Изоляция и перенапряжения в электрических системах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Контрольная работа

Изоляция и перенапряжения в электрических системах

Выполнила: Проверил:

учащаяся группы Э - 4 преподаватель

уч. шифр 61 Семенцов Г.М.

Бельская Ю.Н.



1. Принцип действия разрядников, их типы

1.1 Искровые и трубчатые разрядники

Разрядники являются защитными аппаратами. Они предназначены для защиты изоляции электрооборудования от перенапряжений.

Разрядник состоит из двух электродов и дугогасительного устройства.

Один из электродов крепится на защищаемой цепи, второй электрод заземляется. Пространство между электродами называется искровым промежутком. При определенном значении напряжения между двумя электродами искровой промежуток пробивается, снимая тем самым перенапряжение с защищаемого участка цепи. Одно из основных требований, предъявляемых к разряднику -- гарантированная электрическая прочность при промышленной частоте (разрядник не должен пробиваться в нормальном режиме работы сети).

После пробоя импульсом искровой промежуток достаточно ионизирован, чтобы пробиться фазным напряжением нормального режима, в связи с чем возникает короткое замыкание и, как следствие, срабатывание устройств РЗА, защищающих данный участок. Задача дугогасительного устройства -- устранить это замыкание в наиболее короткие сроки до срабатывания устройств защиты.

Воздушный разрядник (трубчатый) представляет собой дугогасительную трубку из полимеров, способных подвергаться термической деструкции с выделением значительного количества газов и без значительного обугливания -- полихлорвинила или оргстекла (первоначально, в начале XX века, это была фибра), с разных концов которой закреплены электроды. Один электрод заземляется, а второй располагается на определенном расстоянии от него (расстояние определяет напряжение срабатывания, или пробоя, разрядника) и имеет прямое электрическое подключение к защищаемому проводнику линии. В результате пробоя в трубке возникает интенсивная газогенерация (плазма), и через выхлопное отверстие образуется продольное дутье, достаточное для гашения дуги. В воздушном разряднике открытого типа выброс плазменных газов осуществляется в атмосферу. Напряжение пробоя воздушных разрядников -- более 1 кВ.

Конструкция и принцип действия газового разрядника идентичны воздушному разряднику. Электрический разряд происходит в закрытом пространстве (керамическая трубка), заполненном инертными газами. Технология электрического разряда в газонаполненной среде позволяет обеспечить лучшие характеристики скорости срабатывания и гашения разрядника. Напряжение пробоя газонаполненного разрядника -- от 60 вольт до 5 киловольт. В сигнальных электрических цепях соответствующего напряжения в качестве разрядника может использоваться миниатюрная неоновая лампа.

Вентильный разрядник состоит из двух основных компонентов: многократного искрового промежутка (состоящего из нескольких последовательно соединенных единичных искровых промежутков) и рабочего резистора (состоящего из последовательного набора вилитовых дисков). Многократный искровой промежуток последовательно соединен с рабочим резистором. В связи с тем, что вилит меняет характеристики при увлажнении, рабочий резистор герметично закрывается от внешней среды. Во время перенапряжения многократный искровой промежуток пробивается, задача рабочего резистора -- снизить значение сопровождающего тока до величины, которая сможет быть успешно погашена искровыми промежутками.

Вилит обладает особенным свойством -- его сопротивление нелинейно -- оно падает с увеличением значения силы тока. Это свойство позволяет пропустить больший ток при меньшем падении напряжения. Благодаря этому свойству вентильные разрядники и получили своё название. Среди прочих преимуществ вентильных разрядников следует отметить бесшумность срабатывания и отсутствие выбросов газа или пламени.

Рисунок 1. Вентильный разрядник РВМК-1150

РВМГ состоит из нескольких последовательных блоков с магнитным искровым промежутком и соответствующего числа вилитовых дисков. Каждый блок магнитных искровых промежутков представляет собой поочередное соединение единичных искровых промежутков и постоянных магнитов, заключенное в фарфоровый цилиндр.

При пробое в единичных искровых промежутках возникает дуга, которая за счет действия магнитного поля, создаваемого кольцевым магнитом, начинает вращаться с большой скоростью, что обеспечивает более быстрое, по сравнению с вентильными разрядниками, дугогашение.

