velikol.ru
1

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 9

Исследование распределения напряжения по гирлянде подвесных изоляторов


9.1.Цельработы

Изучить распределение напряжения по изоляторам гирлянды с помощью электрической схемы замещения. Исследовать распределение напряжения по гирлянде подвесных изоляторов методом непосредственного измерения. Ознакомиться с применением высоковольтной измерительной штанги и с методами выравнивания распределения напряжения по емкостным элементам.


9.2.Программа работы

Ознакомиться с испытательной установкой и правилами безопасности на рабочем месте.

Задание 1. Исследовать распределение напряжения по изоляторам гирлянды с помощью измерительной штанги на напряжении U1.

Задание 2.Определить распределение напряжения по гирлянде подвесных изоляторов на напряжении U2 (U2 > U1).

Задание 3. Определить распределение напряжения по элементам гирлянды с выравнивающим экраном.

Задание 4. Изучить распределение напряжения вдоль гирлянды при наличии одного или нескольких поврежденных изоляторов.

Задание 5. Определить относительное распределение напряжения по гирлянде подвесных изоляторов и коэффициент неравномерности распределения.

Задание 6. Определить зависимость коэффициента неравномерности распределения от числа элементов в гирлянде.

Задание 7. Построить зависимости относительного распределения напряжения по элементам гирлянды и сравнить с расчетными данными.

Задание 8. Построить зависимости коэффициента неравномерности распределения напряжения от числа элементов в гирлянде.

^ 9.3.Теоретические сведения

Для изолирования токоведущих проводов линий электропередачи на высоких напряжениях используются линейные изоляторы, которые по конструкции разделяются на тарельчатые, штыревые и стержневые. Тарельчатые и штыревые изоляторы изготавливают из электротехнического фарфора или закаленного стекла, стержневые – из высокопрочного фарфора или полимеров. В последнее время тарельчатые изоляторы, в основном, выпускают из закаленного стекла, так как они более дешевые и удобны в эксплуатации. Изоляторы спроектированы так, что в сухом состоянии напряжение перекрытия превышает пробивное напряжение приблизительно в 1,6 раза, что обеспечивает отсутствие пробоя при напряжениях. Одна из возможных конструкций тарельчатого изолятора представлена на рис. 9.1.


Рис. 9.1. Подвесной изолятор:

1. – изолирующее тело изолятора; 2 – шапка изолятора; 3 – пестик; 4 – песочно-цементная связка; 5 – прокладка; 6 – пружинный замок; 7 – паз; N1, N2 – направление силы нормального давления.

На рис. 9.2. представлены эскизы применяемых подвесных тарельчатых изоляторов:




Рис. 9.2. Подвесные тарельчатые изоляторы:

а) ПС 70-В; б) ПСГ 120-А; в) ПФГ 60-А; г) ПФГ 60-А.


Для изолирования токоведущих проводов линий электропередачи при высоких напряжениях используется последовательное включение подвесных изоляторов. Одним из наиболее важных способов контроля состояния изоляции линии электропередачи является определение распределения напряжения по отдельным элементам изоляционной конструкции. Этот способ позволяет периодически проверять состояние каждого изолятора без отключения линии.


Эскиз изолятора в гирлянде и возможные пути развития разряда даны на рис. 9.3.


Рис. 9.3. lp.G.изолятор сухой, напряжение повышенной частоты и коммутационный импульс; lp.и. – грозовой импульс; lр.q – при дожде, напряжение промышленной частоты; lу – длина пути утечки; lу.э. – эффективна длина пути утечки.

Изоляционную конструкцию, состоящую из отдельных звеньев, можно представить емкостной цепочкой, показанной на рис. 9.4.





Р

ис. 9.4. Конденсаторная цепь:

а) подвесная гирлянда на решетчатой мачте; б) Схема замещения гирлянды.


Схема замещения состоит из отдельных звеньев последовательно включенных конструктивных (собственных) емкостей С, определяемых диэлектрической постоянной материала, формой, размерами и взаимным расположением штыря и шапки изоляторов.

