Лабораторна робота № 5 дослідження розподілу напруги на елементах високовольтних ізоляційних конструкцій

Мета роботи

Вивчити і експериментально дослідити розподіл напруги на ізоляційних конструкціях.

Основні теоретичні відомості

Напруги на елементах гірлянди ізоляторів розподіляються нерівномірно. Нерівномірний розподіл напруги спостерігається також при попаданні імпульсних хвиль перенапруг на обмотки трансформатора. Нерівномірне поле має місце в електричних машинах високої напруги (3-20 кВ), в місцях виходу обмоток з пазів статора. Це пояснюється тим, що в багатьох ізоляційних конструкціях розподіл напруги визначається як їхніми ємностями і провідностями, так і спотвореннями електричного поля, що виникають через конструктивні особливості елекрообладнання. Так, гірлянди ізоляторів можна представити схемою заміщення, яка наведена на рисунку 5.1, де

С – власні ємності ізоляторів,

С₁ – ємності металевих елементів ізоляторів відносно заземлених частин і споруджень (опори, траверси, троси),

С₂ – ємності ізоляторів відносно частин установки, що знаходяться під напругою (провідники, арматура),

R – опори струмам витоку по поверхні ізоляторів.

Рисунок 5.1 – Схема заміщення гірлянди ізоляторів

При чистій і сухій поверхні ізоляторів R>>1/(ωС), тому розподіл напруги визначається ємностями С, C₁, С₂.

В реальних умовах С=30…70 пФ, С₁= 4..5 пФ, С₂ = 0.5…10 пФ.

Значення ємностей С₁ і С₂ залежать від розташування ізоляторів і значно відрізняються одна від одної, що викликає нерівномірний розподіл напруги вздовж гірлянди ізоляторів. Найбільша напруга виникає на ізоляторі, що розташований ближче до провідника. Це може привести до виникнення на цьому ізоляторі корони, значних радіоперешкод, а також корозії металевих елементів ізоляторів.

Вирівнюванню розподілу напруги вздовж гірлянди сприяє використання спеціальної арматури у вигляді кіл, вісімок і овалів, які встановлюються в місцях під'єднання проводів. При аналізі процесів проходження імпульсів перенапруг на обмотках трансформаторів можна використати схему заміщення, зображену на рисунку 5.2, де С – ємність між котушками, С₁ – ємність котушок відносно землі, С₂ – ємність котушок відносно екрану.

Ємнісний екран

Рисунок 5.2 – Схема заміщення обмотки трансформатора

При дії на трансформатор імпульсів перенапруг в його обмотках виникають перехідні процеси, які призводять до значних імпульсних перенапруг в головній (по відношенню до землі) і повздовжній (між сусідніми витками і сусідніми котушками) ізоляції. При попаданні на обмотку трансформатора імпульсу напруги струми через індуктивність в початковий момент часу будуть рівні нулю. Початковий розподіл напруги вздовж обмотки, як і для гірлянди ізоляторів, буде визначатися повздовжніми і поперечними ємностями (залежність 1 – рисунок 5.3). Ємностями С₁, С₂ можна знехтувати.

1 – початковий розподіл, 2 – кінцевий розподіл.

U₀ U

2 1

0.25 0.5 0.75 1

Рисунок 5.3 – Розподіл напруги вздовж обмотки трансформатора при падінні прямокутної хвилі з амплітудою U₀ : 1 – початковий розподіл, 2 – кінцевий розподіл

Напруги між першими витками обмотки трансформатора можуть в 10-20 разів перевищувати ті, які відповідають рівномірному розподілу. В трансформаторах передбачають спеціальний внутрішній захист у вигляді ємнісних екранів і, тим самим, частково вирівнюють початковий розподіл напруги. Як відмічено раніше, при виході обмоток з пазів статора, електричне поле є неоднорідним і створює високу напруженість, що може викликати ковзні розряди навіть при робочій напрузі. Ці розряди руйнують ізоляцію і різко скорочують термін служби електричних машин. Для створення на цій ділянці однорідного поля на поверхню ізоляції наносять покриття, питомий опір якого на 3…4 порядки менший за поверхневий опір самої ізоляції.

