Глава 14

НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНИКИ ВЫСОКИХ НАПРЯЖЕНИЙ В СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

14.1. Испытание изоляции

Использование высоких напряжений в СЭС требует решения комплекса вопросов, касающихся обеспечения безаварийной ра­боты изоляции. Уровень изоляции (напряжение, которое она мо­жет выдержать, не повреждаясь) в первую очередь определяется номинальным напряжением установки, в которой изоляция бу­дет работать. Но во время эксплуатации вследствие различных внут­ренних и внешних причин к изоляции могут прикладываться на­пряжения, значительно превышающие номинальное. Это так на­зываемые перенапряжения, которые можно разделить на атмос­ферные, связанные с разрядами молнии, и внутренние, возника­ющие при различных нормальных или аварийных коммутациях в СЭС либо при резком изменении режима ее работы.

Чтобы изоляция надежно работала при возникновении таких перенапряжений, она должна выдерживать напряжения, более вы­сокие, чем номинальное. Эти напряжения, называемые испыта­тельными, определяют электрическую прочность изоляции. Зна­чения кратковременных испытательных напряжений промышлен­ной частоты устанавливает ГОСТ 15161 — 99.

Некоторые электроустановки (например, кабельные сети с но­минальным напряжением не более 20 кВ) полностью ограждены от воздействия атмосферных перенапряжений, поэтому электро­оборудование в этих случаях может иметь облегченную изоляцию.

В процессе эксплуатации первоначальные диэлектрические свой­ства изоляции постепенно ухудшаются под влиянием внешних воз­действий. Многие изоляционные конструкции работают при по­вышенных температурах, подвергаются механическим воздействи­ям (например, при коротком замыкании), увлажнению, загряз­нению. Все эти факторы способствуют ускорению процесса старе­ния изоляции, во время которого в изоляции могут развиваться различные дефекты, снижающие ее электрическую прочность. В ре­зультате последняя может уменьшиться настолько, что изоляция

будет пробита под действием перенапряжений или даже нормаль­ного напряжения установки.

Для своевременного обнаружения развивающихся дефектов в изоляции разработана система профилактических испытаний в со­ответствии с ПУЭ.

Высоковольтное электрооборудование испытывают повышен­ным напряжением переменного тока частотой 50 Гц в течение 1 мин при вводе в эксплуатацию и периодически при капиталь­ных ремонтах.

Изоляцию кабельных линий испытывают повышенным напря­жением постоянного тока в течение 5 мин.

Установка, собранная по схеме, показанной на рис. 14.1, по­зволяет испытывать выпрямленным током изоляцию кабельных линии и оборудование распределительных устройств (РУ).

До и после испытания изоляции повышенным напряжением рекомендуется проводить осмотр испытуемого объекта и измере­ние сопротивления изоляции мегаомметром.

Дефекты изоляции можно разделить на сосредоточенные и рас­пределенные. Сосредоточенные дефекты возникают в относитель­но небольшой части всего объема диэлектрика. Примером может служить трещина в фарфоре под шапкой подвесного изолятора, образующаяся от механических нагрузок. Такая трещина снижает механическую прочность и резко уменьшает пробивное напряже­ние изолятора.

Примером распределенного дефекта является увлажнение на­ружных слоев многослойной изоляции, которое происходит в ре­зультате впитывания влаги из окружающей среды.

Рис. 14.1. Схема установки для испытания изоляции повышенным напря­жением:

77, Т2 — регулировочный и испытательный трансформаторы; FU — предохранители; Р — измерительный прибор; R1—R10— резисторы делителя напряжения; R11 — шунт к измерительному прибору; R12 — добавочный реpзистор к

прибору; SN — переключатель измерения (встроен в прибор), B-высоковольтный вывод, 3 — заземленный вывод

Наиболее распространенный способ обнаружения общего ухуд­шения состояния диэлектрика — измерение тангенса угла диэ­лектрических потерь 1§5 . Старение и увлажнение изоляции при­водят к росту диэлектрических потерь и могут быть обнаружены измерением 1§8 высоковольтным мостом. Но этот метод не выяв­ляет многих сосредоточенных дефектов. В изоляции может про­изойти частичный пробой диэлектрика, в месте которого, как это часто образуется проводящий канал за счет обугливания изоля­ции. Такой дефект, приводящий к сильному снижению пробив­ной прочности, может быть обнаружен приложением повышен­ного испытательного напряжения.