Принцип работы искрового разрядника основан на использовании эффекта скользящего разряда, который обеспечивает большую длину импульсного перекрытия по поверхности разрядника, и предотвращении за счет этого перехода импульсного перекрытия в силовую дугу тока промышленной частоты. Разрядный элемент искрового разрядника, вдоль которого развивается скользящий разряд, имеет длину, в несколько раз превышающую длину защищаемого изолятора линии.

Конструкция разрядника обеспечивает его более низкую импульсную электрическую прочность по сравнению с защищаемой изоляцией. Главной особенностью искрового разрядника является то, что вследствие большой длины импульсного грозового перекрытия вероятность установления дуги короткого замыкания сводится к нулю.

Существуют различные модификации искровых разрядников, отличающиеся назначением и особенностями воздушных линий, на которых они применяются.

Искровые разрядники предназначены для защиты воздушных линий электропередачи напряжением 6 -10 кВ трехфазного переменного тока с защищёнными и неизолированными проводами от индуктированных грозовых перенапряжений и их последствий, и прямого удара молнии; рассчитаны для работы на открытом воздухе при температуре окружающего воздуха от минус 60 °C до плюс 50°C в течение 30-и лет.

Основное преимущество искрового разрядника: разряд развивается вдоль аппарата по воздуху, а не внутри его. Это позволяет значительно увеличить срок эксплуатации изделий и повышает их надежность.



2. Конструкция изоляции трансформаторов

2.1 Внешняя и внутренняя изоляция трансформаторов

Электрическая прочность изоляции трансформатора обеспечивается правильным выбором ее конструкции, материала и минимально допустимых расстояний (изоляционных промежутков) в соответствии с классом напряжения трансформатора. Выбранная изоляция трансформатора должна предохранять его токоведущие части обмотки, отводы, переключатели, вводы от пробоя на землю и между ними, как при нормальном рабочем напряжении, так и при возможных перенапряжениях. Изоляция трансформатора должна выдерживать нормированные испытательные напряжения при приемо-сдаточных и типовых испытаниях трансформатора.

Расположение изоляционных промежутков зависит от конструкции трансформатора, т. е. от взаимного расположения обмоток, магнитопровода, бака и других частей. В процессе развития трансформаторостроения определялись основные варианты изоляционных конструкций для концентрических и чередующихся обмоток.

В трансформаторе стержневого типа с концентрическими обмотками (рисунок 2 а) основными промежутками главной изоляции являются следующие: канал между обмоткой НН и магнитопроводом, канал между обмотками ВН и НН, промежутки между обмоткой ВН и стенкой бака, между обмотками разных фаз (междуфазное расстояние) и между торцами обмоток НН и ВН и ярмами.

При дисковой чередующейся обмотке (рисунок 2 б) основными промежутками главной изоляции являются следующие: промежуток между катушками ВН и НН, между катушками этих обмоток и стержнем, стенкой бака, катушками соседней фазы, между крайними катушками обмотки НН и ярмом.



Рисунок. 2. Изоляционные промежутки главной изоляции.

а - при концентрических обмотках; б - при дисковой чередующейся обмотке; 1 - стенка бака; 2 - стержень магнитопровода; 3 - ярмо.

Рисунок 3. Типы изоляционных промежутков.

Рисунок 4. Изменение изоляционных расстояний и усложнение структуры главной изоляции обмоток с ростом класса напряжения.

а -- масляный или воздушный; б -- с барьером; е--с покрытием; г -- барьер без масляного или воздушного промежутка; д -- с барьером и покрытием; е -- с двумя барьерами.



Минимально допустимые размеры изоляционных промежутков завися от изоляционных материалов, которыми заполняются эти промежутки. В существующих конструкциях изоляционный промежуток может быть заполнен маслом или воздухом, твердой изоляцией (электроизоляционный картон, кабельная бумага) или комбинацией из этих материалов (рисунок 3). Размеры изоляционных промежутков главной изоляции обмоток существенно возрастают с ростом класса напряжения трансформатора (рисунок 4), что приводит к увеличению расхода изоляционных материалов, а также к увеличению массы и габаритов обмоток и активной части.

В практике трансформаторостроения наибольшее распространение получила маслобарьерная главная изоляция обмоток, состоящая из различных комбинаций масляных каналов или промежутков с барьерами в виде цилиндров, простых и угловых шайб из электроизоляционного картона или кабельной бумаги.

