Контрольные вопросы

1. Каково назначение релейной зашиты?

2. Какие требования предъявляются к устройствам релейной защиты?

3. Каким образом обеспечивается селективность максимальной токовой защиты?

4. По каким условиям определяется ток срабатывания максимальной токовой защиты?

5. Каким образом оценивается чувствительность максимальной токовой защиты?

6. Как обеспечивается селективность токовой отсечки без выдержки времени?

7. Почему целесообразно совместно использовать токовую отсечку и максимальную токовую защиту?

8. Почему максимальная токовая защита не является селективной в сети с несколькими источниками питания и каков принцип действия токовой направленной защиты?

9. Принцип действия токовой защиты нулевой последовательности от КЗ на землю, почему такая защита имеет большую чувствительность и меньшее время срабатыва­ния по сравнению с максимальной токовой защитой?

10. Каким образом определяются параметры срабатывания ступеней трехступенчатой дистанционной защиты?

11. Почему продольная дифференциальная токовая защита не реагирует на внешние короткие замыкания?

12. Каковы достоинства и недостатки поперечной дифференциальной токовой защиты?

13. Каким образом обеспечивается селективность направленной защиты с высокочастот­ной блокировкой?

14. Каким образом реализуется передача высокочастотного сигнала по линии электропе­редачи?

15. Каким образом обеспечивается селективность дифференциально-фазной защиты линии электропередачи?

Литература для самостоятельного изучения

13.1. Федосеев A.M. Релейная защита электрических систем: учеб. для вузов. М: Энер­гия, 1976.

13.2. Чернобровое Н.В., Семенов В.А. Релейная защита энергетических систем: учеб. пособие для техникумов. М.: Энергоатомиздат, 1998.

13.3. Басе Э.И., Дорогунцев В.Г. Релейная защита электроэнергетических систем: учеб. пособие для вузов / Под ред. А.Ф. Дьякова. М.: Издательство МЭИ, 2002.

Глава четырнадцатая

Электротехнические материалы

Содержание лекции:
14.1.	Общие положения
14.2.	Проводниковые материалы
14.3.	Электроизоляционные материалы
14.4.	Магнитные материалы
.	Контрольные вопросы
	Литература для самостоятельного изучения

14.1. Общие положения

Создание электроэнергетических объектов невозможно без примене­ния различных электротехнических материалов, разнообразных по свой­ствам, технологичности, надежности и способам эксплуатации.

Все применяемые в электроэнергетике материалы можно классифици­ровать по ряду признаков. Например, есть конструкционные материалы, основное предназначение которых связано с обеспечением механического крепления и требуемого взаиморасположения в пространстве различных частей оборудования, устройств и аппаратов, и функциональные материалы, обеспечивающие активное влияние материала на выполнение объектом заданных функций (например, полупроводники и др.).

Материалы также могут классифицироваться по агрегатному состоя­нию — твердые, жидкие и газообразные (иногда к этой классификаций добавляют твердеющие). Различают также материалы природного, искус­ственного и синтетического происхождения.

В зависимости от электрических свойств материалы разделяются на электроизоляционные, полупроводниковые и проводниковые. Диэлектри­ками (диэлектрическими материалами) называют электротехнические материалы, предназначенные для использования их диэлектрических свойств, а именно большого электрического сопротивления и способ­ности поляризоваться. Электроизоляционными материалами называются «диэлектрические материалы, предназначенные для электрической изоля­ции». Поскольку большинство электроэнергетических объектов функцио­нирует в условиях генерации, передачи и распределения переменного электрического тока, то неизбежно при этом существуют и магнитные поля (чаще говорят, что работа осуществляется в условиях электромагнитного поля). В этой связи материалы могут быть либо магнитными, либо немагнитными.