Напряжение по элементам гирлянды подвесных изоляторов распределяется неравномерно, т.е. на первом от провода элементе падения напряжения будет больше, чем на любом из следующих. При включении гирлянды изоляторов на переменное напряжение каждый элемент гирлянды можно представить некоторой ёмкостью С = 50 : 70 пкФ (рис. 9.4.). Кроме того, каждый изолятор будет обладать некоторой емкостью по отношению к земле: С1 = 4 : 5 пкФ и емкостью к проводу С2 = 0,5 : 1 пкФ. Емкостные токи, идущие через ёмкости С1 и С2 можно назвать поперечными, а ток по цепочке

ёмкостей С – продольным током. Если наложить продольные и поперечные ёмкостные токи гирлянды, то нетрудно видеть, что в ближайшем к проводу узле А величина тока, ответвляющегося на землю через ёмкость С1 будет больше величины тока, протекающего от провода через ёмкость С2, поэтому ток во втором от провода изолятора гирлянды будет меньше продольного тока, протекающего в первом изоляторе. В последних, ближайших к траверсе, изоляторах гирлянды соотношение величины емкостных токов на землю и на провод может оказаться другим; поперечные токи на землю оттекающие от узла В через ёмкость С1, могут оказаться меньше поперечных токов от провода через ёмкость С2; разность их увеличит продольный ток, протекающий через емкость изолятора, ближайшего к траверсе.

Степень неравномерности распределения напряжения ∆Ui по элементам гирлянды зависит, главным образом, от отношения: С1/С. Чем меньше это отношение, тем, очевидно, равномернее будут нагружены изоляторы, т.е. ослабляется влияние поперечных емкостных токов гирлянды на ее продольный емкостный ток по цепочке изоляторов. Отношение С2/С оказывает значительно меньшее влияние на распределение напряжения по элементам, однако в длинных гирляндах влияние С2 оказывается отчетливо, и величина Ui на элементах гирлянды, ближайших к траверсе, увеличивается.

Чем больше ёмкость С изолятора гирлянды, тем равномернее распределение напряжения по ее элементам.

Высокие напряженности поля на изоляторах вблизи провода могут приводить к коронированию, вызывающему старение изоляционного тела изолятора, окислительные процессы на металлической арматуре и радиопомехи.

Предположим, что к линейному электроду приложено переменное напряженно и, следовательно, через емкостную щепочку протекает ток.

При отсутствии ёмкостей С1 и С2 и равенстве ёмкостей С (рис. 9.4.) напряжения также равны между собой, так что распределение напряжения вдоль цепочки равномерное (рис. 9.5. а).

1,0


0,8


0,6


0,4


0,2

0

0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

Длина гирлянды, отн. ед.

Рис. 9.5. (а, б, в). Распределение напряжения вдоль гирлянды.


Рассмотрим влияние емкостей С1. Очевидно, вследствие ответвления тока в эти емкости токи, проходящие через собственные емкости изолятора, а следовательно, и падение напряжения на изоляторах будут тем меньше, чем дальше от провода находится изолятор (рис. 9.5. б).

При наличии ёмкостей С2, через эти емкости подтекает ток от линейного электрода к промежуточным, в результате чего происходит частичная компенсация тока, оттекающего по ёмкостям С1, и распределение напряжения вблизи электрода (линейного) выравнивается так, как это показано (рис. 9.5., кривая в).

В реальных условиях, т.е. при С1 > С2 ≠ 0, наибольшее напряжение прикладывается к изолятору, расположенному около провода, наименьшие напряжения – к изоляторам, находящимся в середине гирлянды, и несколько повышенные – к изоляторам у заземленного конца гирлянды.

Как показывают измерения, при одиночных проводах и числе изоляторов n > 6–10 на первый от провода изолятор приходятся 20-25% напряжения, приложенного ко всей гирлянде. В таких условиях на линиях 330 кВ и более высоких классов напряжения на ближайших к проводам изоляторах гирлянд рабочее напряжение будет достаточным для появления короны.

К
n
ривые распределения напряжения по элементам гирлянды при отсутствии и при наличии дефектных изоляторов приведены на рис. 9.6.




Р
n
ис. 9.6. Кривые распределения напряжения по элементам гирлянды при отсутствии (I) и при наличие (II) дефектных изоляторов.