Достоинством маслобарьерной изоляции является более простая (по сравнению с бумажно-масляной) технология изготовления обмоток, изоляции, сборки активной части, ее сушки и пропитки маслом. В отечественных сериях силовых трансформаторов главная изоляция обмоток--маслобарьерная. В настоящее время разработаны конструкции усовершенствованной маслобарьерной изоляции с уменьшенным основным изоляционным промежутком -- радиальным расстоянием между обмотками. Возможности маслобарьерной изоляции еще полностью не изучены, и есть данные, свидетельствующие о том, что эти возможности еще не исчерпаны.

На рисунке 5 показана конструкция главной изоляции трансформатора класса напряжения 35 кВ. В этой конструкции изоляция между обмотками ВН и НН 6 и 8 между обмоткой НН и стержнем магнитопровода 3 выполнена в виде масляного промежутка, разделенного изоляционными (жесткими бумажно-бакелитовыми) цилиндрами 5, 7. Обмотки НН и ВН намотаны на бумажно-бакелитовых цилиндрах, являющихся каркасом обмотки. Электрическую прочность продольной изоляции обеспечивают правильным выбором витковой и междукатушечной изоляции. Изоляция между витками обеспечивается собственной изоляцией обмоточного провода.

Рисунок 5. Строение изоляции и обмоток трехфазных трансформаторов класса напряжения 35 кВ.

1 и 2 -- деревянные стержни крепления; 3 -- магнитопровод: 4 -- скругленная деревянная планка расклинивания: 5 -- бумажно-бакелитовый цилиндр обмотки НН; 6 -- непрерывная обмотка НН; 7 -- бумажно-бакелитовый цилиндр обмотки ВН; 8 -- непрерывная обмотка ВН; 9 -- междуфазная перегородка; 10 -- щиток, закрывающий ярмо; 11 -- опорные кольца обмотки ВН; 12 -- ярмовая изоляция; 13 -- рейка обмотки ВН; 14 -- опорные кольца обмотки НН; 15 -- рейка обмотки НН; 16 -- прокладка обмотки ВН; 17 -- электрокартонная шайба; 18 -- вертикальная стальная шпилька, изолированная бумажно-бакелитовой трубкой: 19 -- ярмовая балка; 20-- планка уравнительной изоляции; 21 и 22 -- изолированный отвод (конец) обмотки.



Рисунок 6. Строение изоляции и обмоток трехфазных трансформаторов класса напряжения 110 кВ. 1 -- ярмовая изоляция; 2 -- шайба с П-образными подкладками; 3--нижний барьер; 4 -- обмотка НН; 5 -- угловые шайбы; 6 -- рейка обмотки ВН; 7 -- обмотка ВН; 8 -- цилиндры обмотки ВН; 9 -- планка из электрокартона; 10 -- емкостное кольцо обмотки ВН; 11 -- междуфазная перегородка; 12 -- шайба с П-образными подкладками; 13 -- шайба с приклепанными подкладками; 14 -- стальное нажимное кольцо.

Междукатушечная изоляция в непрерывной обмотке осуществляется радиальными масляными каналами, образуемыми дистанционными прокладками 16, надетыми на рейках 13 и 15. Электрокартонные рейки, расположенные по окружности обмотки, как показано на рисунке 5, создают вертикальные каналы между цилиндром и проводниками обмотки.

Детали радиального крепления удерживают обмотки концентрично относительно стержня магнитопровода и относительно друг друга и образуют для витков внутренних обмоток опоры, воспринимающие направленные внутрь обмоток радиальные усилия короткого замыкания. Радиальное крепление цилиндра обмотки НН на стержне магнитопровода осуществляется нормализованными деревянными стержнями 1,2 и планками 4. Между обмотками ВН различных фаз устанавливают междуфазную изоляцию.

В трансформаторах малой и средней мощности напряжением до 15 кВ размеры изоляционного промежутка между торцами обмоток и ярмом и ярмовыми балками относительно невелики. Поэтому концевую изоляцию обычно осуществляют в виде деревянных подкладок или деталей из электроизоляционного картона, как бы совмещающих в себе и ярмовую и уравнительную изоляцию.