Чтобы определить к какому классу отнести материал с точки зрения его электрических свойств, необходимо оценить его удельное объемное электрическое сопротивление р — отношение напряженности электри­ческого поля Е к плотности тока J, проходящего через объем образца материала. Обычно удельное сопротивление рассчитывают по формуле

ρ = RS/l, (14.1)

где R — сопротивление образца материала, Ом; l — длина пути тока в образце (расстояние между электродами), м; S — площадь образца мате­риала, через которую протекает ток проводимости, м².

Проводниковые материалы имеют удельное сопротивление р = 10 ⁸ —

10^-5 Ом ∙ м (~ 10^-2 —10 Ом ∙ мм²/м)*, полупроводниковые — р = 10^-4 — 10⁸ Ом ∙ м, а электроизоляционные материалы — р ≥ 10⁸ Ом ∙ м. Напри­мер, серебро обладает р = 0,016 Ом ∙ мм²/м, а такие электроизоляционные материалы, как полистирол, полиэтилен, политетрафторэтилен — ρ = = 10¹⁴—10¹⁷ Ом-м.

В отличие от проводников и полупроводников у изоляционных матери­алов, имеющих малую электрическую проводимость, рассматривается еще и удельное поверхностное сопротивление ρ_s Ом, которое позволяет оценить электрическое сопротивление при протекании тока по поверх­ности материала. Оно определяется как сопротивление квадрата поверх­ности материала электрическому току, протекающему между двумя противоположными сторонами квадрата. Значение этого сопротивления в большой степени зависит от качества поверхности материала, наличия на ней загрязнений и влаги.

Для оценки электрических качеств электроизоляционных материалов часто требуется знать и некоторые другие свойства: относительную диэ­лектрическую проницаемость (слово «относительная» иногда опуска­ется) ε_r тангенс угла диэлектрических потерь tgδ и электрическую проч­ность Е_пр.

Диэлектрическая проницаемость позволяет оценивать способность материала образовывать электрическую емкость. Значение е_г показывает, во сколько раз увеличивается емкость при замене вакуума между электро­дами на реальный диэлектрический материал, и является безразмерной величиной. Диэлектрическая проницаемость г_г не бывает меньше 1. В зави­симости от типа материала и внешних условий она изменяется от единиц

* Удельное объемное электрическое сопротивление проводников чаще принято указывать в Ом ∙ мм²/м (1 Ом ∙ мм²/м = 10⁶ Ом ∙ м).

(например, гелий имеет ε_г ≈1, полистирол 1,5, стекло 7) до десятков тысяч (сегнетоэлектрики).

Характеристика, позволяющая определить потери мощности (диэлект­рические потери) в изоляционном материале, работающем в переменном электрическом поле, называется тангенсом угла диэлектрических потерь. Угол диэлектрических потерь — это угол, дополняющий до 90° угол фазового сдвига между током и напряжением в емкостной цепи, так как любой диэлектрик создает электрическую емкость.

Диэлектрические потери (или активная мощность, теряемая в диэлект­рике, Вт) рассчитываются по формуле

Р = 2πfU²Ctgδ, (14.2)

Где f— частота напряжения, Гц; U— напряжение, приложенное к диэлек­трику, В; С — емкость диэлектрика, Ф.

Значит, при заданных значениях частоты, напряжения и емкости актив­ная теряемая мощность, зависит от tgδ изоляционного материала, кото­рый в свою очередь зависит от ряда внешних факторов, например, от тем­пературы материала и частоты электрического поля. Значения tgδ электроизоляционных материалов меньше единицы и зависят от типа ди­электрика. Так, у газообразных диэлектриков tgδ = 10^-6— 10^-4, диэлект­риков с высоким удельным сопротивлением tgδ = (2—6) • 10^-4, остальных tgδ = 0,001—0,1.

Если напряженность электрического поля, в котором находится ди­электрик, превысит некоторое значение, критическое для данного матери­ала, то он потеряет свои электроизоляционные свойства — произойдет пробой материала с образованием в нем канала с очень большой проводи­мостью. Значение напряженности однородного поля, при котором проис­ходит пробой, называется электрической прочностью материала. Эту величину можно получить по формуле:

E_пр.= U_пр./h

где U — напряжение, при котором происходит пробой, В; h — толщина материала, м.

