, температура последней будет неограниченно расти до потери изоляцией диэлектрических свойств — произойдет тепловой пробой.

Изложенная выше упрощенная модель теплового пробоя относится к случаю, когда время приложе- ния напряжения τ значительно превышает постоян- ную времени нагрева изоляции τ
н и, следовательно, могут достигаться установившиеся режимы нагрева конструкции. Однако тепловой пробой возможен и при τ, соизмеримых с τ
н
, и даже при τ<τ
H
. В этих случаях механизм теплового пробоя сложнее, но сущность его остается прежней — разогрев изо- ляции за счет диэлектрических потерь до темпера- туры, при которой происходит разрушение изоля- ции. В этой области времен τ напряжение Uпр теп- лового пробоя возрастает при уменьшении τ, так как для разогрева изоляции до одной и той же темпера- туры 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.
Электрический пробой.
Основными процессами в данном случае являются ускорение свободных электронов и ударная иониза- ция.
зависит от площади электродов и объёма изоляции
С ростом площади электродов и объёма изоляции увеличивается вероятность появления в изоляции слабых участков. В масляном промежутке наличие влаги способствует слиянию капель для образования тончайших каналов, соответственно, площадь снижается. Для увеличения электрической прочности ис- пользуют покрытие и изолирование электродов слоями кабельной бумаги и барьерами. Для бумажно-
масляной изоляции уменьшение толщины бумаги приводит к сокращению масляных прослоек, соответ- ственно, электрическая прочность возрастает. Для изоляции из тонкой бумаги с толщиной прочность зависит от числа листов в слое, используется в силовых конденсаторах.
При числе слоев более 5 электрическая прочность снижается.
d
E
пр
1 2
16.
Изоляция силовых трансформаторов и высоковольтных вводов.
В силовых трансформаторах изоляция состоит из различных по конструкции элементов, работающих в разных условиях. Воздушные промежутки между вводами и по их поверхности – внешняя изоляция.
Изоляционные участки, расположенные внутри бака трансформатора и внутри вводов, – внутренняя изоляция. Внутренняя изоляция подразделяется на главную и продольную. Главная изоляция – между разными обмотками, стенками бака, магнитопроводом и др. Продольная изоляция – между элементами одной и той же обмотки: между витками, слоями, катушками.
В высоковольтных силовых трансформаторах в качестве главной используется маслобарьерная изоля- ция. Продольная изоляция выполняется бумажно-масляной. Количество барьеров зависит от номиналь- ного напряжения трансформатора.

На рис. 2.6 приведено схематическое устройство главной изоляции высоковольтного трансформатора.
Высоковольтные обмотки выполняются катушечного типа или непрерывной цилиндрической много- слойной намоткой.
Трансформаторы до 35 кВ выполняются с изолированной нейтралью. Трансформаторы свыше 110 кВ – с заземленной нейтралью.
Схема устройства изоляции высоковольтного трансформатора: 1 – магнитопровод; 2 – низковольтная обмотка (НВ); 3 – высоковольтная обмотка (ВВ); 4 – барьер; 5 – щитки электроизоляции; 6 – масло.
Вводы – это проходные изоляторы на 110 кВ и выше. Они содержат внешнюю и внутреннюю изоляцию сложной конструкции. Внешней изо- ляцией является фарфоровая покрышка. Внутренняя – участки изоляции в теле ввода. Вводы бывают двух типов: маслобарьерные и бумажномасля- ные (для U
H
≥ 220 кВ).
1) Маслобарьерный ввод 110…150 кВ конденсаторного типа (см. рис. 2.3).
Чтобы повысить Uпр, разбивают промежуток наn малых промежутков ба- рьерами 5 и выравнивают поле металлическими обкладками (фольга на барьерах). В результате
U
пр повышается в

2,5 раза.
Обкладки выравнивают поле в радиальном и аксиальном направлениях. Наиболее важно выровнять по- ле в аксиальном направлении для уменьшения длины ввода. Для этого уступы делают одинаковыми. На рис. 2.4 приведены эпюры распределения напряженностей электрического поля в радиальном (а) и ак- сиальном (б) направлениях маслобарьерного ввода.
Токоведущий стержень обматывается несколькими слоями бумаги. Основную электрическую проч- ность изоляции ввода обеспечивает масло, находящееся внутри покрышки.
2)
Бумажно-масляный ввод конденсаторного типа на класс напряженияU ≥ 220 кВ. Ввод изготавливает- ся путем намотки на токоведущий стержень (или трубу) изоляционного тела из бумаги. Через каждые
2…4 мм намотки бумаги в тело закладываются конденсаторные обкладки из алюминиевой фольги для выравнивания поля в осевом и радиальном направлениях. После намотки тело пропитывается маслом в вакууме, а после сборки ввод герметизируется.
Рис. 2.3. Конструктивная схема маслобарьерного ввода:
1 – токопровод (стержень); 2 – высоковольтный фланец; 3 – заземленный фланец; 4 – фарфоровая рубашка; 5 – барьеры с обкладками; 6 – масло