В главной изоляции обмоток трансформатора класса напряжения 110 кВ с испытательным напряжением 200 кВ (рисунок 6) устанавливают два изоляционных цилиндра с угловыми шайбами. Изоляционные цилиндры обмоток ВН и НН -- "мягкие", намотанные из заготовок электроизоляционного картона. Угловая шайба представляет собой кольцевой барьер, охватывающий край обмотки. Цилиндрическая и горизонтальная, части угловой шайбы обмотки препятствуют развитию пробоя в масле как в радиальном направлении, так и в сторону ярма. Между обмотками ВН соседних фаз установлены угловые междуфазные перегородки, являющиеся одновременно барьерами в промежутке между наружным краем обмотки ВН и ярмом магнитопровода.

Каналы по обе стороны барьера и перегородки образуются П-образными прессованными прокладками, устанавливаемыми на барьере. Концевая изоляция от верхнего и нижнего ярм магнитопровода выполняется типовой конструкции.

Одним из перспективных видов изоляции (с точки зрения возможности увеличения мощности транспортабельного трансформатора) является бумажно-масляная изоляция (рисунок 7). Однако она обладает рядом особенностей, которые существенно усложняют конструкцию и технологию производства.

Применение бумажно-масляной изоляции в силовых трансформаторах позволяет уменьшить главные изоляционные расстояния, а это способствует увеличению предельной мощности транспортабельных трансформаторов.

Рисунок 7. Бумажно-масляная главная изоляция силового трансформатора высокого напряжения (фирма "Броун-Бовери", Швейцария). 1 -- стержень магнитопровода; 2 --обмотка НН; 3 -- бумажно-бакелитовый цилиндр; 4 -- бумажный цилиндр; 5 -- обмотка ВН; 6 -- отворот бумажного цилиндра; 7 -- прокладка между отворотами.

В то же время производство трансформаторов с бумажно-масляной изоляцией требует значительного повышения технологической культуры производства, разработки и внедрения ряда новых технологических процессов, так как в целом процесс производства трансформаторов с бумажно-масляной изоляцией значительно сложное, чем трансформаторов с маслобарьерной изоляцией.

В последние годы систематически совершенствуется изоляция трансформаторов на основе исследований перенапряжений в обмотках при различных вариантах их раскладки и способах защиты, исследований электрической прочности улучшенной конструкции межобмоточной изоляции с уменьшенными каналами у обмоток, а также исследований электрической прочности витковой изоляции обмоточных проводов.

В трансформаторах классов напряжения 110--330 кВ широко применяется обмотка с горизонтальными каналами неодинаковых размеров (уменьшенными между входными катушками), позволяющая отказаться от экранирующих витков и дополнительной изоляции дисковых катушек. Благодаря повышению качества обмоточных проводов и наличию совершенного технологического оборудования и оснащения были широко внедрены переплетенные обмотки в классе напряжения 330 кВ.

Новый вид комбинированной обмотки (непрерывная обмотка с переплетенной входной частью и многоступенчатым изменением продольной емкости) в настоящее время широко применяется в обмотках ВН класса 220-- 500 кВ.

Применение более рациональной конструкции обмоток ВН напряжением 110 - 330 кВ позволило снизить размер среднего осевого канала на 20 - 30%, что обеспечило повышение коэффициента заполнения окна магнитопровода в среднем на 10%.

Исследования электрической прочности изоляции трансформаторов при длительном воздействии напряжения, проведенные в последние годы позволяют значительно усовершенствовать конструкцию маслобарьерной изоляции силовых трансформаторов.

При классификации изоляции трансформатора следует выделить два основных ее вида:

внутренняя изоляция;

внешняя изоляция.

К внешней изоляции относится, например, изоляция покрышек вводов, соприкасающаяся с атмосферой, воздушные изоляционные промежутки между вводами данной обмотки, между вводами разных обмоток и до заземленных частей.

Внутренняя (маслонаполненная, газовая, литая) изоляция трансформатора разделяется на главную и продольную изоляцию обмоток, изоляцию установки вводов, изоляцию отводов, переключателей и пр.



3. Коронный разряд на проводах ЛЭП. Потери энергии на корону

Корона является одним из видов самостоятельного разряда и возникает в резко неоднородных полях, к которым, в частности, относится и электрическое поле в окрестности проводов линий электропередачи.

