II. Предварительные сведения

Все высоковольтное электротехническое оборудование, выпускаемое заводами, проходит заводские испытания, а в период эксплуатации – профилактические испытания повышенным напряжением промышленной частоты. Эти испытания, создающие для электрооборудования условия, приближающиеся к эксплуатационным, позволяют установить состояние изоляции электрооборудования и пригодность его к работе.

Для проведения испытаний существуют стационарные и передвижные (для испытаний в условиях эксплуатации) испытательные установки. Основным элементом высоковольтных испытательных установок промышленной частоты является испытательный трансформатор (ИТ). Испытательные трансформаторы по своим параметрам (номинальное напряжение, мощность) должны обеспечивать возможность проведения испытаний соответствующего электрооборудования. Для испытания электрооборудования на классы напряжения 3-220 кВ требуются испытательные напряжения промышленной частоты от 18 до 550 кВ. Для электрооборудования напряжением 500 кВ величины испытательных напряжений достигают 1200 кВ. Еще более высокие напряжения требуются для определения разрядных характеристик изоляции, а также для испытания изоляции электрооборудования напряжением 750 кВ и выше.

Испытательные напряжения до 500-750 кВ могут быть получены с помощью единичных ИТ, а более высокие напряжения получают обычно на кас­кадных установках, состоящих из нескольких трансформаторов.

Мощность испытательных трансформаторов определяется величиной испытательных напряжений, а также длительно протекающих по обмоткам токов утечки через испытуемую изоляцию.

Особенностями испытательных трансформаторов является кратковременность работы, отсутствие воздействий атмосферных перенапряжений, а также возможность бросков тока и резких спадов напряжения на выводах при перекрытиях или пробоях изоляции испытываемых объектов. Эти особенности находят отражение в конструкциях испытательных трансформаторов: в них проще решаются вопросы охлаждения; значительно ниже, чем у силовых трансформаторов, запасы электрической прочности изоляции. Благодаря этому размеры ИТ во много раз меньше силовых. Защита ИТ от перенапряжений, возникающих при резких спадах напряжения, осуществляется с помощью ёмкостных колец, экранов и путём усиления изоляции первых витков обмоток. Для ограничения бросков тока в цепь высокой стороны включается защитное сопротивление из расчета 0,5-1 Ом на 1 В номинального напряжения трансформатора.

Испытательные трансформаторы выполняются обычно однофазными, поскольку электрооборудование испытывается пофазно. Обмотка высшего напряжения чаще всего имеет один вывод, а второй конец обмотки соединен с корпу­сом и сердечником (несимметричная схема). Такая схема обмотки и распре­деление напряжения по ней (рис. 1.1,а ) соответствует условиям испы­таний электрооборудования и позволяет испытывать изоляцию по отношению к заземленному корпусу. Изоляция обмотки может быть выполнена ступенчатой с уменьшением её в направлении от линейного конца обмотки к её заземленному концу. Заземление корпуса трансформатора облегчает условие эксплуатации по технике безопасности. Легче производятся измерение и осциллографирование тока - путём включения измерительных приборов в заземленный конец обмотки.

В некоторых случаях испытательные трансформаторы выполняются с двумя выводами обмотки высшего напряжения (симметричная схема). В этом случае средняя точка обмотки присоединяется к сердечнику и корпусу, а изоляцию высоковольтных выводов её можно выполнить на половинное напряжение (рис. 1.1, б ). Недостатком такой схемы является невозможность испытывать полным напряжением ИТ изоляцию электрооборудования по отношению к заземленному корпусу, так как величина испытательного напряжения ограничивается половиной номинального напряжения трансформатора.

Для регулирования испытательного напряжения обмотка низшего напря­жения ИТ получает питание от регулирующего устройства, позволяющего изменять первичное напряжение трансформатора от нуля до его номинально­го значения. В настоящее время в подавляющем большинстве случаев в ка­честве регулирующих устройств используются регулировочные автотрансформаторы иди индукционные регуляторы напряжения.

Широкий круг вопросов, исследуемых в высоковольтных лабораториях, обуславливает необходимость наличия большого парка специальной измерительной аппаратуры, предназначенной только для лабораторных измерений на высоком напряжении (ВН). Распространенные в технике сильных токов измерительные трансформаторы напряжения не нашли применения в испытательных установках ВН, т.к. потребляемая ими мощность соизмерима с мощностью испытательных трансформаторов (ИТ), а изоляция должна быть рассчитана на полное напряжение уставки.