При пробое в неоднородном электрическом поле критическую напря­женность электрического поля обычно называют «пробивной напряжен­ностью» или характеризуют материал значением пробивного напряжения.

Общими для электроизоляционных, полупроводниковых, проводнико­вых и магнитных материалов являются механические, тепловые и некото­рые физико-химические характеристики.

Большинство материалов подвергается при монтаже или эксплуатации механическим нагрузкам. Среди механических нагрузок следует выде­лить разрушающие напряжения: при растяжении σ_p , сжатии σ_с, статиче­ском изгибе σ_и, динамическом изгибе (ударная вязкость) а. У ряда мате­риалов (стекло, керамика и некоторые пластмассы) разрушающее

напряжение при сжатии значительно выше, чем при растяжении, в то время как у металлов эти характеристики одного порядка.

К важным механическим свойствам следует отнести пластичность, твердость, упругость. При достаточно высоких механических напряже­ниях у многих материалов наблюдается необратимое пластическое тече­ние, или остаточная пластическая деформация. Деформация приводит к уменьшению площади поперечного сечения, что может служить причи­ной последующего разрушения материала или конструкции.

Поведение большинства материалов с точки зрения тепловых воздей­ствий может быть оценено их теплоемкостью, тепловым расширением и коэффициентом теплопроводности. Однако условия эксплуатации, тип и агрегатное состояние материала существенно расширяют перечень тепло­вых характеристик. К ним относят также нагрев о стойкость, температуру плавления и размягчения, теплостойкость, температуру вспышки паров жидкостей, холодостойкость и др.

Теплоемкость С (Дж/ °С или Дж/К) — это отношение количества теп­лоты, сообщенной телу, к соответствующему повышению температуры. Удельная теплоемкость с (Дж / (кг ∙ К)) — это отношение теплоемкости к единице массы материала.

Коэффициент теплопроводности X (Вт / (м ∙ К)) характеризует способ­ность материала переносить теплоту от более нагретых частей материала к менее нагретым. Некоторые значения X приведены в табл. 14.1.

Тепловое расширение материалов оценивают температурным коэффи­циентом линейного расширения или размера (ТКЛР), характеризующим относительное изменение геометрических размеров образца материала при изменении температуры на один градус Цельсия или один Кельвин (1/°С или 1/К):

ТКЛР = а_р = Δl/(l- AT), (14.4)

где Δl — абсолютное изменение линейного размера образца материала, м; l — начальное значение линейного размера, изменившегося при измене­нии температуры, м; ΔT — изменение температуры, °С или К.

Изоляционные материалы, обладающие малыми значениями ТКЛР, имеют, как правило, более высокую нагревостойкость.

Нагревостойкость — это способность электроизоляционного матери­ала длительно выдерживать предельно допустимую температуру без ухуд­шения его свойств. В зависимости от значений допустимых при эксплуа­тации температур диэлектрики различают по классам нагревостойкости (табл. 14.2).

В настоящее время вместо класса нагревостойкости все чаще употреб­ляют понятие температурного индекса, соответствующего температуре (в градусах Цельсия), при которой срок службы материала равен 20 000 ч.

Температура плавления Т_пл и температура размягчения Т определя­ются у материалов соответственно кристаллического и аморфного строе­ния. При этом если температура Т_пя — строго фиксированная величина для каждого кристаллического материала, то Т_р — несколько условная величина, зависящая от способа ее определения.

Теплостойкость позволяет оценить стойкость изоляционных материа­лов к кратковременному нагреву. Она зависит от способа ее определения и характеризуется температурой, при которой образцы начинают претерпе­вать либо опасную деформацию, либо существенно изменяют твердость.

