|
А. Г. Овсянников доктор технических наук, профессор, зав каф. Твн нгту А. А. Ким доктор технических наук, профессор, завлаб. Исэ со ран в. И. Курец доктор технических наук, профессор тпу Томский политехническ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ В. Ф. Важов, В. А. Лавринович ТЕХНИКА ВЫСОКИХ НАПРЯЖЕНИЙ Курс лекций Издательство ТПУ Томск 2008
УДК 621.3.027.3(07) В Важов В. Ф. В Техника высоких напряжений курс лекций / В. Ф. Важов, В. А. Лавринович. – Томск Изд-во ТПУ, 2008. – 150 с. В соответствии с программой по технике высоких напряжений в краткой форме изложена теория электрических разрядов в газообразных, жидких, твердых и комбинированных диэлектриках. Описаны основы конструирования внешней изоляции линий электропередач, подстанций и другого оборудования высокого напряжения. Рассмотрены испытательные установки высокого напряжения, методы испытания высоковольтной изоляции, принципы измерения высоких напряжений, внутренние и грозовые перенапряжения в электрических системах, меры и средства защиты от них. Курс лекций предназначен для студентов электроэнергетического направления, может быть полезен инженерно-техническим работникам заводов, энергосистем и проектных институтов.
УДК 621.3.027.3(07) Рекомендовано к печати Редакционно-издательским советом Томского политехнического университета
Рецензенты:
А. Г. Овсянников – доктор технических наук, профессор, зав. каф. ТВН НГТУ; А. А. Ким – доктор технических наук, профессор, завлаб. ИСЭ СО РАН В. И. Курец – доктор технических наук, профессор ТПУ
© Томский политехнический университет, 2008
Оглавление Введение ........................................................................................................ 7 1. Разряды в газах, жидкостях и твердых диэлектриках. 8 1.1. Конфигурация электрических полей ............................................... 8 1.2. Ионизационные процессы в газе. 10 1.3. Виды ионизации. 12 1.4. Лавина электронов. 16 1.5. Условие самостоятельности разряда ............................................. 19 1.6. Образование стримера. 20 1.7. Закон Пашена ................................................................................... 21 1.8. Разряд в неоднородных полях ........................................................ 24 1.9. Эффект полярности ......................................................................... 26 1.10. Барьерный эффект ......................................................................... 28 1.11. Влияние времени приложения напряжения на электрическую прочность газовой изоляции. Вольт- секундная характеристика (ВСХ) ................................................. 30 1.12. Коронный разряд ........................................................................... 34 1.13. Потери энергии при коронировании............................................ 37 1.14. Разряд в воздухе вдоль поверхности изоляторов ....................... Разряд вдоль проводящей и загрязненной поверхности изолятора. 42 1.15. Пробой жидких диэлектриков. 44 1.15.1. Влияние влаги и микропримесей ....................................... 46 1.15.2. Влияние давления ................................................................ 48 1.15.3. Влияние температуры ......................................................... 49 1.15.4. Влияние времени воздействия напряжения. 50 1.15.5. Влияние геометрии электродов, расстояния между ними материала и полярности на пробивное напряжение. 51 1.15.6. Барьерный эффект ............................................................... 52 1.16. Пробой твердой изоляции. Частичные разряды. 57 2. Высоковольтная изоляция. 60 2.1. Высоковольтные изоляторы ........................................................... 60 2.1.1. Линейные изоляторы. 60 2.1.2. Станционно-аппаратные изоляторы. 62 2.2. Изоляция высоковольтных конденсаторов ................................... 64 2.3. Изоляция трансформаторов ............................................................ 66 2.4. Изоляция кабелей. 66 2.5. Изоляция электрических машин .................................................... 68 3
2.6. Профилактика изоляции. 69 2.6.1. Задачи и цели профилактики. 69 2.6.2. Измерение сопротивления изоляции (токов утечки. 71 2.6.3. Измерение tg
