Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электрооборудование высокого напряжения и его эксплуатация. Учебное пособие
.pdf
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
О. И. ЛАПТЕВ, Н. В. ЩЕГЛОВ
ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ
ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ
И ЕГО ЭКСПЛУАТАЦИЯ
Утверждено
Редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного пособия
НОВОСИБИРСК
2024
УДК 621.3.027.3:62-83(075.8)
Л246
Рецензенты:
д-р техн. наук, профессор В. Е. Качесов,
канд. техн. наук, главный инженер проекта ООО «ИНПЭС»
И. М. Степанов
Лаптев О. И.
Л246 Электрооборудование высокого напряжения и его эксплуата-
ция: учебное пособие / О. И. Лаптев, Н. В. Щеглов. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2024. – 108 с.
ISBN 978-5-7782-5190-8
Рассмотрены методики некоторых видов испытаний оборудования
высокого напряжения подстанций (силовые и измерительные трансформаторы, коммутационные аппараты, ограничители перенапряжений) в эксплуатации с целью выявления дефектов. Кроме того дана информация об установках и приборах для проведения этих испытаний.
УДК 621.3.027.3:62-83(075.8)
ISBN 978-5-7782-5190-8 © Лаптев О. И., Щеглов Н. В., 2024
© Новосибирский государственный
технический университет, 2024
2
ВВЕДЕНИЕ
При эксплуатации электроустановок необходимо поддерживать
исправное состояние оборудования, обеспечивать безопасность и снижать затраты (рациональная эксплуатация). Один из основных методов
повышения надежности оборудования – это диагностика и своевременное выявление возникающих дефектов.
Для выявления дефекта необходимо выполнить измерение и анализ
определенных характеристик оборудования. Те или иные значения или
изменения во времени этих
наличии дефекта (так называемый диагностический признак). Диагностические признаки разных типов оборудования, конструкций и даже
разных серий могут различаться.
Так, для силовых трансформаторов основные виды дефектов – это
загрязнение и увлажнение бумажно-масляной изоляции обмоток.
Диагностическими признаками, позволяющими выявить развитие этих
дефектов, является тангенс угла диэлектрических потерь,
ние изоляции, коэффициент абсорбции. Для измерительных трансформаторов характерный дефект – это витковое замыкание, обнаружить
которое можно, измерив характеристики намагничивания. Надежным
диагностическим признаком дефектов в нелинейных ограничителях
перенапряжений служит увеличение активной составляющей тока
утечки через ограничитель.
Для измерения рассмотренных выше характеристик необходимы,
как правило, применение ряда прецизионных приборов (мостов Шеринга
, мегаомметров, датчиков тока и т. д.), а также определенные
навыки. Может потребоваться выполнение измерений для оборудования нестандартной конструкции, измерений в условиях сильных
характеристик могут свидетельствовать о
сопротивле-
3
электромагнитных полей, загрязнения и увлажнения изоляции оборудования.
В учебном пособии рассматриваются диагностические признаки
для некоторых основных видов электрооборудования высокого напряжения, методики выявления дефектов. Описан принцип действия
и даны указания по проведению измерений диагностическими приборами.
4
1. МЕТОДЫ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ
ИЗОЛЯЦИИ
Мощность, рассеиваемая в диэлектрике при воздействии на него
переменного электрического поля, приводит к диэлектрическим потерям. Рассеивание электрической мощности в диэлектрике сопровождается его разогревом. В синусоидальном поле потери в диэлектрике
характеризуются тангенсом угла диэлектрических потерь. Углом диэлектрических потерь называют угол, дополняющий до π/2 угол сдвига
фаз между током и
исследуемый диэлектрик. Значение
ческой энергии, которая необратимо переходит в теплоту (теряется
в диэлектрике) за один период колебаний электрического поля:
напряжением в емкостной цепи, содержащей
tg определяет ту долю электри-
tg ,
r
(1)
где
– коэффициент диэлектрических потерь;
r
– относительная
диэлектрическая проницаемость.
Диэлектрические потери, отнесенные к единице объема диэлектрика, называются удельными. По механизму превращения электрической
энергии в тепловую различают релаксационные, ионизационные и резонансные диэлектрические потери.