Провода линий электропередачи свиты из большого числа отдельных проволок и поэтому имеют негладкую поверхность, вследствие чего напряженность поля в различных точках поверхности неодинакова. Для витых проводов обычно определяют среднюю напряженность поля на поверхности провода. Так как коронный разряд прежде всего возникает на выступающих частях провода, где напряженность превышает среднюю, то начальная напряженность поля для витого провода меньше, чем для гладкого провода того же радиуса: Коэффициент m < 1 называется коэффициентом гладкости провода. Различные заусеницы и шероховатости, которые всегда имеются на поверхности проводов, еще больше снижают начальную напряженность поля, а, следовательно, и коэффициент m, который для проводов линий электропередачи обычно лежит в пределах 0,82 - 0,90.

Ионизационные процессы в коронном разряде происходят лишь вблизи электрода с малым радиусом кривизны, в рассматриваемом случае вблизи провода, в узкой зоне, которая обычно называется чехлом короны. Чехол коронного разряда на проводах далеко не всегда бывает однородным, особенно при достаточно больших напряжениях. При отрицательной короне ионизация происходит вблизи большого числа точек на поверхности провода, поэтому чехол короны состоит из многочисленных проводящих нитей. При положительной полярности, помимо сплошного чехла, на проводе образуются стримеры, длина которых может быть достаточно большой, но гораздо меньше расстояния между электродами.

При больших диаметрах проводов напряженность электрического поля в окрестности провода уменьшается значительно медленнее, чем вблизи проводов малого диаметра. Поэтому зона ионизации - "чехол" короны - имеет большие размеры, и даже при начальном напряжении лавины могут достигать критической длины. Корона в этом случае возникает сразу в стримерной форме.

На проводах малых диаметров (до 1 см) корона возникает в лавинной форме. При увеличении напряжения сверх начальных размеров зоны ионизации возрастают, и корона из лавинной переходит в стримерную.

Ток стримерной короны состоит из отдельных импульсов с очень крутым фронтом. Эта высокочастотная составляющая тока короны является источником интенсивного электромагнитного излучения с широким спектром частот, которое создает помехи радио- и телевизионному приему. При коронировании проводов линий сверхвысокого напряжения может также возникать звуковой эффект, особенно сильный при дожде.

За счет процессов ударной ионизации в чехле короны непрерывно создаются заряженные частицы обоих знаков. Частицы того же знака, что и коронирующий электрод, под действием электрического поля выходят из чехла короны во внешнюю область и постепенно перемещаются к противоположному электроду.

Если к промежутку приложено постоянное напряжение, то в стационарном режиме вся внешняя область короны, т. е. область, в которой ионизация отсутствует, оказывается заполненной объемным зарядом того же знака, что и коронирующий провод. При этом заряд, уходящий в единицу времени на противоположный электрод, в точности равен заряду, выделяющемуся за это же время во внешнюю область из чехла короны, так что суммарный объемный заряд остается неизменным.

Значение и характер пространственного распределения объемного заряда внешней области короны (объемный заряд зоны ионизации не учитывается) должны быть такими, чтобы напряженность поля на поверхности коронирующего провода оставалась бы равной начальной, т. е. приблизительно равной, независимо от значения приложенного напряжения.

Если напряженность поля на поверхности провода сделается меньше, ионизация в чехле прекратится, взамен уходящему на противоположный электрод заряду из чехла короны не будет выделяться новый заряд, суммарный заряд в объеме и уменьшатся. В результате увеличится заряд на проводе и напряженность поля на его поверхности возрастет, после чего заряд в объеме приобретет свое прежнее значение. Если напряженность поля на поверхности провода превысит, интенсивность ионизации в чехле короны возрастет, из чехла короны будет выделяться больший заряд, чем заряд, уходящий к противоположному электроду, суммарный заряд во внешней зоне возрастет, благодаря чему напряженность поля на поверхности провода снизится.

Это свойство коронного разряда является весьма важным, так как оно регулирует величину объемного заряда во внешней зоне.

Движение этого объемного заряда под действием электрического поля создает ток короны, который на много порядков превышает нормальный ток утечки в линиях электропередачи. Связанные с прохождением этого тока потери энергии могут иметь очень большую величину, соизмеримую с потерями в активных сопротивлениях проводов под действием рабочего тока.

Итак, потери на корону связаны с относительно медленным (со скоростью ионов) движением объемного заряда внешней зоны. Процессы, происходящие в чехле короны, существенного влияния на потери энергии не оказывают, однако они важны с другой точки зрения.