δ........................................................................ 72 2.6.4. Методы обнаружения частичных разрядов ........................ 73 2.6.5. Методы регистрации высокочастотных составляющих частичных разрядов (индикаторы частичных разрядов – ИЧР) ................................................. 74 2.6.6. Контроль влажности изоляции. 76 2.6.7. Испытание повышенным напряжением. 77 3. Высоковольтное испытательное оборудование и измерения ............ 79 3.1. Установки для получения высоких переменных напряжений. 79 3.2. Установки для получения высоких постоянных напряжений. Каскадный генератор постоянного тока ....................................... 83 3.3. Импульсные испытательные установки ........................................ Генератор импульсных токов. 85 3.4. Измерение высоких напряжений. 86 3.4.1. Шаровые разрядники ............................................................ 86 3.4.2. Электростатические вольтметры ......................................... 87 3.4.3. Делители напряжения ........................................................... 88 3.4.3.1. Омический делитель. 89 3.4.3.2. Емкостный делитель. 90 3.4.3.3. Смешанный делитель напряжения. 90 4. Перенапряжения и защита от них ......................................................... 91 4.1. Классификация перенапряжений ................................................... 91 4.2. Внутренние перенапряжения. 93 4.3. Грозозащита воздушных линий электропередачи подстанций ...................................................................................... 94 4.3.1. Защита от прямых ударов молнии ....................................... 94 4.3.2. Зона защиты стержневого молниеотвода. 95 4.3.3. Зона защиты тросового молниеотвода ................................ 96 4.3.3. Грозоупорность объектов ..................................................... 98 4.4. Средства защиты от перенапряжений ........................................... 99 4.5. Волновые процессы в линиях. 101 4.5.1. Преломление и отражение волн в узловых точках .......... 102 4.5.2. Перенапряжения при несимметричном отключении фаз. 104 4
4.6. Волновые процессы в обмотках трансформаторов. 107 4.6.1. Начальное распределение напряжения вдоль обмотки трансформаторов ................................................ 109 4.6.2. Установившийся режим (или принужденный режим) .................................................................................. 110 4.6.3. Переходный процесс ........................................................... 111 4.6.4. Распределение напряжения вдоль обмоток трехфазного трансформатора ............................................ 112 4.6.4.1. Звезда с заземленной нейтралью. 112 4.6.4.2. Звезда с изолированной нейтралью ..................... 113 4.6.4.3. Соединение обмоток треугольником. 115 4.6.5. Передача волн перенапряжения из одной обмотки в другую. 116 4.7. Перенапряжения при отключении ненагруженных ЛЭП и батарей конденсаторов. 118 4.7.1. Отключение ненагруженных ВЛ ....................................... 118 4.7.2. Отключение батарей конденсаторов. 121 4.7.3. Дугогасящие аппараты. Заключение ................................................................................................ Библиографический список ..................................................................... Вопросы для самоподготовки. Контрольные вопросы и задания по разделу 1 .................................. Контрольные вопросы и задания по разделу 2 .................................. Контрольные вопросы и задания по разделу 3 .................................. Контрольные вопросы и задания по разделу 4 .................................. Приложение 1 ............................................................................................ Приложение 2 ............................................................................................ П Испытание изоляции электрооборудования повышенным напряжением промышленной частоты. П. Контроль качества трансформаторных масел при их эксплуатации в электрооборудовании. П. Испытание изоляции кабелей повышенным выпрямленным напряжением. Периодичность испытаний кабелей в процессе эксплуатации ....................................................................... П. Воздушные линии электропередачи ......................................... Измерение сопротивления изоляторов. Измерение распределения напряжения по изоляторам ............. П. Электродвигатели переменного тока. 143 5
Испытания электродвигателей с жесткими катушками или со стержнями при смене обмоток .............................. Испытания электродвигателей при полной смене всыпных обмоток ................................................................ Испытание электродвигателей с жесткими катушками или со стержнями при частичной смене обмоток ........... Испытания, проводимые при ремонтах обмотки ротора асинхронных электродвигателей с фазным ротором ................................................................................ Приложение 3 ............................................................................................ Библиографический список приложения ............................................... 165 6
