Лабораторна робота № з Випробувальні трансформатори та методи випробування ізоляції напругою промислової частоти

Мета роботи - ознайомитися з особливостями конструкції і роботою випробувальних трансформаторів, навчитися вимірювати високу напругу за допомогою іскрових вольтметрів, градуювати випробувальний трансформатор, тобто будувати залежність ВН від напруги на обмотці НН.

Теоретичні положення

Високу напругу промислової частоти одержують у лабораторії за допомогою випробувальних трансформаторів.

Особливості випробувальних трансформаторів порівняно із силовими можуть бути виявлені при розгляді умов роботи випробувальних установок.

На рис. З.1 зображено схему вмикання випробувального трансформатора ВТ та об’єкта випробування 0В (ізолятор).

Напруга піднімається плавно до розряду на об’єкті або до нормованого значення випробувальної напруги, яке підтримується короткий час (одну або кілька хвилин).

Обов’язковим елементом установки є іскровий вольтметр, який має дистанційне керування й показчик відстані між кулями КР і підключається паралельно об’єкту випробування. Якщо відстань між кулями зменшувати, то при певній відстані відбувається між кулями іскровий розряд.

З допомогою градуювальних таблиць або графіків можна визначити напругу на об’єкті.

Таким чином, розряд на об’єкті або іскровому вольтметрі є не випадковим, а закономірним явищем, пов’язаним з нормальною роботою випробувальної установки. Під час розряду відбувається стрибок струму в колі об’єкта випробування і установка вимикається автоматично. Отже, трансформатор має бути розрахований на короткочасні стрибки струму.

Різкий спад напруги на виводах призводить до перехідних електромагнітних процесів в обмотці, появи великих градієнтних перенапруг, що дуже небезпечні для поздовжньої ізоляції перших витків або котушок обмотки. Для обмеження крутості спаду напруги і нарощування струму під час розряду передбачено захисний опір R_зах, який не може бути дуже великим, щоб не впливати на процес розряду. Звичайно захисний опір приймається не більшим за 1...2 Ом на 1В номінальної напруги трансформатора.

Навантаження трансформатора визначається не розрядними струмами, а струмами, що тривалий час протікають через його обмотку. Під час випробування ізоляції це звичайно ємнісні струми, які визначаються ємностями трансформатора, об’єкта випробувань та іскрового вольтметра. У випадку випробування ізоляторів ємність становить сотні пікофарад, тому струм сягає десятків міліампер на 1000 кВ випробувальної напруги. Активна складова струму звичайно невелика, крім випадку, коли виконуються мікророзрядні випробування ізоляторів: останні змочуються штучним дощем, що призводить до значного зростання струмів.

Потужність випробувальних трансформаторів розраховується на струми в обмотці ВН не більше як 1А.

Випробувальні трансформатори зі струмом 1А є потужними, більшим за 1А - унікальними.

Після розгляду умов роботи випробувальних трансформаторів можна виділити такі їх особливості:

1. Випробувальні трансформатори мають значно меншу потужність, ніж силові.

2. У той час, як силові трансформатори працюють безперервно при номінальній напрузі та розраховані на тривале навантаження протягом багатьох місяців, випробувальні трансформатори вмикаються періодично, працюють усього кілька хвилин, причому струм і напругу можна не доводити до номінальних значень.

3. Внаслідок того що випробувальні трансформатори не зв’язані з повітряними лініями електропередач, вони не піддаються дії грозових і більшості видів внутрішніх перенапруг. Тому рівень ізоляції випробувальних трансформаторів набагато нижчий за рівень силових-і може становити 1,2 U_н. Випробувальні трансформатори виготовляються однофазними, тому що ізоляція випробовується пофазно. Трьохфазні схеми, що необхідні в окремих випадках, можна зібрати з трьох однофазних випробувальних трансформаторів.

Випробувальні трансформатори виконуються з одним або двома виводами ВН.

Схема з одним виводом має ряд переваг:

1. Ізоляція одного з виводів може мати невеликий рівень (якщо між “землею” і кінцем обмотки підімкнено міліамперметр, шунт тощо) або вивід може бути взагалі замкнений на корпус усередині бака.

2. Може випробовуватись ізоляційна конструкція, що має один заземлений електрод - найймовірнішій випадок експлуатації.

3. Полегшуються умови вимірювання струму, тому що вимірювальні прилади приєднуються до заземленого кінця обмотки.

Основний недолік схеми з одним виводом – необхідність в ізоляції одного з кінців обмотки й виведення ВН на повну напругу трансформатора, що для високих напруг потребує великих і складних ізоляторів.

