Лабораторная работа №7

Исследование распределения напряжения по элементам высоковольтных изоляционных конструкций

(Продолжительность выполнения – 4 часа)

I. Цель работы

I. Измерение распределения напряжения по элементам изоляционных конструкций с помощью электрической схемы замещения гирлянды подвесных изоляторов.

2. Изучение распределения напряжения по гирлянде подвесных изолято­ров методом непосредственного измерения.

3. Исследование влияния материала изоляторов и формы воздействующего напряжения на характер распределения напряжения по гирлянде подвес­ных изоляторов.

4. Ознакомление с методами выравнивания распределения напряжения по элементам изоляционных конструкций и профилактического контроля состояния изоляторов.

II. Предварительные сведения

Рабочее напряжение распределяется по элементам изоляционных конструк­ций неравномерно. Причину такого распределения можно выяснить, напри­мер, исходя из электрической схемы замещения подвесных изоляторов, по­казанной на рис. 7.1. Каждый элемент гирлянды имеет вполне определенную внутреннюю емкость С, которую назовем собственной емкостью изолятора. Кроме собственной емкости элементов гирлянды в схему замещения вводятся емкости С₁ - емкости металлических частей изоляторов относительно заземленных частей сооружения (опора, заземленный трос), и емкости С₂ - ем­кости этих же частей относительно частей установки, находящихся под на­пряжением (емкости относительно провода). Эти добавочные емкости назовем паразитными.

Обычно для всех изоляторов емкости С одинаковы, поскольку гирлянда комплектуется из однотипных изоляторов. Если бы паразитные емкости С₁ и С₂ отсутствовали, напряжение распределялось бы по элементам гирлянды равномерно, так как через емкости элементов протекал бы один и тот же ток, вызывающий одинаковые падения напряжения на емкостях элементов.

Рассмотрим, как влияет на распределение напряжения наличие емкостей элементов относительно земли С₁, предполагая, что емкости С₂ отсутству­ют. На рис. 7.2,а представлена соответствующая схема замещения и условно показана стрелка распределения токов. Из схемы видно, что через емкость ближайшего к земле элемента гирлянды протекает наименьший ток, а через емкость элемента, ближайшего к проводу - наибольший. Следовательно, на­личие емкостей элементов относительно земли должно приводить к тому, что наибольшее напряжение оказывается на элементе, ближайшем к проводу, и напряжение распределяется вдоль гирлянды так, как показано на рис. 7.2,б.

Если таким образом рассмотреть влияние емкости С₂ элементов относительно провода предполагая, что емкости С₁ отсутствуют, то аналогичные рассуждения приведут к обратной картине. Практически приходится считать­ся как с емкостями относительно земли, так и емкостями относительно провода. Если предположить, что величины емкостей С₁ и С₂ для всех элемен­тов гирлянды одинаковы и С₁ = С₂ (симметричная схема), то наибольшее (одинаковое) напряжение будет ложиться на крайние элементы гирлянды, а наименьшее - на средние. Практически емкости С₁ и С₂, естественно, различны для разных элементов гирлянды (зависят от положения данного изолятора в гирлянде), а совместное влияние этих емкостей оказывается обычно таким образом, что наибольшее напряжение ложиться на изоляторы расположенные около провода, а наименьшее

- на изоляторы, находящиеся в средней части гирлянды ближе к заземленному концу.

В емкостной цепочки рис. 7.1 можно подобрать величины емкостей С₂ отдельных элементов (при С₁ = const.), так что распределение напряжения по цепочке будет равномерным, то есть:

(7.1)

где U₀ - напряжение, приложенное к гирлянде;

n - число элементов в гирлянде;

K - порядковый номер элемента, считая от заземленного конца.

Для этого нужно, чтобы заряды на емкостях относительно провода C_2k·(U₀ - U_k) были равны зарядам на емкостях относительно земли C₁·U_k.

Тогда:

(7.2)

Такое распределение емкостей применяют также в трансформаторах с емкостной компенсацией для выравнивания распределения напряжения при воздействии грозовых разрядов.