Имеется несколько путей улучшения распределения напряжения по элементам гирлянды:

а) применяют изоляторы большой собственной емкости, например, стеклянные;

б) используют изоляторы, покрытые полупроводящей глазурью, что увеличивает активную составляющую продольного тока гирлянды и снижает

влияние поперечных емкостных токов;

в) применяют защитную арматуру в виде экранных колец, рогов, восьмерок, которые монтируются на обоих или только на линейном конце гирлянды.

Измерение распределения напряжения вдоль гирлянды изоляторов в эксплуатации производится с помощью высоковольтных контрольных или измерительных штанг. На электроды изолятора накладываются щупы, к которым подсоединен измерительный прибор или регулируемый искровой промежуток, которые крепятся на измерительной штанге (рис. 9.7.). Перенося щупы штанги с одного изолятора на другой, поочередно измеряют напряжение ∆Ui на изоляторах гирлянды.




Рис. 9.7. Положение измерительных щупов

Рис. 9.7.





Существует несколько типов штанг в зависимости от конструкции измерительного устройства.

  1. Жужжащие штанги. Одним концом вилки касаются шапки испытуемого, а другим – шапки соседнего изолятора. Если при постепенном шунтировании изолятора не возникает искрового разряда с характерным треском, то такой элемент считается дефектным.

  2. Штанги с искровым промежутком. К концам вилки, которые изолированы друг от друга, присоединен небольшой шаровой разрядник. При помощи специального приспособления можно изменять расстояние между шарами. Отсутствие разряда на шарах до полного их сближения будет указывать на то, что изолятор пробит. При наличии пробитого изолятора в гирлянде замыкание через искру при измерениях напряжения на одном из здоровых изоляторов может привести к перекрытию гирлянды. Во избежание таких замыканий в штангах для контроля изоляторов предусмотрен последовательно включенный с искровым промежутком конденсатор, который должен быть рассчитан на фазовое напряжение сети, в которой производят испытания изоляторов.

  3. Наиболее совершенной является универсальная измерительная штанга, на конструкции которой мы остановимся подробнее, поскольку она используется в данной работе (рис. 9.7.). Основными элементами штанги являются: свертываемые бакелитовые трубки и измерительная головка. Головка штанги представляет собой короткую бакелитовую трубку 1, на которой закреплены два съемных щупа 2. Внутри головки находится сопротивление 70 МОм. Ниже на бакелитовой трубке закреплён прибор (милливольтметр) 4. Данная штанга предназначена для контроля изоляторов и измерения сопротивления контактов. При измерении напряжения на изоляторе переключатель прибора должен быть всегда в положении "-5-". Тогда напряжение на изоляторе можно найди по уравнению (9.1)

∆Ui = 5 * показания прибора (9.1)

Как контрольные, так и измерительные штанги позволяют установить наличие дефектных изоляторов, но не дают точного -значения падения напряжения.

^

Инструкция по эксплуатации


Перед сдачей в эксплуатацию, а также в процессе эксплуатации штангу периодически осматривать и испытывать одни раз в три месяца в сезон измерений, но не реже одного раза в год.

Испытывать штангу по программе и нормам, соответствующим заводскому протоколу контрольного испытания штанг.

Нельзя применять штангу в установках с напряжением, превышающим наибольшее допустимое рабочее напряжение, а также пользоваться штангой срок испытания которой истек.

Перед применением штангу необходимо обтереть сухим, мягким материалом, проверить ее исправность и надежность крепления рабочей части к изолирующей. Запрещается применять штангу с нарушенным лаковым покрытием изоляционной части.

^

Правила работы со штангой


1. Для контроля состояния изоляторов к штанге крепят измерительное устройство со щупами (рис. 9.4.).

2. Для проверки состояния контактных соединителей к штанге крепят измерительное устройство со щупами, показанное на рис. 9.7.

Производят два или три замера. В первом и втором измерении на проверяемое контактное соединение симметрично накладывают щупы с насечкой.

Для сравнения производят третий замер, для чего щупы накладывают на целый провод или шину.