14.2. ЗАЩИТА ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ ОТ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ

Перенапряжением, как уже отмечалось в подразд. 14.1, назы­вается кратковременное повышение напряжения до значения, опасного для изоляции электрооборудования. Перенапряжения воз­никают вследствие электромагнитных колебательных процессов, вызванных изменением режима работы электрических цепей и при разрядах молнии. Главную опасность в электрических установках напряжением 1... 220 кВ представляют возникающие при грозовых разрядах атмосферные перенапряжения.

Процесс атмосферного перенапряжения упрощенно можно представить следующим образом. Нижняя часть грозового облака (обычно заряженная отрицательно) и земля образуют своего рода конденсатор с обкладками облако — земля (рис. 14.2). По мере накопления отрицательных зарядов облака и положительных за­рядов земли растет напряженность электрического поля между ними. Когда напряженность в каком-нибудь месте достигает кри­тического значения (25...30 кВ/см), воздух ионизируется и начи­нается развитие разряда с облака на землю.

Перед моментом разряда в проводах линии электропередачи возникает электрический ток, обусловленный притягиванием по­ложительных зарядов с дальних участков линии к месту располо­жения облака. После разряда молнии электрическое поле исчезает вследствие нейтрализации зарядов облака и земли, накопившие­ся в линии заряды больше не удерживаются электрическим полем и начинают растекаться к обоим концам линии. Так возникают две электромагнитные волны индуктированного перенапряжения, движущиеся по линии в противоположных направлениях со ско­ростью света.

Прямой удар молнии в линию электропередачи при этом не обязателен. Но если он происходит, то также приводит к образо­ванию двух волн перенапряжения, идущих вдоль линии в противоположные стороны.

В данной ситуации перенапряжение осо­бенно велико, амплитуда тока молнии I_м достигает в среднем 25 кА, а в одном случае из ста — 200 кА. Между проводами и зем­лей возникает напряжение, кВ, определяемое по эмпирической формуле и = Ю0/_м.

Если это напряжение превы­шает электрическую прочность изоляции в какой-либо точке линии или на подстанции, то происходит перекрытие изоля­ции, ее пробой и короткое за­мыкание.

Электрические установки на подстанциях защищают от пря­мых ударов молнии вертикаль­ными стержневыми молниеотводами, а линии — горизонтальны­ми молниеотводами. Вертикальный стержневой молниеотвод пред­ставляет собой высокий столб с проложенным вдоль него сталь­ным проводом, который соединен с заземлителем. Горизонталь­ный молниеотвод представляет собой провод, расположенный над фазными проводами линии на тех же опорах. Чем выше над защи­щаемым объектом расположен молниеотвод, тем больше его за­щитная зона, в которой молниеотвод как бы перехватывает мол­нию и отводит ее в землю.

Защитная зона вертикального молниеотвода имеет вид конуса с радиусом r_х на высоте h_х (рис. 14.3). Значение r_х определяют по формуле

где h_а — разность высот молниеотвода и защищаемого объекта, h_а = = h - h_х; р — коэффициент, р = 1 при h < 30 м, при h > > 30 м.

Для защиты объектов, занимающих большую площадь (напри­мер, открытых подстанций), применяют два или четыре верти­кальных молниеотвода. Площадь защитной зоны группы из двух и особенно из четырех молниеотводов значительно больше, чем сумма площадей защитных зон двух или четырех одиночных мол­ниеотводов. Необходимое условие защищенности всей площади четырьмя молниеотводами:

Рис. 14.3. Защитная зона молние­отвода:

1 — защищаемый объект; 2 — мол­ниеотвод

где В — расстояние между молние­отводами по диагонали.

Тросовые молниеотводы защи­щают линию на всей протяженно­сти тросов.

Для отвода токов разряда мол­нии в землю молниеотводы при­соединяются к заземляющему ус­тройству (заземлителю) на под­станции и на каждой опоре линии. Заземлители выполняют из сталь­ных труб, прутков или уголков, вбиваемых в землю. Сопротивле­ние заземлителей опор линий электропередачи должно быть не более 30 Ом, сопротивление заземляющего устройства подстан­ции — не более 0,5 Ом.

Защита зданий, закрытых подстанций, распределительных ус­тройств от прямых ударов молнии выполняется заземлением молниеприемной сетки, железобетонных несущих конструкций кровли или металлического покрытия кровли. При отсутствии металли­ческих покрытий на крыше здания устанавливают стержневые мол­ниеотводы. Открытые РУ и подстанции защищают стержневыми молниеотводами, устанавливаемыми на опорах РУ. Подходы воз­душных линий напряжением 35 кВ защищают тросовыми молние­отводами на протяжении 1 ...4 км, а линии напряжением 110 кВ и выше — по всей длине. Требования к молниезащите и конструк­ции ее устройств приведены в ПУЭ.