Для чехла короны характерны быстрые процессы, происходящие со скоростью электронов или стримеров. Поэтому ток короны, помимо медленно меняющейся составляющей, определяемой перемещением объемного заряда, содержит большое количество кратковременных пиков, соответствующих развитию стримеров или групп лавин. Эта высокочастотная составляющая тока короны является источником интенсивного электромагнитного излучения с широким спектром частот, который соответствует радиотехническому диапазону. Излучаемые коронирующей линией радиоволны создают помехи радиоприему (особенно сильные вблизи линии), которые могут достигнуть недопустимого уровня.

Таким образом, появление коронного разряда на проводах линий электропередачи сопровождается потерями энергии и радиопомехами. Необходимость ограничения до приемлемых значений уровня потерь энергии и радиопомех приводит к тому, что рациональная конструкция проводов и арматуры линий электропередачи в значительной мере определяется коронным разрядом, особенно при наивысших номинальных напряжениях.

Потери на корону, потери электроэнергии при её передаче вследствие возникновения коронного разряда (короны). Отличительной особенностью коронного разряда, определяющей его количественные закономерности, является характерная форма взаимодействия ионов, создаваемых в процессе разряда, и электрического поля у коронирующего электрода, например, провода линии электропередачи (ЛЭП). Знак заряда ионов, движущихся из зоны ионизации во внешнюю зону, совпадает со знаком заряда на коронирующем проводе, что обычно ведёт к ослаблению поля у провода до некоторой, практически постоянной величины -- критической напряжённости (E_kp) -- и к соответствующему усилению поля в остальной части пространства (внешней зоне). Эта особенность механизма образования короны обусловливает существенную зависимость от напряжения на проводе как тока коронного разряда, так и П. на к.

Пока нет короны, напряжённость электрического поля у поверхности провода Е_пр прямо пропорциональна напряжению на проводе U и обратно пропорциональна его радиусу r. Если постепенно повышать U, то соответственно будет возрастать и Е_пр, пока U не достигнет критического значения U_kp, при котором Е_пр = Е_кр -- напряжённости возникновения короны. При дальнейшем повышении напряжения Е_пр более не возрастает. Увеличивается интенсивность короны, т.е. возрастает поток ионов от провода и переносимый ими электрический заряд r, приходящийся на единицу объёма внешней зоны. Заряд r возрастает ровно настолько, чтобы ограничить поле у провода практически до Е_кр, но соответственно возросшему напряжению он усиливает поле во внешней зоне Е_{в. з.} за пределами зоны ионизации. В возросшем поле Е_{в. з}. увеличивается скорость движения ионов u, которая пропорциональна Е_{в. з}. В результате с увеличением U возрастают и объёмный заряд ионов, и скорость движения этого заряда. Это равнозначно сильному увеличению плотности тока короны j_k = ru. Соответственно возрастает и полный ток короны I_k, текущий от провода в окружающий его воздух (связь I_k с j_k зависит от конфигурации и габаритов электродов). Т. к. произведение тока короны на напряжение равно мощности, теряемой на корону, то сильная зависимость I_k от U определяет ещё более сильную зависимость от U потерь мощности и энергии. Потери мощности Р при коронировании проводов приблизительно пропорциональны произведению UЧ(U--U_kp), а потери энергии равны РЧТ, где Т --время коронирования.

По физической природе П. на к. -- главным образом тепловые, они обусловлены передачей кинетической энергии, запасаемой ионами в электрическом поле, нейтральным молекулам газа в результате их столкновений и повышением скорости молекул и температуры газа. Незначительная часть потерь (доли или единицы %) составляют потери на ионизацию газа, химические реакции в зоне короны (образование озона и окислов азота в воздухе) и высокочастотное излучение в диапазоне 10⁴--10⁷ гц (т. н. радиопомехи от короны).

П. на к. зависят от структуры электрического поля и объёмного заряда ионов. При переменном напряжении корона "горит" лишь часть периода, до тех пор, пока не будет достигнут максимум напряжения. При последующем снижении напряжения оставшийся объёмный заряд ионов, пропорциональный максимуму напряжения, "гасит" корону, снижая напряжённость поля на проводе ниже E_kp. Однако и при кратковременном горении короны потери энергии значительны из-за биполярности структуры заряда ионов в поле. В период горения короны создаётся такой заряд -- например положит, ионов r+, который не только поддерживает поле у провода равным E_kp, но ещё и компенсирует влияние заряда ионов r^- (усиливающее поле), оставшихся от предыдущего полупериода. По этой причине П. на к. на ЛЭП переменного тока при прочих равных условиях выше, чем на линиях постоянного тока с непрерывно "горящей" короной. Это одно из преимуществ электропередач постоянного тока.