Качество контактного соединения оценивается сравнением падения напряжения от тока нагрузки Uk на участке, содержащем контакт, с падением напряжения на участке, такой же длинны целого провода Un при одной и той же токовой нагрузке:

Uk

К =

Un


При хранении, а также транспортировке выездными бригадами штанги предохранять от механических повреждений и сырости.

При длительном хранении штанги помещать в сухие склады, свободные от агрессивных паров или газов, с температурой от 5°С до 20°С.

Кроме вышеизложенного, пользование штангой должно быть в полном соответствии с требованиями «Правил пользования и испытаниях защитных средств, применяемых в электроустановках».

Как контрольные, так и измерительные штанги позволяют установить наличие дефектных изоляторов, но не дают точного значения падения напряжения на каждом элементе гирлянды.


^ 9.4. Высоковольтная установка

Электрическая схема лабораторного стенда приведена на рис. 9.9. Установка состоит из регулятора напряжения (РТ1), высоковольтного трансформатора (Т2), защитного сопротивления (R1), измерительного прибора (КV) и испытуемых объектов. Установка снабжена блокировкой, заземляющей штангой, защитными средствами от поражения электрическим током, защит­ной арматурой (З ).

Подача напряжения на лабораторную установку осуществляется с щита управления. При закрытой двери срабатывает блокировка и загорается зеленая сигнальная лампочка. Включение установки под напряжением осуществляется автоматическим выключателем , при этом загорается красная лампочка. Автотрансформатор служит для регулирования напряжения первичной цепи высоковольтного трансформатора .

Вольтметр (КV) предназначен для регистрации действующего значения напряжения. Высоковольтный трансформатор служит для получения высокого напряжения промышленной частоты.


^ 9.5. Порядок работы

Ознакомиться с конструкцией высоковольтной измерительной штанги и правилами безопасной работы.

К заданию 1.

С помощью измерительной штанги исследовать распределение напряжения по изоляторам гирлянды на напряжении U1, указанного преподавателем. Результаты занести в таблицу 9.1.

Таблица 9.1.


Номер задания по программе работы

Номер элемента гирлянды

Напряжение приложенное к гирлянде


Напряжение на i-том элементе гирлянды

Относительное значение напряжения на i-ом элементе

Относительное значение напряжения на i-ом элементе с поправкой

Коэффициент неравномерности

Среднее падение напряжения на элементе гирлянды





U0, кВ

Ui, кВ

Ui, ср. кВ


∆Ui, %


∆Ui, %


Кн

Uср, потен-циал на элементе

1

2

3


1) На напряжение U1

































2) На напряжение U2

































3) С экранным кольцом на линейном конце гирлянды

































4) Гирлянда с дефектным изолятором

































К заданию 2.

Провести исследования при напряжении U2 > U1 (величину напряжения определяет преподаватель).

Результаты занести в таблицу 9.1.


К заданию 3.

Провести те же исследования, но с экранирующим кольцом.

Для этого укрепить на линейном конце гирлянды экранное кольцо и произвести измерение распределения напряжения по элементам гирлянды в порядке, описанном в задании 2, т.е. при напряжении U2. Результаты занести в таблицу 9.1.


К заданию 4.

Провести исследования при напряжении U2 при наличии одного или нескольких поврежденных изоляторов.

Результат измерений занести в табл. 9.1.


К заданию 5.

Определить по данным таблицы 9.1. относительное распределение напряжения по гирлянде подвесных изоляторов по экспериментальным данным и с учетом поправки и коэффициента неравномерности по п.п. 1, 2, 3, 4.

Данные расчетов занести в табл. 9.1.


К заданию 6.

Определить зависимость коэффициента неравномерности распределения от числа элементов в гирлянде по п.п. 1, 2, 3, 4.


К заданию 7.

По данным п. 5 построить зависимости относительного распределение напряжения; по элементам гирлянды и сравнить с расчетными данными.


К заданию 8.

По данным п. 6 построить зависимости коэффициента неравномерности распределения напряжения от числа элементов в гирлянде.