Наличие молниезащиты воздушных линий и подстанций не предотвращает возникновение атмосферных перенапряжений при разрядах молнии вблизи подстанций и линий. Поэтому грозоза­щита воздушных линий, подстанций и РУ предусматривает уста­новку на линиях, не защищенных тросами по всей длине, трубча­тых разрядников, установку в РУ вентильных разрядников, при­менение на изоляторах защитных промежутков.

Разрядники настраивают так, чтобы происходил пробой их раз­рядных промежутков при возникновении перенапряжения: в ус­тановках напряжением до 35 кВ — до 9С1_и, в установках напряже­нием 35 кВ — до А11_Н, в установках напряжением 110 кВ и выше — до (2,4... 2)1/„. В результате пробоя импульс напряжения отводится в землю, после чего дуга в разряднике гаснет при переходе тока через нулевое значение.

В пожаро - и взрывоопасных электроустановках возникает по­вышенное напряжение еще одного вида, с которым необходимо считаться и принимать меры противодействия. При наполнении резервуаров и сливных операциях возможно образование зарядов статического электричества. В результате трения происходит элек­тризация потока сжатого воздуха, ременных передач и т.д. Заряды статического электричества резко увеличиваются при наличии при­месей воды, пыли или грязи в потоке жидкости, газа.

Основной мерой защиты от возникновения искр при разряде статического электричества служит заземление резервуаров, тру­бопроводов, сливо-наливных устройств. Кроме того, запрещается сливать жидкость свободно падающей струей и применять ремен­ные передачи в пожароопасных помещениях.

Контрольные вопросы

1. Для чего проводят испытание электрооборудования и кабелей по­вышенным напряжением?

2. Как осуществляется защита линий и подстанций от атмосферных перенапряжений?

3. Какие приборы и установки применяют для испытания прочности изоляции кабелей и электрооборудования?

4. Что называют защитной зоной молниеотвода?

5. Как работают вентильные разрядники?

6. Что характеризует тангенс угла диэлектрических потерь?

7. Назовите причины возникновения перенапряжений.

8. Какие разрядники устанавливают в электроустановках?

9. Что такое внутреннее перенапряжение?

10. Какие факторы влияют на старение изоляции?

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Блок В.М. Пособие по курсовому и дипломному проектированию для электроэнергетических специальностей вузов / В. М. Блок. — М : Высш. шк„ 1990.

2. Конюхова Е.А. Электроснабжение объектов / Е.А. Конюхова. — М. : Изд. центр «Академия», 2004.

3. Липкин Б. Ю. Электроснабжение промышленных предприятий и ус­тановок/Б. Ю.Липкин. — М. : Высш. шк., 1990.

4. Правила устройства электроустановок. — М. : Энергоатом издат, 1999.

5. Сибикин Ю.Д. Монтаж, эксплуатация и ремонт электрооборудова­ния промышленных предприятий и установок/ Ю.Д.Сибикин, М. Ю.Си­бикин. — М. : Высш. шк., 2003.

6. Сибикин Ю.Д. Справочник по эксплуатации электроустановок про­мышленных предприятий / Ю.Д. Сибикин, М.Ю. Сибикин. — М. : Высш шк., 2001.

7. Сибикин Ю.Д. Электроснабжение промышленных предприятий и установок / Ю.Д.Сибикин, М.Ю.Сибикин, В.А.Яшков. - М. : Высш. шк., 2001.

8. Справочная книга для проектирования электрического освещения / [Г. М.Кноринг, Ю. Б.Оболенцев, Р. И.Берим, В.М.Крючков] ; под ред. Г. М.Кноринга. — М. : Энергия, 1976.

9. Умов П. А. Обслуживание городских электрических сетей/ П.А.Умов — М. : Высш. шк., 1997.

10. Шеховиов В. П. Расчет и проектирование схем электроснабжения / В. П.Шеховцов. — М. : Форум-Инфра М, 2004.

11. ВСН-97 — 75. Указания по проектированию городских электриче­ских сетей. — М. : Госстрой России, 2000.

12. СП31-110—2003. Проектирование и монтаж электроустановок жи­лых и общественных зданий. — М. : Госстрой России, 2003.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие................................................................................................. 3

Введение....................................................................................................... 5