C

C₁

C₂

U_a

Рисунок 7.1 – Гирлянда изоляторов и схема ее замещения.

5

4

3

2

1

4

3

2

1

6

5

4

3

2

6

5

4

3

2

C₁

C₁

C₁

C₁

C₁

C

C

C

C

C

C

U₀

1

3

2

1

2

1

1

а)

U

б)

Рисунок 7.2 – Распределение напряжения вдоль гирлянды изоляторов (С₂=0)

При неравномерном распределении напряжения на ближайших к проводу изоляторах может возникнуть коронный разряд. Напряжение появления ко­роны на изоляторах лежит в пределах 20-25 кВ. Корона на изоляторах в нормальном режиме недопустима, так как вызывает коррозию металлических частей, радиопомехи, мешающие не только радиоприему, но и обнаружению дефектных изоляторов в гирлянде радиометодами. Поэтому на напряжение 220 кВ и выше применяют выравнивающую арматуру в виде рогов, восьмерок, колец, овалов, укрепленных на концах гирлянды, в месте присоединения провода. Эта арматура увеличивает емкость изоляторов по отношению к проводу и этим улучшает распределение напряжения по гирлянде.

С течением времени под действием различных внешних факторов (дей­ствие механических и электродинамических нагрузок; механических напря­жений, возникающих при нагревании прямыми лучами солнца; действие от­крытой дуги и т.д.) в изоляторах могут образовываться дефекты, приво­дящие к резкому снижению их изолирующей способности. Для выявления дефектных изоляторов осуществляется контроль их состояния перед монта­жом, а также в процессе эксплуатации.

Для выявления повреждений в изоляторах перед монтажом производится измерение сопротивления изоляторов и испытание их повышенным напряжением. Сопротивление изоляции измеряется с помощью мегомметра на напря­жение 2500 В. При этом, например, подвесные изоляторы бракуются, если их сопротивление оказывается меньше 300 МОм.

Однако следует отметить, что при таком контроле трещины в фарфоре в сухом состоянии обычно не обнаруживаются, так как сопротивление изоляции остается высоким. Более эффективным является испытание изоляторов повышенным напряжением. В этом случае, если пробивное напряжение испытуемого изолятора оказывается меньше 50% пробивного напряжения целых изоляторов, то изолятор отбраковывается.

Основным методом контроля состояния многоэлементной фарфоровой изоляции является измерение распределения напряжения по отдельным элементам, позволяющим осуществлять контроль без отключения электроустановки. Этот метод основывается на измерении напряжения, которое приходится на каждый изолятор гирлянды или колонки опорно-штыревых изоляторов. Как отмечалось ранее, на каждый элемент исправной изоляции приходится вполне определенное значение рабочего напряжения. Если в результате повреж­дения или пробоя изолятора его сопротивление уменьшается, то это повлечет за собой иное распределение напряжения между элементами изоляционных конструкций. На дефектные изоляторы приходится малое напряжение, а целые - больше, чем обычно. Это обстоятельство и позволяет обнаружить поврежденный элемент.

Измерение производится с помощью штанги, которая состоит из изолирую­щей части и измерительной головки. Щупы измерительной головки подключа­ются либо к электродам с переменным искровым промежутком, либо непосред­ственно к прибору, отградуированному в киловольтах. При измерении штан­га опирается на элемент изолятора, на котором производится измерение.

На воздушных линиях электропередачи напряжением 330 кВ и выше, имею­щих большое число изоляторов в гирляндах, все большее распространение для отыскания гирлянд с поврежденными изоляторами находит дефектоскоп, использующий метод частичных разрядов, основанном на регистрации высокочастотных электромагнитных волн, возникающих при горении частичной ду­ги в дефектном изоляторе.

Следует отметить, что применение на линиях изоляторов из закаленного стекла значительно упрощает задачу выявления дефектных изоляторов. При образовании трещин в стеклянном изоляторе его тарелка полностью разрушается, что позволяет выявить дефектный изолятор визуальным наблюдением.