Ответы на ТВН. Вопросы к экзамену по дисциплине Электроэнергетика
 Скачать 1.48 Mb.
|
|
главную (корпусную) и продольную. Главная – изоляция между проводниками обмотки и корпусом. Она имеет разную конструкцию на пазовых и лобовых частях катушек, а также на выводах (линейных и у нейтрали). Междуфазная изоляция - изоляция между обмотками различных фаз. К продольной относится изоляция между витками одной катушки, т.е. междувитковая (у стержневых обмоток отсутствует), а также изоляция между уложенными в одном пазу катушками. Междувитковой изоляцией, а также изоляцией между элементарными проводниками обычно служит собственная изоляция обмоточных проводов. Большое значение имеет регулирование электрического поля в изоляции статорной обмотки. Основная задача регулирования электрических полей – устранение частичных разрядов в воздушных за- зорах между поверхностью изоляции и стенками пазов и устранение скользящих разрядов по по- верхности изоляции, в местах выхода обмоток из паза статора, где поле получается резконеодно- родным. Для этого используются полупроводя- щие покрытия из железистой асбестовой ленты и различные лаки. На рис. приведено устройство высоковольтной изоляции в пазу электрической машины. Схема устройства высоковольтной изоляции электрической машины: 1 – статор; 2 – проводник сплошной; 3 – проводник полый; 4 – витковая (продольная) изоляция; 5 – главная корпусная изоляция; 6 – полупроводящее покрытие; 7 – прокладки; 8 – клин. Изоляционные материалы, которые используются в электрических машинах, изготавливают на основе слюды (миканит, микаленты, микафорий). Широко используются компаунды (термопластичные), в качестве связующих применяют термореактивные лаки и смолы. 19. Изоляция силовых конденсаторов. Назначение конденсаторов: 1)улучшение cos ϕ; 2)ВЧ-связь; 3)компенсация сдвига по фазе между током и напряжением; 4)выпрямительные установки – фильтры и др.; 5)высоковольтные импульсные установки. В качестве изоляции используются: газ, жидкости, твердые неорганические материалы, твердые орга- нические материалы. Твердая изоляция в высоковольтных конденсаторах (чаще органическая) – бумага, пленки с пропиткой маслом. Конденсатор ха- рактеризуется удельной запасаемой энергией, например Дж/дм3: 2 2 0 р УД Е W ⋅ ⋅ = ε ε Высоковольтные конденсаторы разного назначения, разных номинальных напряжений и реактивной мощности устроены одинаково: состоят из пакетов секций, соединенных последовательно-параллельнои расположенных в герме- тизированном корпусе, залитом пропиточной жидкостью. Основным элементом любого силового конденсатора является секция – спи- рально намотанный рулон из лент диэлектрика и алюминиевых обкладок, вы- полняющих роль электродов (рис. ). Секции после намотки сплющивают для уменьшения объема. Устройство секции высоковольтного конденсатора: 1 – фольга; 2 – диэлектрик (слои бумаги, пленки); 3 – выводы. 20. Молния как источник грозовых перенапряжений. Молния - разновидность газового разряда при очень большой длине искры. Общая длина канала мол- нии достигает нескольких километров, причем значительная часть этого канала находится внутри гро- зового облака. В облаке образуется несколько изолированных друг от друга скоплений зарядов ( в ниж- ней части облака скапливаются преимущественно заряды отрицательной полярности), молния бывает обычно многократной, т.е. состоит из нескольких единичных разрядов, развивающихся по одному и то- му же пути. Молния представляет собой электрический разряд между облаком и землей или между облаками. Мол- нии предшествует процесс разделения и накопления электрических зарядов в грозовых облаках, проис- ходящий в результате возникновения в облаках мощных восходящих воздушных потоков и интенсив- ной конденсации в них водяных паров. Капли воды, достигшие области отрицательных температур, замерзают. Замерзание начинается с по- верхности капли, которая покрывается тонкой корочкой льда. Выделяющееся при этом тепло поддер- живает температуру внутри капли около 0°С. Имеющиеся в воде положительные ионы под действием разности температур перемещаются к поверхностному слою капли и заряжают его положительно, в то время как жидкой части капли (сердцевине) сообщается при этом избыточный отрицательный заряд. Когда замерзает сердцевина капли, то вследствие ее расширения ранее замерзший поверхностный слой лопается и его положительно заряженные осколки уносятся потоком воздуха в верхние части облака. Таким образом, нижняя часть грозового облака оказывается заряженной отрицательно, а верхняя поло- жительно. Это один из основных процессов электризации грозовых облаков, и поэтому в большинстве случаев (до 90%) молнии бывают отрицательными, т.