Релаксационные диэлектрические потери имеют место в полярных
диэлектриках и обусловлены ориентационным механизмом поляризации, при котором установление величины вектора поляризации носит
релаксационный
максимума
Максимум
рых период Т
характер. Такие потери характеризуются наличием
tg на кривых температурной и частотной зависимости.
tg соответствует такой частоте и температуре, при кото-
изменения поля примерно равен времени установления
ориентации молекул (времени релаксации).
Ионизационные диэлектрические потери наблюдаются в газах
и в твердых пористых диэлектриках при напряженности внешнего
5
электрического поля, превышающего некоторое пороговое значение.
Ионизационные диэлектрические потери обусловлены ударной ионизацией атомов и молекул газа и имеют особенно большое значение
в диапазоне радиочастот.
Резонансные диэлектрические потери наблюдаются в тех случаях,
когда основную роль в поляризации диэлектриков играют малые колебания (смещения) электронов и ионов. Диэлектрические потери при
таких колебаниях
максимальны, если частота внешнего электрическо-
го поля близка к частоте собственных колебаний электронов или ионов
(резонанс). Ионному резонансу соответствуют частоты
электронному –
10
15
…
16
10
Гц. С резонансными диэлектрическими
10
12
…
10
14
Гц,
потерями связано поглощение света веществом.
Значение tg для различных диэлектриков колеблются в пределах
410
от
до 0,3. Как правило, малыми значениями tg обладают непо-
лярные и ионные диэлектрики. Такие материалы относятся к группе
ВЧ-диэлектриков. Большим tg обладают сегнетоэлектрики, в кото-
рых определяющими являются диэлектрические потери, обусловленные переориентацией доменов в переменном электрическом поле
(гистерезисные диэлектрические потери). Реальные диэлектрики обладают конечной электрической проводимостью, с которой
связана также часть диэлектрических потерь (джоулевы потери). При низких частотах и повышенных температурах джоулевы потери могут оказаться
существенными. Уменьшение диэлектрических потерь имеет большое
значение в производстве конденсаторов и в электроизоляционной
технике. В результате диэлектрических потерь часть электромагнитной
энергии преобразуется в теплоту, что в ряде случаев ухудшает функционирование
электронных приборов и устройств, содержащих диэлектрические элементы (ИС, диэлектрических резонаторов, активных
элементов лазеров и др.), вплоть до выхода их из строя.
Большие диэлектрические потери используются для ВЧ-нагрева
материалов в таких технологических процессах, как сушка (древесины,
бумаги, керамики и др.), нагрев пластмасс перед прессованием.
Диэлектрические потери измеряются одновременно с измерением
диэлектрической проницаемости вещества. В диапазоне частот
от 50 Гц до 10 МГц применяются мостовые методы измерения; на частотах, превышающих 200 МГц, диэлектрические потери измеряют
6
в основном с помощью измерительных линий и волноводов. Для изме-
j
j
рения диэлектрических потерь используют также калориметрические
методы.
Для контроля состояния изоляции в заводских лабораториях
и в энергосистемах применяются главным образом электрические
методы неразрушающих испытаний, которые базируются на двух основных явлениях, возникающих в диэлектриках под действием слабых электрических полей: электропроводности
и электрической по-
ляризации.
Электропроводность технических диэлектриков и изоляционных
конструкций носит, как правило, примесный характер, т. е. обусловлена движением свободных ионов, образующихся при диссоциации примесей, или движением заряженных коллоидных частиц (в жидкостях).
С ростом температуры подвижность заряженных частиц растет, поэтому увеличивается и электропроводность.
Зависимость удельной объемной электропроводности
ратуры
для большинства диэлектриков хорошо описывается выра-
от темпе-
жением
jje
0
0
, (2)
где
– температура, при которой
0
.
j
0
Чем больше в изоляции загрязняющих примесей, тем выше ее
электропроводность и тем ниже электрическая прочность. Поэтому
проводимость или обратная ей величина – сопротивление утечки
R
у
изоляции – могут быть косвенными показателями степени загрязненности и, следовательно, общего состояния изоляции.
