Техника высоких напряжений
..pdf
Рис. 2.2. Временная диаграмма напряжения и тока при отключении ненагруженной линии
В момент t1 емкостный ток проходит через нуль и дуга гаснет. Напряжение на емкости в момент t1 будет UC. К моменту времени t2 напряжение на генераторе изменится до –U, на емкости остается +U, следовательно, на контактах выключателя будет 2U. Под действием двойного напряжения возможен пробой масла между контактами, так как от горящей дуги остались продукты горения и электрическая прочность масла не успела восстановиться за 0,01 с. Когда происходит пробой масла и повторное зажигание дуги, начинается колебательный процесс перезарядки емкости c напряжения U до напряжения –U. Частота колебаний определятся величиной C и индуктивно-
стью генератора L: ω= 1/ LC. Колебания будут носить затухающий характер из-за наличия активного сопротивления проводов, осью колебаний будет напряжение генератора. Амплитуда напряжения в момент t2 достигает трехкратного значения, при этом емкостный ток равен нулю. С этого момента возможны два варианта развития событий: 1) дуга не гаснет, и емкостный ток высокочастотных колебаний затухает; 2) дуга гаснет, и напряжение на емкости остается равным 3U. Через половину периода напряжение генератора вновь станет равным +U, а напряжение между контактами выключателя будет 4U. Перезарядка конденсатора с напряжения –3U до напряжения U будет сопровождаться колебательным процессом с амплиту-
11
elib.pstu.ru
дой колебаний 4U и повышением напряжения на линии до 5U. При таких перенапряжениях начинают срабатывать разрядники.
Ограничение перенапряжений при отключении ненагруженных линий может быть достигнуто, прежде всего, в результате применения выключателей, не дающих повторных зажиганий дуги.
Выполнение работы
1.Работа выполняется на компьютере в интерактивном режиме.
2.Открыть папку «Техника высоких напряжений».
3.Открыть папку «ТВН практические занятия».
4.Ознакомится с теоретической частью «Перенапряжения при отключении ненагруженных линий».
5.Запустить файл Perenapregen.exe. На экране появится:
12
elib.pstu.ru
6. Нажать один из движков, на экране появится:
7.На экране изображен колебательный процесс, который возникает при отключении от генератора ненагруженной ЛЭП.
8.Параметры схемы можно изменять путем перемещения движков.
9.На экран выводится частота колебаний и коэффициент зату-
хания.
Задание
Путем изменения параметров схемы: емкости С проводов ЛЭП, индуктивности генератора L и активного сопротивления проводов r – исследовать их влияние на амплитуду высокочастотных колебаний, частоту и скорость затухания.
Контрольные вопросы
1.Почему возможны повторные зажигания дуги в выключа-
теле?
2.С какой частотой происходит перезарядка емкости при зажигании дуги?
13
elib.pstu.ru
3.Чему равна амплитуда перенапряжения?
4.Какие существуют способы ограничения перенапряжений при отключении ненагруженных линий?
Работа № 3
ГЕНЕРАТОР ИМПУЛЬСНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ
Цель работы – исследование зависимости параметров импульсной волны от параметров схемы генератора импульсных напряжений.
Генератор импульсных напряжений (ГИН) вырабатывает единичный импульс высокого напряжения и предназначен для испытаний изоляции на импульсную прочность.
Принципиальная схема одноступенчатого ГИНа представлена на рис. 3.1.
Рис. 3.1. Схема одноступенчатого ГИНа: Тр – высоковольтный трансформатор; V – вентиль; Rз – зарядный резистор; Сг – емкость генератора; Р – шаровые разрядники; Rхв – хвостовой резистор; rф – фронтовой резистор; Сф – фронтовая емкость
ГИН работает в двух стадиях: 1) заряд; 2) разряд. Во время первой стадии производится заряд емкости генератора Сг через зарядный резистор Rз и вентиль V от высоковольтного трансформатора Тр до напряжения U0. Зарядный резистор Rз (1 МОм) защищает вентиль и трансформатор от перегрузки, заряд длится несколько минут. Затем оператор сводит шары разрядника Р, происходит пробой воздушного промежутка между ними, начинается вторая стадия: разряд емкости Сг через Rхв и одновременный заряд емкости Сф.
14
elib.pstu.ru
Заряд емкости Сф идет в соответствии с уравнением
|
− |
|
t |
|
|
|
U =U0 1−e |
Tф |
, |
(3.1) |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где Тф – постоянная времени фронта волны: Тф =Сфrф . |
|
|||||
Одновременно идет разряд Сг через Rхв: |
|
|||||
− |
t |
|
|
|
|
|
U =U0e |
Tв , |
|
|
(3.2) |
||
где Тв – постоянная времени волны: Тв = RхвСг .
Волна, вырабатываемая ГИНом, представляет собой суперпозицию двух экспонент (3.1) и (3.2) (рис. 3.2). Волна имеет крутой фронт, так как Tф << Tв, потому что Rхв >> rф и Сг >> Cф.
Рис. 3.2. Формирование волны
Длительность фронта волны τф (для краткости говорят: «длина волны», имея в виду длину волны по оси времени, измеренную в микросекундах) зависит от фронтовой емкости CФ и фронтового резистора rф (вывод формулы дан в [1]):
τф =3,25rфСф. |
(3.3) |
15
elib.pstu.ru
Длина волны τв зависит от емкости генератора Сг и хвостового резистора Rхв:
|
|
τв = 0,69CгRхв. |
(3.4) |
По |
рекомендации |
Международной электрической комиссии |
|
(МЭК) |
волна должна |
иметь параметры: длина фронта |
τф = |
= 1,2 ± 0,4 мкс и длина волны τв = 50 ±10 мкс. Сокращенная запись параметров волны:
1,2 ± 0,4 .