е. переносят на землю отрицательный заряд. Грозовое облако, заряженное с нижней стороны в основном отрицательными зарядами, образует ги- гантский конденсатор, другой «обкладкой» которого является земля, где на поверхности индуктируют- ся положительные заряды. По мере концентрации в нижней части облака отрицательных зарядов увеличивается напряженность электрического поля, и когда она достигает критического значения (20-24 кВ/см в зависимости от высо- ты облака над землей), происходит ионизация воздуха и в сторону земли начинает развиваться разряд. Механизм развития молнии 1)Начальная стадия – лидерная Молния представляет собой относительно медленно (V≈1,5⋅10 5 м/с) развивающийся слабо светящийся канал – лидер. Зона ионизации лидера имеет избыточный заряд того же знака, что и облако. Заряды об- лака и лидера индуктируют на поверхности земли и на расположенных на ней объектах заряды другого знака. По мере приближения лидера к земле индуктированный заряд и напряженность поля на верши- нах возвышающихся над поверхностью земли объектах возрастают и с них могут начать развиваться встречные лидеры, имеющие заряды, по знаку обратные заряду лидера. Ток в лидерной стадии молнии имеет порядок десяток и сотен ампер. 2) Главный разряд Когда канал развивающегося от облака лидера приближается к земле или к одному из встречных лиде- ров, то между ними на расстоянии 25-100 м возникает высокая напряженность электрического поля, среднее значение которой оценивается в 10 кВ/см. Промежуток этот пробивается за несколько микросе- кунд, и в нем выделяется энергия порядка 0,5-5 МДж, которая расходуется на нагрев и термоиониза- цию. Проводимость этой части канала резко возрастает, и зона повышенной напряженности перемеща- ется к облаку со скоростью от 1,5⋅10 7 до 1,5⋅10 8 м/с (0,05-0,5 скорости света). Процесс этот называется главным разрядом и сопровождается сильным свечением канала разряда. Ток в канале за 5-10 мкс до- стигает десятков и даже одной – двух сотен килоампер, а затем за время 25-200 мкс спадает до полови- ны амплитудного значения. В течении этого очень короткого времени канал разряда разогревается до температуры 20-30 тыс.°С. При нагревании канал разряда быстро расширяется, что вызывает распространение в окружающем воз- духе ударной волны, имеющей на своем фронте высокое давление и воспринимаемое как гром. Во вре- мя главного разряда происходит нейтрализация зарядов лидера. 3) Завершающая (финальная) стадия По каналу в течении десятков миллисекунд проходит ток порядка десятков и сотен ампер. В это время нейтрализуются заряды облака. Часто на ток финальной стадии накладываются импульсы тока повтор- ных разрядов, во время которых разряжаются на землю скопления зарядов, расположенные в разных местах по высоте грозового облака. Лидер повторных разрядов – так называемый стреловидный лидер – движется со скоростью превосходящей скорость лидера первого разряда и имеющей порядок 10 6 м/с, поскольку он развивается по уже образованному каналу. Скорости нарастания тока главного разряда в повторных разрядах выше, чем в первом, а амплитуды ниже. Яркие вспышки канала при повторных разрядах воспринимаются как молнии. Чаще всего длительность удара молнии не превышает 0,1 с. Электрические характеристики молнии Переход от лидерной стадии к главному разряду можно имитировать замыканием на землю вертикаль- ного заряженного провода .Будем считать, что во время лидерной стадии сформировался проводящий канал (вертикальный провод) с постоянной плотностью отрицательного заряда на единицу длины σ (Кл/м) . При замыкании ключа К происходит нейтрализация отрицательного заряда за счет положитель- ных зарядов, поступающих в канал молнии с поверхности земли. Если волна нейтрализации распространяется вверх со скоростью V , то амплитуда тока: I M = σ V. Если провод замыкается на землю через некоторое сопротивление R, то ток уменьшается и определяет- ся как R Z Z V I M + = σ , где z – эквивалентное волновое сопротивление канала молнии (300-600 Ом) При таких значениях z влияние сопротивления заземления, по крайней мере до R=50 Ом, невелико и с достаточной степенью точности для расчетов молниезащиты можно принимать эквивалентное волновое сопротивление канала молнии бесконечно большим, т.