Конспект лекций техника высоких напряжений

Обновлено: 07.07.2024

Курс лекций предназначен для студентов электроэнергетического направления, может быть полезен инженерно-техническим работникам заводов, энергосистем и проектных институтов.

Оглавление
Введение
1. Разряды в газах
1.1. Конфигурация электрических полей
1.2. Ионизационные процессы в газе
1.3. Виды ионизации
1.4. Лавина электронов
1.5. Условие самостоятельности разряда
1.6. Образование стримера
1.7. Закон Пашена
1.8. Разряд в неоднородных полях
1.9. Эффект полярности
1.10. Барьерный эффект
1.11. Влияние времени приложения напряжения на электрическую прочность газовой изоляции (вольт-секундная характеристика— ВСХ)
1.12. Коронный разряд
1.13. Потери энергии при коронированнии
1.14. Разряд в воздухе по поверхности изоляторов
1.15. Пробой жидких диэлектриков
1.16. Пробой твердой изоляции
2. Высоковольтная изоляция
2.1. Высоковольтные изоляторы
2.2. Изоляция высоковольтных конденсаторов
2.3. Изоляция трансформаторов
2.4. Изоляция кабелей
2.5. Изоляция электрических машин
2.6. Профилактика изоляции
3. Высоковольтное испытательное оборудование и измерения
3.1. Установки для получения высоких переменных напряжений
3.2. Установки для получения высоких постоянных напряжений
3.2.1. Каскадный генератор постоянного тока
3.3. Импульсные испытательные установки
3.3.1. Генератор импульсных токов (ГИТ)
3.4. Измерение высоких напряжений
3.4.1. Шаровые разрядники
3.4.2. Электростатические вольтметры
3.4.3. Делители напряжения (ДН)
3.4.3.1. Омический делитель (R1>>R2)
3.4.3.2. Емкостный делитель (C1>>C2)
3.4.3.3. Смешанный делитель напряжения
4. Перенапряжения и защита от них
4.1. Классификация перенапряжений
4.2. Внутренние перенапряжения
4.3. Грозозащита воздушных линий электропередач и подстанций
4.3.1. Защита от прямых ударов молнии
4.3.2. Зона защиты стержневого молниеотвода
4.3.3. Зона защиты тросового молниеотвода
4.3.3. Грозоупорность объектов (ВЛ)
4.4. Средства защиты от перенапряжений
4.5. Волновые процессы в линиях
4.5.1. Преломление и отражение волн в узловых точках
4.5.2. Перенапряжения при несимметричном отключении фаз
4.6. Волновые процессы в обмотках трансформаторов
4.6.1. Начальное распределение напряжения вдоль обмотки трансформаторов
4.6.2. Установившийся режим (или принужденный режим)
4.6.3. Переходный процесс
4.6.4. Определение напряжения вдоль обмоток 3-х фазного трансформатора
4.6.4.1. Звезда с заземленной нейтралью
4.6.4.2. Звезда с изолированной нейтралью
4.6.4.3. Соединение обмоток треугольником
4.6.5. Передача волн перенапряжения из одной обмотки в другую
4.7. Перенапряжения при отключении ненагруженных ЛЭП и батарей конденсаторов
4.7.1. Отключение ненагруженных ВЛ
4.7.2. Отключение батарей конденсаторов
4.7.3. Дугогасящие аппараты
Заключение
Литература
Дополнительная

Лекция 1. Введение
В развитии электроэнергетики Российской Федерации важное место занимает применение высоких напряжений для передачи электрической энергии на большие расстояния. В настоящее время протяженность линий передачи, работающих при напряжениях 330— 500 кВ, составляет 30 тыс. км, введена в строй опытно-промышленная электропередача 750 кВ, ведутся разработки электропередач переменного тока напряжением 1150 кВ и постоянного тока напряжением 1500 кВ.

Изоляция электрических установок может быть разделена на внешнюю и внутреннюю изоляцию. К внешней изоляции относятся воздушные промежутки (например, между проводами линии электропередачи, между проводами и опорой) и части изоляционных конструкций, которые соприкасаются с воздухом. Внутренняя изоляция находится внутри корпуса трансформатора или аппарата, кабельной оболочки и т. д.; она состоит из комбинации различных жидких, твердых и газообразных диэлектриков.

Под влиянием больших напряженностей электрического поля, которые могут возникать в процессе эксплуатации, возможна частичная или полная потеря изоляцией ее диэлектрических свойств — пробой изоляции. Характер повреждения и его последствия различны для внешней и внутренней изоляции.