Введение Техника высоких напряжений (ТВН) возникла в связи с необходимостью электропередачи больших электрических мощностей на дальние расстояния. В 1880 году профессор Петербургского лесного института ДА. Лачинов разработали изложил теорию передачи электроэнергии на большие расстояния – повышение напряжения и уменьшение тока по мере увеличения дальности и передаваемой мощности. Соответственно запросам энергетики развивалась техника высоких напряжений. Потребовалось создание промышленных высоковольтных установок переменного, постоянного и импульсного напряжений, атак- же установок для проведения исследований и испытаний изоляции при воздействии различных видов высокого напряжения. Повышение уровня напряжений требовало изучения физических явлений, механизмов воздействия электромагнитных полей высокого напряжения на изоляцию в различных условиях эксплуатации. В настоящее время номинальное напряжение ЛЭП достигает 1 150 кВ, а передаваемая мощность по одной цепи такой линии составляет ГВт. Общая протяженность электрических сетей в России с номинальным напряжением 35–1150 кВ превосходит 800 000 км. Чрезвычайно большое значение при этом приобретают вопросы создания и эксплуатации комплекса оборудования, необходимого для генерирования, передачи, преобразования и распределения электрической энергии генераторов, трансформаторов, воздушных и кабельных линий, конденсаторов и др. аппаратов. Высокие напряжения широко используются в электротехнологиях: окраска, электрофильтры, очистка воды, электрогидравлические и электроимпульсные технологии (бурение, дробление, резание горных породи др в электрофизических установках – управляемый термоядерный синтез, ускорители, лазеры и др. Курс лекций состоит из 4 крупных разделов 1. Разряды в диэлектриках. 2. Высоковольтная изоляция. 3. Высоковольтное оборудование и измерения. 4. Перенапряжения и защита от них. Поскольку основной причиной выхода из строя высоковольтного оборудования являются отказы изоляции, то наибольшие усилия направляются на сохранение ее в целостности. И здесь особую роль играет знание закономерностей зарождения и развития разрядов в диэлектриках (в изоляции. 7 В высоковольтном оборудовании используются газообразные, жидкие, твердые изоляционные материалы и их комбинации. Изоляция подразделяется на внешнюю (воздух и все, что находится в воздухе) и внутреннюю (эта изоляция отделена от окружающей среды корпусами и может быть газообразной, жидкой, твердой, комбинированной. Разряды в газах, жидкостях и твердых диэлектриках Воздух до сих пор остается основным видом внешней изоляции линий электропередачи, энергетического оборудования и высоковольтной техники. Традиционный путь создания изоляционных конструкций, включающий их полномасштабные натурные испытания еще на поисковом этапе работы, с увеличением номинальных напряжений становятся все менее перспективным. Техника испытаний становится трудоемкой и требует все больше временных и материальных затрат. В связи с этим возникает потребность в численных оценках электрической прочности воздушных промежутков на основе расчетных моделей, достоверно отражающих закономерности развития разряда в воздухе. 1.1. Конфигурация электрических полей Диэлектрики служат для изоляции токоведущих электродов разной полярности друг от друга. Изолируемые электроды (шины распределительных устройств, провода линий электропередач, наружные токове- дущие части электрических аппаратов и т. п) создают электрические поля различной конфигурации. От формы электрического поля зависит электрическая прочность и пробивное напряжение. Формы электрических полей подразделяются на однородные, слабонеоднородные и резконеоднородные. Типичным примером однородного поля является поле между двумя плоскопараллельными электродами или электродами Роговского. Слабонеоднород- ное поле реализуется в системе электродов шар–шар (см. рис. 1.1) при расстоянии S между электродами меньше диаметра D шара (S < D), рез- конеоднородное поле – при электродах стержень–плоскость или стер-
жень–стержень. Степень неоднородности электрического поля между электродами характеризуется коэффициентом неоднородности КН, который равен отношению максимальной напряженности электрического поля Е к средней напряженности Е
ср между электродами, те ср
Н
E
E
K
max
=
. (1.1) Средняя напряженность есть отношение напряжения U, приложенного к электродам, к расстоянию S между электродами
S
U
E
=
ср
. (1.2) Максимальная напряженность зависит от приложенного к электродам напряжения, конфигурации, размеров электродов и расстояния между ними. Например, для коаксиальных цилиндров (кабель) см. рис. 1.2) максимальная напряженность определяется как