Температура вспышки паров жидкостей — это температура, при которой пары и газы, образующиеся при постоянном нагревании заданного объема жидкости, вспыхивают (но продолжительно не горят) при соприкосновении их с открытым пламенем. Эта характеристика представляет особый интерес при оценке трансформаторного масла и растворителей для лаков.

Электротехнические материалы применяются в различных климатических условиях, например, в условиях длительного воздействия отрицатель­ных температур или в жарком климате (тропиках). Поэтому важными харак­теристиками являются холодостойкость и тропикостойкость материалов.

Холодостойкость позволяет оценить способность материалов проти­востоять действию низких температур. При низких температурах электри­ческие свойства диэлектриков, как правило, улучшаются, но механиче­ские ухудшаются, поэтому холодостойкость определяется на основе изучения механических характеристик.

Тропикостойкостъ определяется для электроизоляционных материа­лов, предназначенных для электрооборудования, работающего в условиях тропического климата. В таких сложных условиях на материал влияют следующие факторы: высокая температура воздуха (до 55 °С), резкое изменение ее в течение суток (на 40 °С и более), высокая (до 95 %) или низкая влажность воздуха, интенсивная солнечная радиация, плесневые грибки, наличие в воздухе пыли и песка, насекомые и т.п.

К физико-химическим характеристикам диэлектриков относят кислот­ное число и вязкость жидких материалов, водо- и влагопоглощение элек­трической изоляции, стойкость материалов к воздействию излучений высоких энергий.

Кислотное число — это количество миллиграммов едкого кали (КОН), необходимое для нейтрализации свободных кислот, содержащихся в 1 г жидкого диэлектрика. Чем выше кислотное число, тем больше свободных кислот в жидком диэлектрике, следовательно, тем выше проводимость диэлектрика, так как кислоты под действием электрического поля легко распадаются на ионы. Кроме того, кислоты могут более активно разру­шать другие материалы, с которыми контактирует жидкий диэлектрик.

Вязкость представляет собой коэффициент внутреннего трения при относительном перемещении частиц жидкости, оценивающий ее теку­честь. Чем больше вязкость, тем жидкость более густая, т.е. обладает пло­хой текучестью. Чем меньше вязкость, тем легче заполняются полости, глубже проникает жидкость в пропитываемые материалы. Различают динамическую, кинематическую и условную вязкость.

Динамическая вязкость η измеряется в системе СИ в паскалях-секундах (Па • с), а в системе СГС — в пуазах (1 Па ∙ с — 10 П).

Кинематическая вязкость v — это отношение динамической вязкости к плотности жидкости d: v = η /d. Она измеряется в системе СИ в метрах в квадрате на секунду (м²/с), а в системе СГС — в стоксах (1 м²/с = 10 Ст).

Значение условной вязкости жидкостей и единицы ее измерения зави­сят от способа определения (типа вискозиметра), когда фиксируется время истечения заданного объема жидкости через отверстие установлен­ного диаметра. У всех жидкостей с ростом температуры вязкость умень­шается.

Для многих электроизоляционных материалов важными являются такие характеристики, как водо- и влагопоглощение, позволяющие оце­нить по количеству поглощенной за 24 ч воды или влаги (из воздуха) способность диэлектрика противостоять их воздействию. Водо- и влаго­поглощение W, %, определяют по формуле W = (G₁ - G_o) • 100/G₀, где

G_o— исходная масса образца, г; G, — масса того же образца после 24-часовой выдержки, г.

В последнее время все чаще пользуются такой характеристикой, как стойкость материалов к воздействию излучений высокой энергии, или радиационная стойкость. Воздействие излучений может привести к раз­рушению структуры материала или к новым молекулярным образова­ниям, химическим реакциям. В частности, в полимерах все преобразова­ния можно разделить на процессы деструкции (разрушение) и вулканизации (упрочнение). У материалов при этом меняются как меха­нические, химические, так и электрические характеристики.