Опис експериментальної установки

В роботі досліджується розподіл напруги по гірлянді, що складається з 7-ми ізоляторів типу ПС-60. До гірлянди ізоляторів від високовольтного трансформатора Тр через захисний опір R подається напруга (рисунок 5.4). За допомогою іскрового розрядника, який може бути встановлений на будь-якому елементі гірлянди, визначається напруга, що прикладена до елемента гірлянди. Момент появи іскри між електродами розрядника вказує, що напруга на ізоляторі відповідає напрузі спрацювання розрядника. Напруга спрацювання розрядника визначається відстанню між електродами і може бути визначена за даними таблиць або дослідним шляхом. В процесі дослідження ця напруга залишається постійною.

ЛАТР Tp R

Рисунок 5.4 – Схема експериментальної установки

Напруга, що подається на гірлянду ізоляторів з допомогою ЛАТРа, підвищується до моменту спрацювання розрядника. Це дозволяє визначити у відсотках ту частину прикладеної до гірлянди напруги, яка припадає на даний ізолятор

U_% = (U_Р / U_Г )·100 %,

де U_Р – напруга спрацювання розрядника, кВ;

U_Г – напруга прикладена до гірлянди, кВ;

Порядок виконання роботи

Ознайомитися зі схемою установки, розташуванням її елементів і об'єктів дослідження, з порядком проведення вимірювань і правилами техніки безпеки.

Виміряти розподіл напруги по елементах гірлянди ізоляторів без захисної арматури. Аналогічні виміри провести при наявності дефектного ізолятора, зашунтувавши один з ізоляторів провідником (будь-який перемикач від 1 до 7, рисунок 5.5). Результати вимірювань записати в таблицю 5.1.

Таблиця 5.1 – Результати вимірювання напруг на елементах гірлянди ізоляторів

Гірлянда ізоляторів	Напруга U, кВ (від струмоведучої частини) на ізоляторі номер
	1	2	3	4	5	6	7
без захисної арматури і дефектного ізолятора
без захисної арматури і з дефектним ізолятором
із захисною арматурою і дефектним ізолятором
з захисною арматурою і без дефектного ізолятора

Виміряти розподіл напруги по елементах гірлянди ізоляторів із захисною арматурою у вигляді кільця. Аналогічні виміри провести при наявності дефектного ізолятора. Результати вимірювань записати в таблицю 5.1.

Розподіл напруги на елементах гірлянди ізоляторів при наявності та відсутності захисної арматури чи дефектного ізолятора визначити у середовищі програми програми “Electronics Workbench”, скориставшись схемою, зображеною на рисунку 5.5. Для зміни параметрів будь-якого елементу схеми достатньо натиснути правою клавішею мишки на елементі і вибрати команду “Component Properties” (або двічі натиснути лівою клавішею мишки), після цього відкриється вікно встановлення параметрів елемента. Комутація в схемі здійснюється за допомогою цифрових клавіш на клавіатурі.

Рисунок 5.5 – Схема для дослідження розподілу напруги по елементах гірлянди ізоляторів за допомогою програми “Electronics Workbench”

Ознайомитися з методикою визначення напруг на елементах гірлянди ізоляторів за допомогою вимірювальної штанги.

Ознайомитися з конструкціями підвісних, опорних і прохідних ізоляторів.

Опрацювання результатів досліджень

За результатами вимірювань (пункти 2,3) побудувати графіки розподілу напруги по елементах гірлянди в залежності від кількості ізоляторів U_K(n).

Зробити висновки за результатами проведених експериментів.

Контрольні запитання

1. Як впливає збільшення власної ємності ізоляторів на розподіл напруг вздовж гірлянди?

2. Чому зі збільшенням робочої напруги гірлянди нерівномірний розподіл напруг на ізоляторах зростає?

3. Які заходи здійснюють для вирівнювання напруг на ізоляторах?

4. Від чого залежить розподіл напруги вздовж гірлянди при постійній напрузі?

5. Які способи застосовують для вирівнювання початкового розподілу напруги вздовж обмотки трансформатора?

6. В чому полягає причина невідповідності між початковим і вимушеним розподілом напруги вздовж обмотки трансформатора?