е. рассматривать молнию как источник тока. С точки зрения электромагнитного воздействия на установки ВН важное значение имеют форма и зна- чение тока главного разряда. Приближенно он имеет вид апериодического импульса Важнейшей характеристикой является максимальное значение тока молнии I M , часто называемое про- сто током молнии. Крутизна фронта тока молнии dt di a M = определяет индуктивные падения напряжения в проводниках и индуктированные напряжения магнитно-связанных цепях. Однако удобнее бывает пользоваться сред- ней крутизной ф M cp I a τ = это не вносит существенной ошибки при способе определения продолжитель- ности фронта, показанном на рис. Между амплитудой и крутизной фронта тока молнии имеется слабая положительная корреляционная связь: большим токам соответствует большая крутизна. Однако данных пока недостаточно, поэтому принято считать I M и a независимыми случайными величинами. В этом случае:P(I M, a )≈ P(I M )+ P(a) где P(I M ) и P(a) – вероятности того что ток молнии и крутизна будут равны или превысят заданные значения M I M e I P 04 , 0 ) ( − = , a e a P 08 , 0 ) ( − = При проектировании молниезащитных устройств необходимо учитывать тепловое и электродинамическое действия молнии. Значения зарядов, переносимых молнией, характеризуют энергию, выделяющуюся в точке удара молнии, и расплавление метал- ла в этом месте. Интеграл квадрата тока ∫ dt i M 2 , называемый также иногда интегра- лом действия или импульсом квадрата тока, определяет механические воздействия и нагрев проводников при прохождении по ним тока молнии. 21. Защита от прямых ударов молнии. Для защиты объектов от поражения молнией используются молниеотводы. В зависимости от защищае- мого объекта применяют стержневые (подстанции) или тросовые (ВЛ) молниеотводы. Необходимым условием эффективной работы молниеотводов является их хорошее заземление. Защита от прямых ударов молнии осуществляется с помощью молниеотводов. Молниеотвод представ- ляет собой возвышающееся над защищаемым объектом устройство, через которое ток молнии, минуя защищаемый объект, отводится в землю. Молниеотвод состоит из молниеприемника, непосредственно воспринимающего на себя удар молнии, токоотвода и заземлителя. Защитное действие молниеотводом основано на том, что во время лидерной стадии на вершине мол- ниеотвода скапливаются заряды и наибольшие напряженности электрического поля создаются на пути между развивающимся лидером и вершиной молниеотвода. Возникновение и развитие с молниеотвода встречного лидера еще более усиливает напряженность поля на этом пути, что окончательно предопре- деляет удар в молниеотвод. Защищаемый объект, более низкий чем молниеотвод, будучи расположен поблизости от него, оказывается за экранированным молниеотводом и встречным лидером и поэтому практически не может быть поражен молнией. Защитное действие молниеотвода характеризуется его зоной защиты. Зона защиты молниеотвода – пространство вблизи молниеотвода, вероятность попадания молнии в ко- торое не превышает определенного достаточно малого значения. Молниеотводы по типу молниеприемников подразделяются на стержневые и тросовые. Стержневые молниеотводы выполняются в виде вертикально установленных стержней (мачт), соединенных с зазем- лителем. Тросовые – в виде горизонтально подвешенных проводов. По опорам, к которым крепится трос, прокладываются токоотводы, соединяющие трос с заземлителем. Открытые распределительные устрой- ства подстанций защищаются стержне- выми молниеотводами, а линии электро- передачи – тросовыми. Зоны защиты молниеотводов Стержневые молниеотводы Зона защиты одиночного стержневого молниеотвода высотой h≤150 м пред- ставляет собой круговой конус (рис.6.4) с вершиной на высоте h 0 < h, сечение ко- торого на высоте h x имеет радиус r x Рис. 6.4 Сечение зоны защиты стержне- вого молниеотвода Граница зоны защиты находится по формулам (все размеры в метрах). Зона защиты двух стержневых молниеотводов находящихся вблизи друг от друга, расширяется по срав- нению с зонами отдельных молниеотводов. Возникает дополнительный объем зоны