После пробоя воздушного промежутка или перекрытия вдоль, поверхности изолятора и устранения причины пробоя электрическая прочность воздуха полностью восстанавливается. Нежелательные последствия пробоя воздуха — это возможность возникновения устойчивой дуги. На линиях электропередачи дуговое замыкание на землю или между проводами приводит к отключению линии на время, необходимое для восстановления изоляции, Следовательно, пробой воздушной изоляции связан с кратковременным перерывом электроснабжения, но не с повреждением изоляции. В противоположность этому нарушение электрической прочности внутренней изоляции представляет собой необратимый процесс, ведущий к выходу из строя дорогостоящей аппаратуры.

На протяжении всего срока службы изоляция находится под воздействием рабочего напряжения установки. В таблице приведена шкала номинальных напряжений, т. е. средних междуфазных рабочих напряжений. В процессе эксплуатации имеют место отклонения от номинального напряжения, обусловленные падением напряжения в элементах электрической системы. При этом наибольшие рабочие напряжения в системе не должны превосходить значений, указанных в таблице. Там же приведены величины наибольших фазных напряжений, которые прикладываются к изоляции между токоведущими частями и землей.

Однако требования к изоляции определяются не только рабочим напряжением. В процессе эксплуатации в электрических установках кратковременно возникают значительные повышения напряжения — так называемые перенапряжения.

Перенапряжения могут быть разделены на две группы:

грозовые перенапряжения, связанные с разрядами молнии в токоведущие части установки или в землю поблизости от нее; внутренние перенапряжения, возникающие в результате различных нормальных или аварийных коммутаций в системе.

Атмосферные перенапряжения возникают при поражении электрической установки грозовыми разрядами. Как показывает опыт, явление это довольно частое. С грозовым разрядом при отсутствии специальной защиты связано возникновение волн перенапряжений, достигающих нескольких миллионов вольт. Такие перенапряжения достаточны для перекрытия и повреждения изоляции установок любого номинального напряжения.

Атмосферные перенапряжения распространяются в электрической системе в форме волн и проникают во все элементы системы, в частности в аппаратуру и обмотки трансформаторов. Возникающие при этом переходные процессы приводят к резкому повышению напряжений, воздействующих на внутреннюю изоляцию трансформаторов и аппаратов. Поэтому защита от атмосферных перенапряжений является обязательным элементом надежной работы электрической системы.

Уже в довоенные годы были разработаны основные технические мероприятия, способные обеспечить почти полную грозоупорность сетей. Однако с экономической точки зрения полная грозоупорность может быть целесообразной только для систем высшего класса напряжения. В целях удешевления строительства сетей, а это в настоящее время является основной задачей, внедряются экономичные конструкции линий, обладающие сниженными показателями в отношении грозоупорности, удешевляются трансформаторы и аппаратура путем снижения уровней изоляции, Все эти мероприятия ставят перед техникой защиты от перенапряжений наиболее трудную задачу — путем улучшения характеристик защитного оборудования обеспечить достаточно надежную работу сетей в новых условиях.

Внутренние перенапряжения возникают при переключениях в сети, при дуговых замыканиях на землю в сетях с изолированной и компенсированной нейтралью, а также при резонансных, явлениях, возникающих на длинных линиях в несимметричных режимах. Внутренние перенапряжения, которые существенно зависят от характеристик оборудования, в первую очередь выключателей, и схем сети, имеют обычно амплитуды в пределах 2,5—3,5 фазного напряжения сети. Изоляция электрических установок рассчитывается на воздействие внутренних перенапряжений. По мере роста рабочего напряжения сетей, когда изоляция становится основным фактором, влияющим на экономичность электропередач, проблема ограничения внутренних перенапряжений становится все более актуальной. Согласование уровней изоляции электрических установок с воздействующими перенапряжениями, которые в свою очередь зависят от характеристик защитных аппаратов и условия развития перенапряжений в заданной системе, носит название координации изоляции. Чем шире наши знания в области техники высоких напряжений, тем более обоснована координация изоляции, а, следовательно, тем экономичнее могут быть выполнены линии и подстанции. Координация изоляции тесно связана с режимом нейтрали системы. Системы с изолированной нейтралью требуют при прочих равных условиях существенно более высокого уровня изоляции, что связано с возможностью длительного повышения напряжения на фазах до линейного напряжения сети. Поэтому в России сети напряжением 110кВ и выше имеют глухозаземленную нейтраль. В этих системах основным видом внутренних перенапряжений являются кратковременные коммутационные перенапряжений, связанные с отключением и включением участков сети, в основном линий и трансформаторов. По мере того как добиваются снижения амплитуд коммутационных перенапряжений, все большую роль в координации изоляции начинают играть повышения напряжения рабочей частоты в системе. Эти повышения ограничиваются с помощью системной автоматики в первую очередь автоматическим регулированием возбуждения генераторов и схемными мероприятиями.