Как отмечено выше, П. на к. на ЛЭП возрастают с повышением напряжения. Единственный путь ограничения потерь при заданном напряжении линии -- это повышение U_kp, что достигается увеличением диаметра проводов и (в меньшей степени) увеличением расстояния между проводами. На ЛЭП сверхвысокого напряжения (500 кв и выше) применяют т. н. расщепленные провода, т. е. пучок из нескольких проводов небольшого диаметра (2--3 см), разнесённых друг от друга на 40--50 см и удерживаемых изоляционными распорками. Такой пучок проводов по величине U_kp эквивалентен одному проводу весьма большого диаметра. На линиях 500 кв применяют 3 провода в пучке, при 750 кв -- 4 провода, для линии 1150 кв потребуется, вероятно, уже 6--8 проводов, а общий диаметр пучка достигнет 1--1,5 м. Однако и расщепление проводов лишь ограничивает П. на к., но полностью их не устраняет.

Практически потери отсутствуют лишь в хорошую погоду, когда на проводах нет осадков. Капли дождя, снег, иней и т.п., оседая на проводах, создают на них "острые" выступы и тем самым как бы уменьшают диаметр провода, что приводит к снижению U_kp на 30--50%, и провода начинают коронировать. Максимальные потери (до 1200 квт/км) наблюдались при изморози. Среднегодовые потери (при среднегодовом времени работы линии под напряжением 7000--8000 ч) на ЛЭП 500 кв составляют около 12 квт/км, на ЛЭП 750 кв -- 37 квт/км; можно ожидать, что при 1150 кв они достигнут 80 квт/км. При большой протяжённости ЛЭП высокого напряжения (500--1000 км) П. на к. оказываются значительными.

Устранение потерь при любой погоде приводит к чрезмерному росту стоимости как проводов, так и линии в целом. Поэтому выбор конструкции и параметров линии определяется на основе технико-экономического сопоставления затрат на сооружение линии и стоимости потерь энергии. При расчётах П. на к. U_kp для хорошей погоды обычно выбирается на 10--20% более высокое, чем рабочее напряжение линии.



4. Расчет грозовых перенапряжений на высоковольтных линиях электропередач

Высоковольтная линия электропередач (ВЛ) с номинальным напряжением U и волновым сопротивлением Z_пр = 300 Ом расположена в зоне грозовой деятельности. Импульсная прочность изоляции ВЛ = U_и, высота металлической опоры и высота подвеса провода равна h, стрела провеса провода =f, индуктивность единицы длины опоры L₀ = 0,5•10^-6 Гн/м, импульсное сопротивление заземления опоры R_з = 10 Ом.

Требуется определить величину перенапряжения на ВЛ, кратность перенапряжения и вероятность перекрытия изоляции во время разряда молнии с амплитудой I и длительностью нарастания (фронта) косоугольной волны тока равной ф_ф = 10^-6 с

при ударе молнии в опору;

при ударе молнии в провод;

при ударе молнии на расстоянии "а" от ВЛ.

Дано: U_н = 10кВ;

U_и = 120кВ;

h = 10м;

f = 1,8м;

I_м = 10кА;

"а" = 7,5м;

Z_пр = 300Ом_;

L₀ = 0,5•10^-6 Гн/м;

R_з = 10 Ом;

ф_ф = 10^-6 с.

Решение.

Определяем среднюю крутизну фронта тока молнии по формуле:



Определяем величину напряжения на опоре при прямом ударе молнии в нее по формуле:

При ударе молнии в ВЛ:

При ближнем ударе молнии (индуктированном напряжении) по формуле:

h_ср - средняя высота подвеса провода находим по формуле

Находим кратность перенапряжения изоляции линии по формуле:

где: U_п - максимальное перенапряжение в зависимости от места удара

U - действующее значение номинального междуфазного напряжения ВЛ.

При ударе в опору:

При ударе в провод:

При ударе в землю:

Перекрытие изоляции произойдет ессли:

U_оп ? U_и = 100 ? 120 (перекрытия нет);

U_пр ? U_и = 1500 ? 120 (перекрытие происходит);

U_пр ? U_и = 85,2 ? 120 (перекрытия нет).