r
R
ln
r
U
E
max
=
, (1.3) а средняя напряженность
r
R
U
E
−
=
ср
, (1.4) где
U – приложенное напряжение, кВ
r – внешний радиус внутреннего цилиндра (жила кабеля, см
R – внутренний радиус наружного цилиндра (оплетка кабеля, см. а б Рис. 1.1. Формы электрических полей асимметричная система электродов б – несимметричная система электродов R Рис. 1.2. Схема коаксиальных электродов Подставив (1.3) ив, получим Н, (1.5) те. КН зависит от геометрических размеров электродов. Для однородного поля коэффициент неоднородности КН = 1, для слабонеоднородного – КН ≤ 3, для резконеоднородного – КН > 3. Кроме этого, различают симметричную и несимметричную систему электродов. Симметричная форма – электроды имеют одинаковую форму и размеры и отсутствует заземление какого-либо из них (см. риса. Несимметричная форма – электроды имеют отличающуюся конфигурацию, размеры или один из них заземлен (см. рис. 1.1, б. Пробивные напряжения в несимметричной системе электродов ниже, чем в симметричной. Ионизационные процессы в газе В отсутствие внешнего электрического поля частицы газа находятся в состоянии хаотического (теплового) движения, постоянно сталкиваясь с другими частицами. Если на единице длины пути частица испытала столкновений, то средняя длина ее свободного пробега λ равна Z1 = λ . (1.6) Значение λ зависит от концентрации частиц и, следовательно, от давления и температуры газа. С увеличением давления и уменьшением температуры λ уменьшается. Частицы газа при тепловом движении перемещаются беспорядочно. Наличие внешнего электрического поля приводит к возникновению направленного движения заряженных частиц, если таковые имеются, тек появлению в газе электрического тока. Подвижность частицы в электрическом поле зависит от ее массы чем больше масса частицы, тем меньше ее подвижность. При рассмотрении процессов возникновения и исчезновения заряженных частиц в газе можно считать электроны частицами и не учитывать их волновые свойства. Когда электроны находятся на наименьших стационарных орбитах, то потенциальная энергия атома минимальна. Такое состояние атома является устойчивыми называется нормальным. Переход одного или нескольких электронов с нормальных орбит на более удаленные от ядра называется возбуждением атома. Энергию, необходимую для возбуждения, атом (молекула) может получить при столкновении с другой частицей или при поглощении коротковолнового излучения (фотовозбуждение). Время пребывания атома в возбужденном состоянии составляет 10 –10 с. Возвращение атома в нормальное состояние происходит самопроизвольно и сопровождается излучением фотона. Когда электрон удаляется от ядра настолько, что взаимодействие его с ядром практически исчезает, то электрон становится свободным. Происходит ионизация атома, в результате которой образуются две независимые частицы электрон и положительный ион. Энергия, поглощенная атомом, называется энергией ионизации. Энергия возбуждения и ионизации выражается в электронвольтах (эВ. Минимальные энергии возбуждения и ионизации некоторых содержащихся в воздухе газов приведены в табл. 1.1. Таблица 1.1 Энергии возбуждения и ионизации газов Минимальная энергия, эВ Газ возбуждения ионизации N 2 6,1 15,5 N 6,3 14,5 O 7,9 12,5 O 2 9,1 13,6 H 2 O 7,6 12,7 Одновременно с ионизацией атомов и молекул газа происходит процесс взаимной нейтрализации заряженных частиц – рекомбинация. Вследствие действия двух противоположных факторов – ионизации и рекомбинации – устанавливается равновесное состояние, при котором в единицу времени возникает и рекомбинирует определенное количество 11 заряженных частиц. Это равновесное состояние характеризуется определенной степенью ионизации газа, те. отношением концентрации ионизированных частиц к общей концентрации частиц ион ион, (1.7) где ион – коэффициент степени ионизации газа ион – концентрация ионизированных частиц NΣ – общая концентрация частиц ( NΣ ≈ 10 22 атомов на см. Газ, в котором значительная часть атомов и молекул ионизирована, называется плазмой (ион ≥ 10 12 –10 14 ионов на см. Концентрация положительных и отрицательных зарядов в плазме примерно одинакова. Плазма – форма существования вещества при температуре примерно 5000 К и выше. При столкновении электронов с нейтральным атомом или молекулой возможен захват ими электрона и образование отрицательного иона. Газы, в которых возможно образование отрицательных ионов, называются электроотрицательными (кислород, хлор, пары воды и драга- зы, в которых отрицательные ионы не образуются, — электроположи-тельными (азот, гелий. |
|
|
Скачать 2.62 Mb.