50 ±10
В России испытания проводят стандартной волной с параметрами 1,5/40, эти величины укладываются в допуски, рекомендованные МЭК.
Выполнение работы
1.Работа выполняется на компьютере в интерактивном ре-
жиме.
2.Открыть папку «Техника высоких напряжений».
3.Открыть папку «ТВН практические занятия».
4.Ознакомиться с теоретической частью «Генератор импульсных напряжений».
5.Запустить файл gin.exe.
16
elib.pstu.ru
6. Нажать один из движков, на экране появится:
7.На экране изображена волна, которую вырабатывает ГИН (красная линия). Эта волна образуется за счет суперпозиции двух
экспонент: 1) заряда (синяя кривая) фронтовой емкости rф от емкости генератора Cг и одновременного разряда (черная кривая) Cг через хвостовое сопротивление Rхв. Также показана касательная, проведенная к фронту импульса при времени, равном нулю.
8.Параметры схемы можно изменять путем перемещения движков.
9.На экран выводится частота колебаний и коэффициент зату-
хания.
Задание
Путем изменения параметров схемы: фронтового сопротивления rф, фронтовой емкости Сф, хвостового сопротивления Rхв и емкости генератора Сг изучить влияние этих параметров на форму волны τф и τв.
17
elib.pstu.ru
Контрольные вопросы
1.От каких элементов схемы зависит длина волны?
2.Какими элементами схемы определяется длина фронта волны?
3.Каково назначение резисторов, включенных последовательно
сискровыми промежутками?
4.От чего зависит коэффициент использования волны и коэффициент использования схемы?
5.Каковы параметры стандартной волны?
6.Каков принцип работы многоступенчатого ГИНа?
Работа № 4
МОЛНИЕОТВОДЫ
Цель работы – исследование зависимости зоны защиты двух молниеотводов от их высоты и взаимного расположения.
Всякий молниеотвод (рис. 4.1) состоит из молниеприёмника, возвышающегося над защищаемым объектом, токоведущего спуска и заземлителя, расположенного в земле. Хорошее заземление молниеотвода является необходимым условием надежной защиты, так
Рис. 4.1. Молниеотвод
18
elib.pstu.ru
как при ударе молнии в плохо заземленный молниеотвод на нем возникает высокое напряжение, способное вызвать пробой с молниеотвода на защищаемый объект. Не меньшее значение имеет осуществление надежных электрических соединений между всеми частями молниеотвода, так как при прохождении тока молнии в местах плохих контактов возникает интенсивное искрение, которое может привести к пожару.
По условию термической устойчивости площадь поперечного сечения токоведущего спуска должна быть равна 25 мм2, однако из условий коррозионной стойкости токоведущий спуск делается площадью 50 мм2 из стальных проволок диаметром 8 мм. Применение стального многопроволочного троса по условиям коррозии не рекомендуется.
Пространство вокруг молниеотвода, вероятность попадания молнии в которое маловероятно, называется зоной защиты. Зона защиты имеет форму шатра.
Лидер молнии, спускаясь из грозового облака, не чувствует присутствия молниеотвода вплоть до высоты Н. Направление развития лидера устанавливается исключительно самим лидером. Однако, начиная с высоты Н, на направление развития лидера влияет неоднородность электрического поля, вызванная присутствием молниеотвода, и лидер молнии прорастает на молниеотвод. Высота Н называется высотой ориентировки молнии. Для молниеотводов высотой до 30 м высота ориентировки молнии H = kh, где h – высота молниеотвода; k – коэффициент пропорциональности, равный 20 для стержневых молниеотводов и 10 для тросовых. Для стержневых и тросовых молниеотводов высотой более 30 м высота ориентировки молнии равна соответственно 600 и 300 м.
Стержневые молниеотводы. На рис. 4.2 изображен одиноч-
ный стержневой молниеотвод высотой h. Разряды молнии, которые проходят не далее чем на расстоянии R = 3,5h, будут захвачены молниеотводом. Расстояние R называется радиусом зоны 100%-ного попадания молнии в молниеотвод.
19
elib.pstu.ru
Рис. 4.2. Стержневые |
Рис. 4.3. Упрощенное построение зоны |
молниеотводы |
защиты одиночного молниеотвода |
Разряды молнии, которые проходят далее чем на расстоянии R, ударят в землю, но не ближе r = 1,6h. Расстояние r называется радиусом зоны защиты на уровне земли. На рис. 4.3 представлено упрощенное построение зоны защиты. На уровне земли откладываются расстояния 0,75h и 1,5h, от вершины молниеотвода вниз – расстояние 0,2h. Точки соединяются прямыми линиями, как показано на рис. 4.3. Обведенный контур есть зона защиты.
В том случае, если два равновысоких молниеотвода находятся на расстоянии а = 2R = 7h, зоны 100%-ного попадания в молниеотвод на высоте ориентировки молнии соприкасаются (рис. 4.4), поэтому молния не может прорваться через защиту и ударить в землю.
Рис. 4.4. Соприкосновение зон 100%-ного попадания в молниеотвод на высоте ориентировки молнии H
20
elib.pstu.ru