Находим минимальный ток молний при котором произойдет перекрытие:

Минимальная амплитуда молнии при которой происходит перекрытие изоляции при ударе молнии - I_з

В опору:

В провод:

На расстоянии "а":



Место удара молнии	Величина перенапряжения	Кратность перенапряжения	Минимальная амплитуда молнии	Наличие перекрытия
Опора	100	12,2	12	нет
Провод	1500	183,7	0,8	есть
На расстоянии "а" = 7,5 м	85,2	10,43	14,08	нет

P_пер произойдет если: I_м > I_з

Проверяем: 10 > 12 - перекрытия нет;

10 > 0,8 - перекрытие есть;

10 > 14,08 - перекрытия нет.

Наиболее уязвимым участком при ударе молнии является контактный провод.



5. Защита объекта от прямых ударов молнии с помощью стержневого молниеотвода

Для защиты объекта с шириной "a", длиной "в" и высотой "h" от прямых ударов молнии с амплитудой I и временем нарастания фронта ф_ф =10^-6 установлен одиночный молниеотвод. Глубина нижнего конца фундамента молниеотвода от поверхности земли h =3,2 м, ширина фундамента a =0,8 м, удельное сопротивление земли p, Ом·м. Схема расположения молниеотвода и защищаемого объекта приведена на рисунке 1.

Требуется:

Рассчитать устройство заземления молниеотвода, состоящее из естественного заземлителя (фундамента молниеотвода) и искусственного заземлителя из условий, что допустимое импульсное сопротивление устройства заземления R не должно превышать 10 Ом. Начертить эскиз контура заземления совместно с защищаемым объектом.

Рассчитать минимально допустимые расстояния от молниеотвода до защищаемого объекта, радиус зоны защиты r на высоте объекта h и высоту молниеотвода Н. На эскизе показать сечение зоны защиты стержневого молниеотвода.

Рисунок 8. Схема расположения молниеотвода и защищаемого объекта



Дано: I_м = 10кА;

p = 200Ом•м;

ширина объекта а = 4,2м;

длина объекта b = 4,4м;

высота объекта h = 12,5м;

ф_ф =10^-6;

глубина нижнего конца фундамента h =3,2 м;

ширина фундамента a =0,8 м.

Решение.

Рассчитываем импульсное сопротивление фундамента по формуле:

где: t = h_ф - глубина нижнего конца фундамента;

b = ширина полосы или фундамента.

Рассчитываем необходимое импульсное сопротивление заземлителя по формуле: м

В качестве искусственного заземлителя в грунте с удельным сопротивлением = (100ч200) Ом·м следует выбрать наиболее простой искусственный заземлитель, состоящий из двух горизонтальных полос шириной 0,04 м и длиной по 5ч10 м, симметрично расходящихся от точки присоединения токоотвода и расположенных на глубине 0,5 м.

Выбираем простой искусственный заземлитель, рассчитываем импульсное сопротивление R_пи по формуле:

где:

l - длина полос = 5м;

b - ширина полосы = 0,04м;

t - глубина = 0,5м;

n - число полос = 2;

R_пи ? R_ии = 13,91 ? 22,4 - неравенство выполняется, т.е. данного заземлителя достаточно.

Рассчитываем общее импульсное сопротивление заземлителя по формуле:

R_зи ? R_з = 7,9 ? 10 - неравенство выполняется

Рассчитываем минимально допустимое расстояние от молниеотвода до защищаемого объекта по формуле:

где: А_мин.в. - минимально допустимое расстояние по воздуху от молниеотвода до защищаемого объекта при допустимом Е = 500кВ/м, но не менее 5м;

h - высота объекта = 12,5м;

R_зи = R_з = 7,9Ом.

158,02 ? 5 - неравенство выполняется

Рассчитываем радиус зоны защиты молниеотвода на высоте h = 12,5м, защищаемого объекта по формуле:

Рассчитываем высоту молниеотвода по формуле:

разрядник трансформатор молниеотвод высоковольтный



Список используемой литературы

1. Техника высоких напряжений. Изоляция и перенапряжения в электрических системах: Учебник для вузов./Под общ. ред. В.П. Ларионова -- М.: Энергоатомиздат, 1986.

2. Радченко В.Д. Техника высоких напряжений устройств электрической тяги. - М.: Транспорт, 1975.

3. Ларионов В.П. Основы молниезащиты. -- М.: Знак, 1999.

Размещено на Allbest.ru