^ 9.6. Содержание отчета

1. Отчет должен содержать принципиальную схему установки и емкостную схему замещения гирлянды;

2. По полученным данным табл. 9 1. построить на одном графике 3 кривые падения напряжения на элементах гирлянды в процентах от приложенного напряжения в зависимости от номера элемента (по пунктам 1, 2 и 3):

Иi % = f (i)

3. Записать падение напряжения на изоляторах измеренное с помощью высоковольтной измерительной штанги и указать дефектный изолятор.

4. Определить в кВ потенциал на шапке каждого изолятора гирлянды в измерениях по п. 1. Потенциал на шапке первого (от провода) изолятора определить по формуле:

Р1 = U2 – (U1 / 100) * U2

второго изолятора по формуле:

Р2 = P1 - U2 * U2 / 100


и т.д. При отсутствии ошибок в измерениях на шапке последнего элемента должно получиться Рn = 0. Напряжение U2 следует брать наибольшее, поданное на гирлянду в измерениях по п.1.


5. По уравнению (9.5) проверить правильность результатов, полученных в п.1.

6. На основе анализа полученных данных сделать выводы по работе.


^ 9.7. Методические указания

Бригада студентов допускается к работе после ознакомления с описанием стенда, прохождения инструктажа на рабочем месте и с росписью в журнале по ТБ.

Величина приложенного напряжения и число элементов в гирлянде задается преподавателем.

Произвести необходимые электрические соединения обеспечивающие подачу на гирлянду изоляторов переменного напряжения промышленной частоты.

Расчет напряжения на элементе от провода производится по формуле:

U0 sh α (n – i) sh α i

U1 = { C2 + C1 - C2 } (9.3)

C1 + C2 sh α n sh α n


С1 + С2

α = √

К



где U0 – напряжение приложенное к гирлянде,

С1 – паразитные емкости на землю (5 пкФ),

С2 – паразитные емкости на провод (0,5 пкФ),

К – собственная емкость изолятора (40 пкФ),

n – число элементов в гирлянде.


Относительное значение напряжение на К элементе определится как:

Uk

∆Uk% = * 100% (9.4)

U0
^

Коэффициент неравномерности равен


Umax

Кн =

Ucр


где Umax – максимально загруженный элемент гирлянды.

U0

Uср = - среднее падение напряжения

n


Критерием правильности полученных результатов является выполнение уравнения (9.5.).

n

∑ U1 % = 100 % (9.5)

i=1

где n – число элементов в гирлянде.

Относительная плотность воздуха определяется по формуле:

0,386 * Р

δ = (9.6)

273 + tºC


^ 9.8. Элементы научных исследований

Исследовать влияние измерения паразитных ёмкостей С1 и С2 на распределение напряжения по элементам гирлянды по формулам (9.3….9.5).


Контрольные вопросы

  1. Назовите основные механические и электрические характеристики изоляторов.

  2. Опишите конструкции подвесных изоляторов.

  3. Чем объясняется неравномерное распределение напряжений на гирлянде изоляторов?

  4. Для чего применяется арматура на гирляндах подвесных изоляторов?

  5. Как производится выбор числа изоляторов к гирлянде и минимальных воздушных промежутков на опоре?

  6. Определить вероятность перехода импульсного перекрытия в силовую дугу при межфазном перекрытии на деревянной опоре 110 кв. Изоляция линии – 6 изоляторов П - 4,5 в гирлянде, расстояние между фазами по дереву – 4 м.

  7. Как будет влиять увеличение собственной емкости изоляторов на распределение напряжения вдоль гирлянды?

  8. Меры по выравниванию распределения напряжения вдоль гирлянды.

  9. Перечислите виды защитной арматуры. Дайте сравнительную характеристику.

  10. Почему при изменениях высокого напряжения применяются шаровые разрядники?

  11. Какая емкость увеличивается в схеме замещения при применении защитной арматуры?

  12. Для чего в грозоупорных трансформаторах применяется емкостная компенсация?

  13. Почему защитная арматура не применяется для линий напряжением 110 кВ и ниже?




Гирлянда

изоляторов



QF-автоматический выключатель

PV1-киловольтметр

SA-выключатель ВН

HL1;HL2-сигнальные лампы

КМ1.1;КМ1.2-контакты реле

SB-кнопка включения

КА-реле защиты

КА2.1-контакты реле отключения
Принципиальная схема установки