У схемі з двома виводами середню точку обмотки приєднано до магнітопровода й бака. У цьому випадку кожний вивід повинен мати ізоляцію, розраховану на половину номінальної напруги трансформатора, що, безумовно, є перевагою схеми, тому що за рахунок полегшеної ізоляції зменшуються маса й розміри трансформатора. Однак за такої схеми можливе випробування тих об'єктів, обидва електроди яких ізольовані.

Вимірювання високих напруг за допомогою іскрових вольтметрів

Із теорії електричного розряду в газах відомо, що повітряний проміжок між двома електродами втрачає свої ізоляційні властивості у визначених умовах при добре відтворюваному значенні розрядної напруги. Якщо скористатися цим ефектом для вимірювання напруги, то став очевидним його суттєвий недолік: вимірювати напругу можна лише в момент пробою. Можна встановити, яка напруга відповідає цьому моменту.

Умови, за яких досягається добра й досить точна відтворюваність розряду, визначаються в першу чергу конфігурацією електродів та їх придатністю для вимірювання певного виду напруги. Із теорії електричного розряду в газах випливає, що стримерний розряд відбувається при тиску повітря у межах звичайних атмосферних коливань тільки в однорідному або квазіоднорідному полі. Цей вид розряду має незначну тривалість формування каналу, а стримерному критерію пробою відповідає строго визначена напруженість електричного поля. Якщо розкид статистичного часу буде малим, то газові проміжки з однорідним і квазіоднорідним полями пробиватимуться за дуже малий час по досягненні напругою максимального значення. Таким, наприклад, є проміжок між кульовими електродами, якщо відстань між ними не перевищує радіуса куль. Кульові розрядники, або вимірювальні розрядники (іскрові вольтметри), використовуються дуже широко для вимірювання максимального значення напруги. Кульові розрядники є дуже надійними приладами для вимірювання постійної напруги, максимального значення змінної та імпульсної (у тому числі грозового імпульсу, як повного, так і зрізаного) напруг.

На напругу пробою впливають напруженість поля E(х) та її зміна уздовж найкоротшої силової лінії, а також фізичні характеристики газу, від яких залежить його електрична міцність.

Напруженість E_d, за якої відбувається пробій, залежить насамперед від геометричних розмірів й розміщення кульових електродів, а також металевих елементів, що необхідні для їх механічного кріплення.

Дві вимірювальні кулі можна встановлювати по вертикальній або горизонтальній осі (рис.3.1 і 3.2). Показані на них співвідношення розмірів для утримувача кулі, привідного механізму і підводу високої напруги обумовлені необхідністю забезпечення незалежності розподілу електричного поля, особливо в області найкоротшої відстані між кулями, від їх геометричних форм. Те саме можна віднести й до вибору відстані а від підлоги до точки розряду Р, а також b сферичного простору, в межах якого не повинно знаходитись ніяких металевих предметів, за винятком підводу високої напруги, що має розміщуватися вище площини X.

Під час вимірювання треба стежити за тим, щоб поверхня кулі була завжди чистою і гладкою. Проте навіть при досить ретельній очистці поверхні дуже важко позбутися пилу, який впливає на розподіл електричного поля поблизу поверхні кулі й може набагато знизити розрядну напругу. Тому рекомендується для очистки поверхні від пилу перед вимірюванням виконати кілька розрядів.

Якщо дотримуватися перелічених умов, то при сталій густині газу існуватимуть однозначні залежності між розрядною напругою U_d і відстанню S між електродами для кожного значення діаметра куль. ЦІ залежності при різних діаметрах d зображено на рис. 3.3.

Похибка вимірювання за допомогою куль не перевищує 3%. Основний недолік кульових вимірювачів – пробій проміжку.

Рис. 3.2. Кульовий вимірювальний розрядник

Рис. 3.3. Залежність розрядних напруг U_d кульового розрядника з однією заземленою кулею від відстані між кулями S при різних діаметрах куль:

1 – імпульсна напруга позитивної полярності;

2 – змінна, постійна та імпульсна напруга негативної полярності

Наведені в табл.З.1 U_d=f(S) належать до стандартних умов: p = 760 мм рт.ст. (101,3 кПа) і t = 20⁰С (293 К). Якщо умови вимірювання відрізняються від стандартних, то вводять поправку: значення напруги, отримані з таблиці, множать на відносну густину повітря. Поправка на вологість повітря не вводиться, оскільки поле між кулями слабконеоднорідне й розрядний канал розвивається за долі мікросекунди, коли практично відсутнє явище захоплювання електронів іонами водяних парів. Відносна густина повітря визначається за формулою

(3.1)

де p - тиск, мм рт.ст.; t - температура, ⁰С.

Діаметр куль добирається з умови

, (3.2)

де - D діаметр куль, см; U_max - очікувана максимальна амплітуда напруги, що вимірюється, кВ.

Таблиця 3.1