Процесс поляризации в реальных диэлектриках сопровождается
рассеянием энергии – диэлектрическими потерями, которые характеризуются величиной tg . При наличии сквозной проводимости и воз-
действии переменного напряжения с круговой частотой
tg опре-
деляется выражением
tg
j
, (3)
где
и
– соответственно мнимая и действительная часть ком-
плексной диэлектрической проницаемости.
7
Для многих технических диэлектриков при напряжении промыш-
j
j
ленной частоты
, поэтому можно принять
tgj
Тогда зависимость tg от температуры
tg tg e
. (4)
θ
можно представить в виде
0
0
. (5)
Таким образом, tg , как и сопротивление утечки, может служить
косвенным показателем состояния изоляции.
В комбинированной изоляции, состоящей из нескольких диэлектриков с разными характеристиками, имеет место специфическое явление накопления на границах диэлектриков зарядов, именуемых зарядами абсорбции. Это явление связано с различием свойств отдельных
слоев и называется миграционной поляризацией.
Рассмотрим это явление на примере двухслойной изоляции плоского конденсатора при постоянном напряжении (рис. 1,
жения
U в момент включения на электродах «мгновенно» появляются
а). При бесконечной мощности напря-
заряды и напряженности электрического поля в слоях. Они будут
определяться только диэлектрическими проницаемостями
и
и толщинами
d
1
слоев. При этом
d
2
U
E
10
dd
11 2 2
2
,
E
20
U
1
dd
11 2 2
. (6)
и
1
2
Плотности токов утечки в слоях изоляции при
EU
10 2 1
j
10
11122
v
– удельные объемные сопротивления слоев изоляции.
2v
где
и
1v
При неоднородной изоляции, когда
/
v
dd
12
21vv
, или
EU
,
j
8
20 1 2
20
21122
v
10 20
11 2 2vv
t = 0 будут равны
/
v
, (7)
dd
, имеет место условие
j
. (8)
При положительной полярности верхнего электрода, примыкающе-
j
E
E
j
j
E
j
E
E
j
j
го к первому слою,
12
21vv
и, следовательно,
j
10 20
.
а б в
Рис. 1. Двухслойная изоляция плоского конденсатора
и схемы ее замещения
Тогда при t = 0 к границе слоев приходит больше зарядов, чем
от нее уходит, и на границе, разделяющей слои, начинает накопляться
<
заряд абсорбции. При
1
и указанной полярности напряжения
2
этот заряд будет положительным. По мере накопления заряда абсорбции напряженности в слоях меняются:
уменьшается,
1
увеличи-
2
вается. Соответственно изменяются и токи утечки в слоях, причем раз-
и
личие между
1
со временем уменьшается. Накопление заряда
2
абсорбции завершается, когда достигается равенство
,
E
12
или
11 2 2
, (9)
j
означающее, что распределение напряженностей в изоляции определяется только удельными объемными сопротивлениями слоев. Изменение напряженностей
и
1
, а также токов
2
и
1
во времени
2
происходит по экспоненциальному закону (рис. 2).
Полный заряд абсорбции в установившемся режиме равен
9
где
dd
12
12
vv
SS
qU
абс
,
S
– площадь электродов и границы между слоями.
S
1
2
12
dd
12
12
vv
SS
12
,
(10)
Рис. 2. Изменение во времени напряженностей
и токов утечки в двухслойной изоляции
()
11 2 2
vv
Из (10) следует, что
абс
только при соблюдении условия не-
0q
однородности изоляции (8).
Таким образом, заряд абсорбции и связанные с ним явления харак-
теризуют неоднородность изоляции.
Изоляция установок высокого напряжения выполняется комбинацией нескольких диэлектриков и поэтому даже в нормальном состоянии имеет структурную неоднородность. При появлении некоторых
дефектов или в процессе старения, когда отдельные диэлектрики
поразному изменяют свои характеристики, степень неоднородности может увеличиваться. Поэтому параметры изоляции, связанные с явлением миграционной поляризации, могут служить показателями ее состояния и использоваться для ее контроля. Процесс накопления заряда
абсорбции и его внешние проявления анализируют с помощью схемы
замещения изоляции по слоям (рис. 1,
б).
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]