1. РАЗРЯДЫ В ГАЗАХ

1.1.Общая характеристика газовой изоляции

Воздух или другие газы в той или иной степени всегда присутствуют в любой изоляционной конструкции. Шины распределительных устройств, провода линий электропередачи, выводы высокого напряжения трансформаторов и других аппаратов изолированы друг от друга воздушными промежутками, в которых воздух играет роль единственного изолирующего вещества. Опорные изоляторы подстанций, подвесные изоляторы линий электропередачи и другие изоляционные конструкции находятся в воздушной среде. Нарушение электрической прочности изоляторов и изоляционных конструкций может произойти путем пробоя твердого диэлектрика, из которого изготовлен изолятор, или путем развития разряда в воздухе вдоль поверхности твердого диэлектрика. Так как пробой диэлектрика приводит к полному выходу изолятора из строя, а перекрытие по поверхности в большинстве случаев не приносит изолятору существенного вреда, напряжение пробоя изолятора всегда стараются сделать больше напряжения перекрытия по поверхности. Таким образом, фактическая электрическая прочность очень многих изоляционных конструкций определяется электрической прочностью воздуха, знание которой приобретает принципиально важное значение.

Но воздух или другой газ имеют значение не только естественной газовой среды, в которой находятся изоляционные конструкции, как это было в приведенных выше примерах. Газ может использоваться также в качестве одного из основных изоляционных материалов в кабелях, конденсаторах и других электрических аппаратах.

Основным недостатком, газовой изоляции является ее недостаточная электрическая прочность. Например, слой воздуха толщиной 0,5 см выдерживает напряжение порядка 17 кВ, а слой чистого трансформаторного масла той же толщины около 150 кв. Поэтому целесообразность применения газовой изоляции тесно связана с возможностью увеличения ее электрической прочности.

Электрическая прочность газа увеличивается при повышении давления от атмосферного до более высоких. Например, тот же слой воздуха толщиной 0,5 см при давлении 15 ат будет иметь прочность около 190 кВ, т. е. больше, чем у трансформаторного масла. С другой стороны, известно, что прочность воздуха сильно возрастает и при глубоком вакууме. В промышленной изоляции глубокий вакуум в сочетании с другими изоляционными материалами, которые, соприкасаясь с вакуумом, выделяют газы и тем самым приводят к постепенному увеличению давления и уменьшению прочности изоляции. В таких конструкциях вакуум практически невозможно поддерживать и в промышленной изоляции для увеличения электрической прочности преимущественно применяют повышенные давления, а не глубокий вакуум.

Газ, применяемый в качестве изоляции, должен удовлетворять следующим основным требованиям.

Газ должен быть химически инертным и не вступать в реакции с диэлектриками, в комбинации с которыми он применяется, и с другими материалами, использованными в конструкции аппарата.

При ионизации газа, которая в какой-то степени всегда возможна в аппаратах высокого напряжения, также не должно выделяться химически активных веществ.

Газ должен обладать низкой температурой сжижения, так как в противном случае его нельзя будет применять при повышенных давлениях (при увеличении давления температура, при которой газ превращается в жидкость, возрастает).

Газ должен обладать, возможно, большей электрической прочностью и высокой теплопроводностью. Последнее особенно важно в тех случаях, когда газ одновременно является и изолирующей и охлаждающей средой.

Стоимость газа должна быть достаточно низкой, чтобы сделать его применение экономически оправданным.

Воздух имеет большое преимущество с точки зрения предельно низкой стоимости, поэтому при повышенных давлениях нашел некоторое применение в конденсаторах, кабелях и др. Но он не удовлетворяет второму требованию, так как ионизация воздуха сопровождается выделением озона, окиси и закиси азота, вызывающих интенсивную коррозию всех металлических частей аппарата и окисление органической изоляции, приводящее к постепенному ухудшению ее изолирующих свойств. Поэтому вместо воздуха чаще применяют азот, который имеет такую же электрическую прочность, невысокую стоимость и является инертным газом.