Рис.
2.4.
Распределение напряженности электрического поля в радиальном (а) и аксиальном (б) направлениях ввода: r
c
– радиус токопровода
(стержня); r
1
– радиус первой обкладки (фольги); r
2
– радиус второй обкладки (фольги)rф – радиус обкладки у фланца (заземлена); ∆h
с
– длина уступа изоляции у стержня; ∆h
1
– длина уступа на первом барьере; ∆h
2
– длина уступа на втором барьере; ∆h
ф
– длина уступа на барьере у фланца.
17.
Изоляция силовых кабелей различного класса напряжения.
Электрические кабели – это гибкие изолированные проводники, снабженные защитными оболочками, которые предохраняют изоляцию от внешних механических и иных воздействий. Основными элемен- тами силовых кабелей являются проводники – жилы, изоляция по отношению к земле и между жилами, герметичная металлическая оболочка и защитные покровы.
Основное назначение кабелей – передача электрической энергии от подстанции к потребителям.
Силовые кабели высокого напряжения выполняются 4 типов:
1)
кабели с бумажной изоляцией и вязкой пропиткой на напряжение до 35 кВ (рабочая напряжен- ность Е
РАБ
= 2…3 кВ/мм);
2)
кабели с бумажной изоляцией с пропиткой маслом под давлением – маслонаполненные кабели:
2…3 атм – низкое давление (Е
РАБ
= 3…5 кВ/мм); 4…5 атм – среднее давление (Е
РАБ
= 6…8 кВ/мм);
8…15 атм – высокое давление (Е
РАБ
= 10…15 кВ/мм);
3)
кабели с монолитной полимерной изоляцией (полиэтилен, фторопласт и др.).
4)
кабели из сшитого полиэтилена.
Кроме этого, нашли применение кабели в трубах под давлением масла или газа. Разрабатываются крио- генные кабели с охлаждением до температуры жидкого азота (77 К) или жидкого гелия (5 К). Кабели выполняются на напряжение до 500 кВ. Разрабатываются кабели на напряжение 750…1150 кВ.
На рис. приведена схема устройства трехфазного кабеля с поясной изоляцией. Такие кабели выпускаются на рабочее напряжение до 10 кВ. На 35 кВ выпускаются кабели с отдельно освинцованными жилами и броней из стальных лент типа АОСБ (А – алюминиевая жила, О– отдельно освинцованные жилы, СБ – броня стальными лен- тами).
Рис. 2.7. Схема устройства изоляции кабелей до 35 кВ:1 – жила; 2 – фазная изоляция; 3 – поясная изоляция; 4 – герметичное покрытие; 5
– подушка; 6 – броня; 7 – антикоррозионное покрытие; 8 – наполнитель (джут)
На рис. ниже приведена схема устройства маслонаполненного кабеля на рабочее напряжение 110 кВ. Как правило, выполняются однофазными в свинцовой оболочке с броней из круглых или плоских проволок. Напри- мер, типа МССК-110,где М – маслонаполненный; С – среднего давления;
С – свинцовый экран; К – броня круглой стальной проволокой.
Схема устройства изоляции кабелей до 35 кВ:
1 – жила; 2 – фазная изоляция; 3 – поясная изоляция; 4 – герметичное покрытие; 5 – подушка; 6 – броня; 7 – антикоррозионное покрытие; 8 – наполнитель (джут)

18.
Изоляция вращающихся машин.
К вращающимся машинам высокого напряжения относятся турбо- и гидрогенераторы, синхронные компенсаторы и двигатели большой мощности с номинальным напряжением 3 кВ и выше. Они выпол- няют важные функции в энергосистемах и на промышленных предприятиях.
К их изоляции предъявляются очень высокие требования. Гидрогенераторы разрабатываются и изготав- ливаются на напряжение до 220 кВ. Устройство изоляции вращающейся машины высокого напряжения определяется конструкцией ее статорной обмотки. Изоляция статорных обмоток подразделяется на