защиты, обуслов- ленный совместным действием двух молниеотводов (рис.6.5) Рис. 6.5 Зона защиты двойного стержневого молниеотвода Несколько близко расположенных молниеотводов образуют «много- кратный» молниеотвод. Его зона защиты определяется зонами за- щиты ближайших молниеотводов. Тросовые молниеотводы Для защиты протяженных объек- тов тросовые молниеотводы натя- гивают над защищаемым объек- том и заземляют на опорах. Тро- совые молниеотводы используют- ся в основном для защиты прово- дов ВЛ. В связи с этим пользуют- ся не зонами защиты, а углами защиты, т. е. углами между вертикальной линией, перпендикулярной тросу, и линией, соединяющей провод и трос. Грозозащита подстанций, кроме защиты от прямых ударов молнии, должна включать в себя следующие виды защит: 1)от перекрытий при ударах молнии в заземленные конструкции подстан- ций, т. е. от обратных перекрытий с заземленных элементов на токоведущие части оборудования; 2)от волн, приходящих с линии. 22. Защитные разрядники. Защитные промежутки. Ограничители перенапряжений. Принцип действия защитного аппарата состоит в том, что он предотвращает появление на электро- установке импульсов перенапряжений, опасных для ее изоляции, и не препятствует работе электроуста- новки при рабочем напряжении. Простейшим защитным устройством является искровом промежуток, включенный параллельно изоляционной конструкции. Для предупреждения перекрытия или пробоя изоляции вольт-секундная характеристика защитного искрового промежутка ПЗ с учетом разброса должна в идеальном случае ле- жать ниже вольт-секундной характеристики защищаемой изоляции (рис. 22.1). При выполнении этого требования появление опасных для изоляции электроустановок перенапряжений невозможно, так как при набегании импульса напряжения U пад происходит пробои ПЗ с последующим резким падением («срезом») напряжения. Вслед за импульсным током через защитный промежуток по ионизированному пути устремляется ток, обусловленный напряжением промышленной частоты, — сопровождающий ток. Если электроустановка работает в сети с заземленной нейтралью или если пробои ПЗ произошел в двух или трех фазах, то дуга сопровождающего тока может не погаснуть и импульсный пробой перехо- дит в устойчивое короткое замыкание, которое вызывает аварийное отключение электроустановки. Чтобы этого избе жать, следует обеспечить гашение дуги сопровождающего тока. Защитные аппараты, обеспечивающие не только защиту изоляции от перенапряжений, но и гашение дуги со- провождающего тока в течение времени меньшего, чем время действия релейной защиты, получили название за- щитных разрядников. Устройства, которые обеспечивают не только защиту изоляции от перенапряжений но и гашения дуги называются защитными разрядниками или защитный промежуток. Имеются два различных способа гашения дуги: в трубчатых разрядниках гашение происходит в результате интенсивного продольного дутья, в вентильных разрядниках — благодаря снижению значения сопровождающего тока с помощью сопротивления, включенного последовательно с искровым промежутком. ЗАЩИТНЫЕ ПРОМЕЖУТКИ Конструктивно защитные промежутки выполняются в виде стержневых электродов, создающих резконеодпородное поле. Для таких электродов характерно значительное возрастание разрядного напряжения при малых временах, что не всегда позволяет осуществлять координацию вольт-секупдиых характеристик изоляции и защитных промежутков во всем диапазоне предразрядпых времен. Как видно из рис. 22.1, при малых временах изоляция может оказаться незащищенной. Переход импульсного тока при пробое ПЗ в устойчивую дугу может сопровождаться аварийным отключением электроустановки или участка электрической сети. Для повышения надежности электроснабжения желательно ПЗ устанавливать лишь на тех участках сети, которые оборудованы устройствами автоматического повторного включения (АПВ). Простота и дешевизна стержневых промежутков определяют их широкое применение, особенно в сетях низших классов напряжения. На линиях электропередачи высокого и сверхвысокого напряжении принимаются специальные меры но ограничению внутренних перенапряжений, поэтому стержневые промежутки могут на них применяться в качестве координирующих, т.е. для ограничения макси- мального значения набегающего на подстанцию импульса напряжения и тока через вентильные разрядники при грозовых перенапряжениях. |