Для того чтобы электрическая прочность воздуха или азота сделалась соизмеримой с прочностью твердых или жидких диэлектриков, таких как масло, слюда, фарфор и т. д., давление в этих газах необходимо поднимать до 10—15 ат. Применение столь высоких давлений, естественно, утяжеляет, всю конструкцию и создает серьезные, затруднения в эксплуатации. Поэтому в последнее время серьезное внимание уделяется различным газам, имеющим электрическую прочность, значительно большую, чем у воздуха и азота. Некоторые из этих газов приведены в табл.1
Таблица 1

Наиболее широко применяются в качестве изолирующей среды два газа: фреон и элегаз, имеющие приблизительно одинаковую электрическую прочность. Оба эти газа химически инертны, но при ионизации выделяют некоторое количество химических веществ, вызывающих коррозию. Преимуществом элегаза является его более низкая температура сжижения, позволяющая использовать его при давлениях до 20 ат, в то время как фреон можно сжимать только до 6 ат. Но даже при давлении в 3 ат, применение которого не вызывает существенных технических трудностей, напряжение, выдерживаемое слоем фреона или элегаза толщиной 0,5 см, достигает 140 кВ, т. е. имеет тот же порядок, что и для трансформаторного масла.

Общим недостатком этих двух газов является их большая стоимость, которая, однако, существенно снижается при массовом изготовлении.

Идеальный газ состоящий только из нейтральных молекул, абсолютно не проводит электрического тока. В реальных газах за счет различных внешних воздействий (ультрафиолетовое излучение солнца, радиоактивное излучение почвы, космические лучи и т. д.) всегда имеется некоторое количество ионов и электронов, сообщающих газу определенную проводимость.

Весьма существенна также следующая особенность прохождения тока через газ. При напряжениях меньше разрядного, непременным условием прохождения тока является наличие внешнего ионизатора, непрерывно создающего электроны и ионы в межэлектродном пространстве. Если этот внешний ионизатор убрать, ток в промежутке немедленно прекращается, прекращается и ионизация под действием сил электрического поля. Процесс является несамостоятельным, т.е. он не может поддерживаться только за счет внутренних ресурсов самого промежутка. При напряжении, равном разрядному, процесс приобретает самостоятельный характер, т. е. он больше не нуждается в помощи внешнего ионизатора. Поэтому часто говорят, что условием пробоя промежутка является условие превращения разряда в самостоятельный.

Как известно, высокую проводимость газ может приобретать только в особом состоянии, называемом плазмой, когда значительная часть молекул газа ионизирована, причем проводимость плазмы возрастает по мере увеличения числа ионов, содержащихся в единице объема. Количество положительных и отрицательных зарядов в единице объема плазмы практически одинаково, причем носителями положительных зарядов являются ионы, а носителями отрицательных зарядов — ионы и электроны.

Содержащиеся в плазме электроны собственно и обеспечивают ее проводимость, природа которой, таким образом, весьма сходна с природой проводимости металлов. Существенное различие между газом в состоянии плазмы и металлическим проводником заключается в том, что в плазме заряды разных знаков все время рекомбинируют друг с другом, следовательно, в объеме, заполненном плазмой, непрерывно должен идти процесс ионизации, поддерживающий плотность зарядов на неизменном уровне. В противном случае газ постепенно вернется к своему нормальному нейтральному состоянию. Одним из основных механизмов ионизации в плазме является термическая, ионизация, осуществляемая благодаря ее высокой температуре, которая достигается за счет непрерывных столкновений электронов, двигающихся под действием поля, с молекулами и ионами плазмы. Чем больше число двигающихся электронов, т. е. чем больше проходящий через плазму ток, тем выше ее температура, а следовательно, и проводимость.

Таким образом, разряд в газе сопровождается переходом в состояние плазмы всего пространства между электродами или его части. Устанавливающийся при этом в промежутке режим может приобретать различные качества в зависимости от конфигурации электрического поля, мощности источника и давления газа. Можно назвать следующие основные виды разряда.