корпус

U_ном

U

0

а)

l

U

0

б)

l

НН ВН НН ВН

Рисунок 1.1 – Испытательные трансформаторы: а) – с одним выводом (несимметричная схема); б) – с двумя выводами (симметричная схема)

ВН

ВН

б)

C₁

r₁

C₂

r₂

а)

Рисунок 1.2 – Принципиальная схема делителя напряжения: а) – активный делитель; б) – емкостной делитель

Из всего многообразия методов измерения широкое распространение получили сравнительно немногие. Для измерения постоянных напряжений и напряжений промышленной частоты широко применяются электростатические вольтметры. Для определения формы кривой ВН промышленной частоты могут быть применены так называемые роторные вольтметры. Однако конструкция таких вольтметров на напряжение 500 кВ и выше является уникальной.

Наиболее универсальным, позволяющим измерять амплитуду всех форм напряжения и практически любой частоты, является метод измерения шаровым разрядником. Это измерение основано на том, что пробивное напряжение в промежутке с однородным полем изменяется пропорционально расстоянию между электродами, т.е. U_проб между шарами радиусом R, при прочих равных условиях, зависит от расстояния между шарами, диаметра шаров и способа их включения. Исследования показывают, что при расстоянии ( S ) между шарами S ≤ 0.5 Д, где Д - диа­метр шаров и удаленности шаров от заземленных предметов в пределах (6-10) S, погрешность в измерениях не превышает 2-3%.

Величины разрядных напряжений при известном диаметре шаров и расстоя­нии между ними, момент пробоя промежутка, определяются по стандартным градуировочным таблицам Международной электротехнической комиссии (МЭК). Эти таблицы составлены для нормальных атмосферных условий (Р = 760мм рт.ст. и t = 20ºС). Если при измерениях атмосферные условия отличаются от нормальных, то в измеряемое напряжение должна быть введена поправка на плотность воздуха и табличное напряжение следует умножить на относи­тельную плотность воздуха:

(1.1)

где Р - давление в мм рт.ст;

t - температура в ºС.

Изменение влажности воздуха на пробивные напряжения шаровых разрядников влияет слабо.

Для измерения высоких напряжений, диаметр измерительных шаров выбирается исходя из следующего условия – на каждые десять киловольт измеряемого напряжения принимается один сантиметр диаметра шара, т.е., например, если измеряемое напряжение не превышает 100 кВ., шары могут быть приняты диаметром 10 см., а при измерении напряжения до 1000 кВ. – 100 см. и т.д. На основании обработок экспериментальных данных разрядные напряжения промежутка между двумя шарами радиусом R можно определить по следующей эмпирической формуле:

(1.2)

Широкое распространение в настоящее время при измерении В.Н. получили также делители напряжений. Делитель напряжения позволяет измерять некоторую, вполне определенную часть общего измеряемого напряжения и благодаря этому использовать для измерений более простые приборы или электронные осциллографы. Делители напряжения состоят из последовательно соединенных активных сопротивлений или емкостей или комбинаций этих элементов и поэтому называются активными, емкостными или смешанными (рис. 1.2).

Величины r₁, C₁ и r₂, C₂ называются, соответственно, верхним и нижним плечами делителя. Отношение высокого напряжения U₂, подаваемого на делитель, к напряжению U^'₁ , измеряемому прибором, называется коэффициентом делителя:

(1.3)

или, зная К, полное измеряемое напряжение вычислится по формуле:

В первом приближении коэффициент деления может быть выражен через параметры делителя:

для активного делителя: , (1.4)

для емкостного делителя: . (1.5)

При выборе параметров делителя полное сопротивление делителя должно быть таким, чтобы ток, протекающий через делитель, находился в пределах 5-10 mА, т.е. чтобы сам делитель не создавал заметной нагрузки на испытательный трансформатор.

Одной из основных задач при производстве испытаний является построение градуировочной кривой испытательной схемы, которая заключается в определении зависимости вторичного напряжения испытательного трансформатора от первичного, т.е. U₂ = f(U₁). Построение такой зависимости обусловлено нелинейностью кривой намагничивания стали трансформатора, в результате чего эта зависимость может представляться некоторой кривой В в отличие от прямой А при постоянном отношении напряжений (рис. 1.3), а при большой емкостной нагрузке вторичной об­мотки зависимость U₂ = f(U₁) может сильно отличаться от прямой или лежать выше ее, например кривая В'.

Построение градуировочной кривой испытательного трансформатора мо­жет быть выполнено любым из ранее рассмотренных методов, т.е. путем непосредственного измерения вторичного напряжения, с помощью шарового разрядника или методом деления высокого напряжения.