Тлеющий разряд возникает в промежутке при малых давлениях газа, когда плазма даже при высокой степени ионизации не может приобрести большую проводимость из-за недостаточного числа молекул газа в единице объема. Поэтому абсолютная величина тока, проходящего в газе, не может быть очень большой, невелико также и взаимодействие между отдельными ионами, находящимися в промежутке. Тлеющий разряд обычно занимает все пространство между электродами. Характерным примером является тлеющий разряд, используемый в газосветных трубках, лампах дневного света и др.

Искровой разряд образуется в промежутке при достаточно больших давлениях газа р и расстояниях между электродами s (ps >1000 см • мм рт. ст.) в случае, если мощность источника питания невелика или если напряжение приложено к промежутку на очень короткое время. При больших давлениях газа разряд уже не занимает всего поперечного сечения промежутка, а развивается в виде узкого канала. Концентрация ионов в плазме, заполняющей этот узкий канал, может достигать больших величин, поэтому по каналу мог бы проходить значительный ток, однако его величина ограничивается мощностью источника. Благодаря этому интенсивность термической ионизации в канале может оказаться недостаточной для поддержания его проводимости и канал разряда распадается. Это, например, имеет место при переменном напряжении, когда разряд в газовом промежутке происходит в виде перемежающихся искр, последовательно возникающих между электродами.

Дуговой разряд является последующей стадией искрового разряда при большой мощности источника. В этом случае через промежуток может проходить большой ток, который способствует разогреву канала, возрастанию его проводимости, а, следовательно, дальнейшему увеличению тока, В конце концов, будет достигнуто состояние равновесия, когда тепловые потери из канала прекратят дальнейшее повышение температуры. Этот процесс длительный, вследствие чего искровой разряд не переходит в дуговой в случае приложения напряжения на очень короткое время. Канал дугового разряда характеризуется, следовательно, высокими температурами и значительной степенью ионизации газа.

Коронный разрядявляется своеобразной формой разряда, характерной для резко неоднородных полей, когда ионизация возникает только в небольшой области вблизи электрода. При этом между электродами промежутка не возникает сквозного проводящего канала, что исключает возможность прохождения большого тока независимо от давления газа и мощности источника. Таким образом, образование коронного разряда не означает полной потери газовым промежутком изолирующих свойств, однако в изоляционных конструкциях образование коронного разряда является нежелательным.

К56 Техника высоких напряжений: Конспект лекций / Перм. гос. техн. ун-т. – Пермь, 2008. – 90 с.

Рассмотрены атмосферные и внутренние перенапряжения, а также высоковольтные испытательные установки и корона на проводах ЛЭП.

технический университет, 2008

Введение

Техника высоких напряжени (ТВН) – это дисциплина, которая изучает различные физические процессы, происходящие в высоковольтных устройствах, с целью обеспечения безаварийной работы изоляции. Для чего требуется высокое напряжение при передаче электроэнергии?

Рассмотрим простейший пример. Пусть имеем линию электропередачи (ЛЭП) (рис. В.1), сопротивление проводов которой равноr = 0,01 Ом, а сопротивление нагрузки – R. Допустим, требуется передать мощность P = 10 Вт. Это можно сделать различными путями, например:

1) I₁ = 1 А, U₁ = 10 В; P₁ = I₁ U₁ = 10 Вт;

Рис. В.1. Схема передачи электроэнергии по линии

В том и другом случаях получается одна и та же мощность на приемнике электроэнергии, однако мощность W = I 2 r, которая пойдет на бесполезный нагрев проводов линии, будет различной:

W₁ = I₁ 2 r = 1 2 ·0,01 = 0,01 Вт; 2) W₂ = I₂ 2 r = 10 2 ·0,01 = 1 Вт.

Мощности W₁ и W₂ отличаются в 100 раз при отличии токов в 10 раз из-за квадратичной зависимости мощности от тока: W = I 2 r. Следовательно, чем меньше ток или чем выше напряжение, тем меньше энергии расходуется на бесполезный нагрев проводов.

Величины напряжений, на которых передается электроэнергия, нормированы, они называются классами напряжений: 3; 6; 10; 20; 35; 110; 150; 220; 330; 500; 750; 1150 кВ.

Класс напряжения – это номинальное (U_н), линейное (U_л), действующее (U) напряжение на приёмнике электроэнергии. Линейное напряжение больше фазного напряжения (U_ф) в раз: U_л =U_ф . Амплитуда U_m (максимальное значение), больше действующего напряжения в раз: U_m = =U . Вольтметры и амперметры измеряют действующее напряжение. На генераторе электроэнергии напряжение выше, для того чтобы скомпенсировать падение напряжения в линии.

Величина напряжения, которая должна быть на генераторе, нормируется в зависимости от класса напряжения, так как с его увеличением стоимость изоляции возрастает не по линейному закону. Напряжение на генераторе есть наибольшее рабочее напряжение (U_раб _max = kU_н), изоляция кабеля рассчитывается на это напряжение. Коэффициент k принят для классов напряжения 3–220 кВ равным 1,15; для 330 кВ – 1,1 и более 500 кВ – 1,05. Снижение коэффициента k приводит к уменьшению толщины изоляции, т.е. снижению стоимости кабеля. Для уменьшения коэффициента k:

применяют меньшие плотности тока, что снижает падение напряжения на активном сопротивлении провода;

используют расщепление проводов для снижения индуктивности и, следовательно, уменьшения падения напряжения на индуктивном сопротивлении провода;

применяют регуляторы напряжения, которые снижают напряжение при уменьшении нагрузки.

Рис. В.2. ЛЭП с расщепленными проводами

Начальное напряжение ионизации – это наименьшее напряжение, при котором в изоляции возникают слабые разряды, вызывающие ионизационное старение изоляции. В нормально работающей изоляции разрядов не должно быть, при их наличии резко уменьшается срок службы кабеля. При отсутствии разрядов кабель служит 25–30 лет.

Критическое напряжение ионизации – это напряжение, при котором в изоляции возникают разряды значительной интенсивности, способные вызвать ионизационный пробой за малый промежуток времен.

Уровень изоляции – это испытательное напряжение, которое будучи приложено к изоляции на короткий промежуток времени не вызывает ее пробоя. Уровень изоляции лежит ниже критического напряжения ионизации и зависит от времени приложения испытательного напряжения. Уровень изоляции больше номинального напряжения на коэффициент запаса электрической прочности (рис. В.3), который лежит в пределах 3–5.

Рис. В. 3. Запас электрической прочности

Координация изоляции – это согласование уровня изоляции с возможной величиной перенапряжений.

Существуют два пути координации изоляции:

установление уровня изоляции выше возможной величины перенапряжений;

ограничение перенапряжений разрядниками.

Выбор одного из двух путей производят исходя из экономических соображений, т.е. увеличивать толщину изоляции или устанавливать разрядники.

Режим работы нейтрали зависит от класса напряжения (в следующем ряду жирным шрифтом выделены классы напряжений с заземленной нейтралью):

0,22; 0,38; 0,66; 1; 3; 6; 10; 20; 35; 110; 150; 220; 330; 500; 750; 1150 кВ.

Такое разделение по классам принято в России. В США и Европе нейтраль для всех классов напряжений заземлена. Нейтраль изолируют для того, чтобы при замыкании одной из фаз на землю не происходило отключение линии, т.е. для надежности электроснабжения.

На рис. В.4 изображена трехфазная система с изолированной нейтралью. Емкость каждой фазы на землю равна C. Напряжение на нейтрали равно нулю. На проводах по отношению к земле – фазное напряжение (U_ф), между проводами – линейное напряжение (U_л ).

Рис. В.4. Схема сети с изолированной нейтралью

Особенностью такой схемы является то, что замыкание провода на землю не вызывает короткого замыкания, поэтому отключение линии не происходит и потребитель продолжает получать электроэнергию (рис. В.5). Однако:

1) напряжение двух других фаз повышается до линейного;

2) в месте соприкосновения провода с землей горит электрическая дуга емкостного тока, что может вызвать перенапряжение и, как следствие этого, двухфазное замыкание из-за перебрасывания дуги на другие фазы и полное отключение линии;

3) возрастает опасность поражения током;

4) появляются помехи в сетях связи.

Рис. В.5. Замыкание одной из фаз на землю

В силу того, что напряжение на фазах может возрасти до линейного, изоляцию необходимо рассчитывать на линейное напряжение. В США и Европе считается экономически выгоднее изготавливать кабели, рассчитанные на фазное напряжение, а надежность электроснабжения обеспечивать надежностью всех элементов энергосистемы. Для погашения дуги однофазного замыкания в нейтраль включаются дугогасящая катушка (рис.В.6).

Рис. В. 6. Гашение дуги с помощью катушки индуктивности

При нормальной работе напряжение на нейтрали равно нулю и ток через катушку не протекает. Во время короткого замыкания напряжение на нейтрали возрастает до фазного и через катушку начинает протекать индуктивный ток, который компенсирует емкостный ток, в результате чего ток в месте замыкания на землю резко уменьшается. Катушка имеет отводы для настройки системы в резонанс, такое заземление называется резонансным.

Рассмотрим трехфазную систему с заземленной нейтралью, в которой произошло замыкание одной из фаз на землю (рис. В.7).

Рис. В.7. Замыкание фазы на землю в сетях с заземленной нейтралью

В месте короткого замыкания, между землей и проводом загорается электрическая дуга. Ток короткого замыкания I_к.з приводит в действие систему автоматического повторного включения АПВ, которая установлена на подстанциях: линия на короткий промежуток времени отключается, дуга гаснет. Затем вновь подается напряжение. В том случае, если возникло неустранимое короткое замыкание (перехлест проводов), линия совсем отключается.

При таком характере замыкания напряжение на фазах не может быть больше фазного, следовательно, изоляция рассчитывается на величину фазного напряжения.

Техника высоких напряжений в электроэнергетике, виды изоляции установок и координация изоляции

Техника высоких напряжений является одной из базовых дисциплин ряда электротехнических, электроэнергетических и электрофизических специальностей.

Она находит широкое применение во многих отраслях народного хозяйства. Применительно к электроэнергетическим системам высокого напряжения эта дисциплина рассматривает электрическую изоляцию и процессы, происходящие в изоляции при воздействии номинальных (рабочих) напряжений и перенапряжений.

К установкам высокого напряжения, исходя из особенностей процессов в электрической изоляции, относят установки на номинальное напряжение свыше 1000 В.

Курс техники высоких напряжений обычно разделен на две части. В первой части изучаются проблемы, относящиеся к конструированию, технологии, испытаниям и эксплуатации изоляции электрических установок. Во второй части изучаются возникновение перенапряжений в электрических сетях и методы их ограничения.

Обе части техники высоких напряжений тесно увязаны между собой и полное решение проблем той или другой части должно проводиться во взаимной связи.

В комплекс вопросов рассматриваемых техникой высоких напряжений входят:

электрическое поле при высоких напряжениях ;

электрический разряд и прибой в диэлектриках ;

электрическая изоляция и изоляционные конструкции ;

перенапряжения и методы защиты от перенапряжений ;

вопросы, связанные с оборудованием высоковольтных лабораторий, высоковольтными измерениями, методами профилактических испытаний изоляции и изоляционных конструкции, токами в земле и устройствами заземлений.

Каждый из этих вопросов имеет свои особенности и самостоятельное значение. Однако все они направлены на решение основной задачи техники высоких напряжений — создание и обеспечение надежно работающей электрической изоляции установок высокого напряжения (создание изоляционных конструкций, обладающих рациональными в технико-экономическом отношении уровнями изоляции).

Так, например, разряды в газах имеют большое самостоятельное значение, но в технике высоких напряжений они рассматриваются с точки зрения изоляционных свойств, так как газы, особенно воздух, имеются во всех изоляционных конструкциях.

Эта научная дисциплина возникла одновременно с появлением первых установок высокого напряжения, когда электрическая изоляция стала определять надежность их работы.

По мере роста номинальных напряжений установок возрастали требования к изоляции. Эти требования в значительной степени определяются теми переходными процессами, которые возникают в различных частях электрических установок при переключениях в электрической цепи, замыканиях на землю и др. (внутренние перенапряжения) и при грозовых разрядах (атмосферные перенапряжения).

В связи с решением задач техники высоких напряжений потребовались специальные высоковольтные лаборатории, позволяющие получать высокие напряжения различных видов и форм, а также измерительные приборы высокого напряжения.

Поэтому техника высоких напряжений рассматривает основное оборудование современных испытательных лабораторий высокого напряжения и измерения на высоком напряжении.

Кроме того, рассматривается протекание токов в земле (промышленной частоты и импульсных) с точки зрения устройства рабочих и защитных заземлений, необходимых для обеспечения режимов работы установок высокого напряжения и безопасности их обслуживания.

Виды изоляции электроустановок высокого напряжения

Современные электроэнергетические системы, состоящие из ряда электростанций (АЭС, ГЭС, ГРЭС, ТЭЦ), подстанций, воздушных и кабельных линий электропередач, содержат три основных вида изоляции высокого напряжения: станционную, подстанционную и линейную изоляции.

К станционной изоляции относят изоляцию электрооборудования, предназначенного для внутренней установки, т. е. изоляцию вращающихся машин (генераторов, двигателей и компенсаторов), электрических аппаратов (выключателей, разрядников, реакторов и др.). силовых трансформаторов и автотрансформаторов, а также электроизоляционные конструкции внутренней установки (проходные и опорные изоляторы и др.).

К подстанционной изоляции относят изоляцию электрооборудования, предназначенного для наружной установки (на открытой части подстанции), т. е. изоляцию силовых трансформаторов и автотрансформаторов, электрических аппаратов наружной установки, а также электроизоляционные конструкции наружной установки.

К линейной изоляции относят изоляцию воздушных линий и изоляцию кабельных линий.

Электрическую изоляцию установок высокого напряжения делят на внешнюю и внутреннюю. К внешней изоляции относят электроизоляционные устройства и конструкции, находящиеся в воздухе, а к внутренней изоляции — устройства и конструкции, находящиеся в жидкой или полужидкой среде.

Изоляция высокого напряжения определяет надежность работы электроэнергетических систем, и поэтому к ней предъявляются требования электрической прочности при воздействии высоких напряжений и перенапряжений, механической прочности, устойчивости к воздействиям окружающей среды и т. п.

Изоляция должна длительно выдерживать рабочее напряжение, а также воздействия различных видов перенапряжений.

Внешняя изоляция, предназначенная для установки на открытом воздухе, должна надежно работать при дожде, снеге, гололеде, различных загрязнениях и др. Внутренняя изоляция по сравнению с изоляцией на открытом воздухе, как правило, имеет лучшие условия работы. В горных районах внешняя изоляция должна надежно работать при пониженных давлениях воздуха.

Многие виды электроизоляционных конструкций должны обладать повышенной механической прочностью. Так, например, опорные и проходные изоляторы, вводы и пр. должны неоднократно выдерживать воздействие больших электродинамических сил при коротких замыканиях, линейные изоляторы (гирлянды) и высокие опорные электроизоляционные конструкции — ветровую нагрузку, так как ветер может создавать большие давления.

Ограничение опасных для изоляции перенапряжений при различных режимах работы осуществляется с помощью специальных защитных устройств.

Основными защитными устройствами являются разрядники, ограничители перенапряжения, защитные емкости, дугогасящие и реактивные катушки, молниеотводы (тросовые и стержневые), быстродействующие выключатели с устройствами автоматического повторного включения (АПВ).

Разумные эксплуатационные мероприятия помогают обеспечить надежную работу изоляции при применении разрядников и других защитных устройств. К ним можно отнести координацию изоляции, организацию периодических профилактических испытаний изоляции (с целью выявления и удаления ослабленной изоляции), заземление нейтралей трансформаторов и др.

Координация изоляции

Изоляцию электроустановок нужно выполнять с таким запасом электрической прочности, при которой не будет перекрытия (пробоя) при любых возможных перенапряжениях. Однако такая изоляция оказывается чрезмерно громоздкой и дорогой.

В силу этого при выборе изоляции целесообразно идти не по линии создания запаса электрической прочности ее, а по линии применения таких защитных мероприятий, которые, с одной стороны, предотвращают появление опасных для изоляции волн перенапряжений, а с другой стороны, защищают изоляцию от появившихся волн перенапряжений.

Поэтому изоляцию выбирают определенного уровня, т. е. определенной величины по испытательным разрядным и пробивным напряжениям с учетом защитных мероприятий.

Уровень изоляции и защитные мероприятия должны быть выбраны таким образом, чтобы изоляция не разрушалась от воздействий различных форм перенапряжений, возникающих в данной установке, и при этом имела бы минимальные габариты и стоимость.

Согласование принятого уровня изоляции и защитных мероприятий с воздействующими на изоляцию перенапряжениями называется координацией изоляции.

Уровни изоляции установок напряжением 220 кВ включительно определяются в основном величинами атмосферных перенапряжений, т. е. они лежат значительно выше величин внутренних перенапряжений, и координация изоляции в них основывается на импульсных характеристиках.

Уровни изоляции установок 330 кВ и выше определяются в основном внутренними перенапряжениями, и координация изоляции в них основывается па учете возможных величин этих перенапряжений.

Координация изоляции в большой степени зависит от режима работы нейтрали установки. Установки с изолированной нейтралью требуют более высокого уровня изоляции, чем установки с глухозаземленной нейтралью.

Читайте также: