ТЕХНИКА ВЫСОКИХ НАПРЯЖЕНИЙ / КУЛЬМАНОВСКИЙ ТЕХНИКА ВЫС. НАПР ЛАБ

Министерство транспорта Российской Федерации Федеральное агентство железнодорожного транспорта ГОУ ВПО «Дальневосточный государственный университет путей сообщения»

Кафедра «Электроснабжение транспорта»

А.И. Кульмановский

ТЕХНИКА ВЫСОКИХ НАПРЯЖЕНИЙ. ИЗОЛЯЦИЯ И ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЕ

Сборник лабораторных работ

Рекомендовано Методическим советом ДВГУПС

в качестве учебного пособия

Хабаровск Издательство ДВГУПС

2005

1

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

УДК 621.3. 048 (075.8)

ББК З 241 я 73

К 906

Рецензенты:

Кафедра «Электротехника» Хабаровского государственного технического университета

(заведующий кафедрой доктор физико-математических наук,

профессор А.П. Кузьменко)

Начальник производственной лаборатории испытаний и измерений ОАО «Хабаровская горэлектросеть»

В.Л. Ридель

Кульмановский, А. И.

К 906 Техника высоких напряжений. Изоляция и перенапряжение : сб. лаб. работ / А. И. Кульмановский. – Хабаровск : Изд-во ДВГУПС, 2005. – 97 с. : ил.

Сборник лабораторных работ соответствует дисциплинам «Техника высоких напряжений», «Изоляция и перенапряжение» по государственному образовательному стандарту высшего профессионального образования направления 650900 (140200) «Электроэнергетика».

В сборнике рассмотрены теоретические вопросы, методики проведения лабораторных работ на установках высокого напряжения и испытаний высоковольтных кабелей на действующих трассах, а также вопросы электробезопасности. Представлен порядок проведения испытаний с указанием норм испытательных напряжений согласно нормативным документам и государственным стандартам.

Предназначен для студентов четвертого курса всех форм обучения специальностей 100100 (140204), 100200 (140205), 100400(140211), изу-

чающих дисциплины «Техника высоких напряжений» и «Изоляция и перенапряжение».

УДК 621.3. 048 (075.8)

ББК З 241 я 73

ãГОУ ВПО «Дальневосточный государственный университет путей сообщения» (ДВГУПС), 2005

2

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

ВВЕДЕНИЕ

Для увеличения потребления электрической энергии и снижения ее стоимости необходимо увеличивать мощности районных электростанций. Такая концентрация производства электрической энергии требует увеличения количества и протяженности магистральных и распределительных линий электропередач. Передача электрической энергии на дальние расстояния связана с использованием высоких напряжений. Чем больше передаваемая энергия и длиннее расстояние, тем более высокие напряжения выгодно применять, поэтому с 1960 г. в России начали эксплуатироваться линии с напряжением 330, 500, а затем 750 и 1150 кВ переменного тока. Создание, освоение и эксплуатация аппаратуры линий и подстанций на такие сверхвысокие напряжения, требуют от инженеров-электроэнергетиков глубокого знания комплекса вопросов, связанных с изоляцией высоковольтных устройств.

Надежная работа электроустановок высокого напряжения в основном определяется состоянием изоляции. Повреждаемость электрооборудования из-за нарушения целостности изоляции составляет 75–80 %, поэтому изучение вопросов, связанных с работой изоляции высоковольтных электроустановок, является обязательным в подготовке инженеров-электроэнергетиков и электромехаников.

Настоящий сборник содержит описание лабораторных работ по профилактическим испытаниям изоляции высоковольтных устройств на опытных образцах и лабораторных установках.

Каждая лабораторная работа предусматривает четыре часа самостоятельной подготовки и два часа занятий в лаборатории.

Для всех лабораторных работ обязательным является изучение основных закономерностей при воздействии внешнего электрического поля; подготовка таблиц для записи результатов измерений; подготовка ответов на контрольные вопросы.

Результаты испытаний, их обработка и выводы оформляются в виде отчета самостоятельно каждым студентом.

Схемы и графики можно вычерчивать карандашом, но обязательно с применением чертежных принадлежностей. Элементы схемы должны быть изображены по государственному стандарту.

Графики выполняются на бумаге в клетку или миллиметровке. Значения аргумента следует откладывать по горизонтальной оси, а значения функции – по вертикальной. Вдоль осей наносят масштабные шкалы, длина делений которых должна быть равномерной. Надпись числовых значений следует выполнять напротив делений.

После нанесения экспериментально полученных точек, используя линейку или лекало, следует провести плавную линию, проходящую по возможности ближе к этим точкам.

При большом количестве кривых на одном графике рекомендуется изображать их штриховыми, штрихпунктирными и цветными линиями.

По каждой лабораторной работе предусматривается индивидуальный отчет перед преподавателем.

При выполнении лабораторных работ необходимо строго соблюдать методику, точность определения измерений, а также правила техники безопасности.

3

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

1.ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ИСПЫТАНИЙ ИЗОЛЯЦИИ УСТАНОВОК ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Изоляция установок высокого напряжения в процессе изготовления, на месте установки перед включением, в процессе эксплуатации подвергается испытаниям. Испытания изоляции подразделяются на две основные группы и регламентированы: ГОСТ 1516.1–76; ГОСТ 1516.2–76;

ГОСТ 11828–75; ГОСТ 1282–72.

1.Типовые испытания, которые имеют целью проверить соответствие изоляции данного устройства заданным техническим требованиям и нормам, проводятся для каждого вновь осваиваемого типа электрооборудования или в случае изменения конструкции, замены применяемых материалов или технологии изготовления.

Типовые испытания с наибольшей полнотой дают представление о качестве выпускаемого изделия, охватывая его параметры, а также электрические, механические, тепловые и физические характеристики.

2.Контрольные испытания, имеющие цель проверить качество из-

готовления и технологической обработки каждого готового к выпуску изделия, можно разделить на три подгруппы:

–периодические испытания, имеющие цель в установленные сроки контролировать качество выпускаемой продукции;

–приемосдаточные испытания, имеющие цель контроля качества изоляции каждого образца при выпуске его с завода изготовителя;

–контрольные испытания, проводимые в условиях эксплуатации. Такие испытания называют профилактическими.

Объем контрольных испытаний в сравнении с типовыми значительно сокращен и включает важнейшие параметры и характеристики, позволяющие судить о возможности ввода оборудования в эксплуатацию.

При установке и вводе в эксплуатацию оборудование подвергается испытаниям по программе приемосдаточных испытаний, при этом испытательные напряжения трансформаторов и изоляторов должны составлять не более 90 % заводского испытания.

Результаты заводских испытаний и испытаний на месте монтажа являются также исходным материалом для оценки изменения состояния изоляции в процессе эксплуатации.

Надежная и длительная эксплуатация электротехнических устройств

иоборудования требует соблюдения нормальных условий и режима работы и грамотного, квалифицированного ухода за ними. Однако и при нормальных условиях постепенно в результате одновременного воздействия высокого напряжения, термических и механических нагрузок, окружающей среды, качество изоляции снижается. В изоляции возникают места с пониженными электрическими и механическими характеристиками – дефекты. Дефекты в изоляции могут возникнуть и как результат

4

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

грубых эксплуатационных просчетов и случайностей – механических повреждений, перегрева, увлажнения.

Дефекты изоляции подразделяются на местные (сосредоточенные) и распределенные.

Местные дефекты охватывают незначительный объем изоляции в виде сосредоточенных трещин, каверн, воздушных включений, частичного увлажнения.

Распределенные дефекты охватывают большую часть объема изоляции (увлажнение всей обмотки трансформатора, электрической машины, загрязнение всей поверхности, наличие большого числа воздушных включений в бумажно-масляной изоляции конденсаторного ввода и т. д.).

Дефекты в изоляции возникают также в процессе эксплуатации в результате ее старения. Развитие дефектов за счет старения изоляции протекает сравнительно медленно и скрытно от эксплуатационного персонала.

Признаками старения изоляции являются: ухудшение электрических характеристик, понижение механической прочности, изменение структуры материала изоляции и т. д. Процессы старения изоляции зависят от условий эксплуатации, режимов работы, возникающих атмосферных и коммутационных перенапряжений, повышенной температуры и т. д.

Для предотвращения аварий необходимо своевременно выявлять наличие дефектов в изоляции. Это требует систематического надзора и контроля за состоянием изоляции электротехнических устройств.

Мероприятиями контроля и профилактики изоляции являются установление дефектов в изоляции, определение связи между ее электрическими и механическими характеристиками и возникающими дефектами, разработка и применение различных способов выявления дефектов и методов восстановления дефектной изоляции.

При выработке объемов и норм испытания необходимо учитывать вид изоляции (внешняя или внутренняя).

Внешняя – это изоляция, для которой изолирующей средой является воздух. Прочность этой изоляции определяется условиями пробоя воздушных промежутков или разрядом в воздухе по поверхности твердого диэлектрика. Электрическая прочность этого вида изоляции зависит от атмосферных условий.

Внутренняя – это изоляция в виде жидкого или твердого диэлектрика. Электрическая прочность изоляции определяется характеристиками этой среды и практически не зависит от атмосферных условий.

Испытания изоляции подразделяются на две группы.

1. Разрушающие – испытания повышенным, по сравнению с рабочим, напряжением. Они связаны с возможностью пробоя изоляции, с вероятностью некоторой порчи изоляции. Достоинства таких испытаний заключаются в том, что они позволяют надежно выявлять местные дефекты и повреждения изоляции, которые невозможно или затруднительно выявить с помощью других методов.

5

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

Основной характеристикой изоляции электрооборудования при этом методе испытаний, являются испытательные напряжения, которые регламентированы государственными стандартами для различных классов напряжений и видов электрооборудования.

2. Неразрушающие или косвенные методы испытаний, проводимые при относительно низких напряжениях и дающие полезные сведения о состоянии изоляции, об ухудшении ее характеристик.

При неразрушающих испытаниях определяются наиболее важные характеристики состояния изоляции такие, как сопротивление, величина и характер изменения токов абсорбции, тангенс угла диэлектрических потерь tgδ, емкость изоляции при различных частотах и температуре, наличие и интенсивность частичных разрядов при рабочем напряжении, распределение напряжения по элементам изоляционных конструкций и др.

Испытание изоляции неразрушающими методами проводится как на реальных электроустановках, так и на моделях при относительно низких напряжениях.

По результатам измерений этих характеристик можно сделать вывод о состоянии изоляции. Для снижения вероятности ошибочного истолкования результатов измерений, изоляция подвергается нескольким видам испытаний.

Надежная работа изоляционных конструкций зависит от их термического режима, поэтому при проведении электрических испытаний регламентируется температура, а для ряда высоковольтных устройств (проходные изоляторы, конденсаторы и т. д.) предусматриваются тепловые испытания. Этот вид испытаний преследует цель выявления опасности развития теплового пробоя изоляции.

Изоляционные конструкции должны быть механически надежными, поэтому для ряда электротехнических устройств предусмотрены механические испытания на статические (растяжение, сжатие, изгиб), динамические нагрузки (вибрация, расслоение) и т. д. Поскольку механические напряжения в изоляционном материале могут оказать влияние на его электрическую прочность, то для некоторых видов изоляционных устройств, например подвесных изоляторов, регламентированы электромеханические испытания.

При конструировании, изготовлении и эксплуатации высоковольтных устройств возникает необходимость измерять и оценивать их физические и химические свойства (удельный вес, влагопоглощение, химическая стойкость, однородность структуры и т. д.).

Испытание изоляционных конструкций повышенным напряжением производится, как правило, после предварительного выявления неисправности изоляции с помощью комплекса неразрушающих испытаний.

Объемы и нормы испытаний, необходимость и периодичность их проведения обосновываются технико-экономическими расчетами. Поте-

6

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

ри и затраты, связанные с выполнением таких испытаний, должны быть меньше возможного ущерба от неожиданного, аварийного повреждения изоляции в действующем оборудовании.

При проведении испытаний изоляционных конструкций возникают погрешности. Все виды погрешностей можно разделить на две группы.

1. Систематические погрешности. К ним относятся:

–погрешности измерительных приборов, вызываемые конструктивными недостатками, неисправностью или неправильной градуировкой приборов;

–дополнительные индуктивные или емкостные связи между элементами схем измерительных установок;

–паразитные электродвижущие силы.

По характеру проявления систематические погрешности могут быть постоянными или переменными, при этом последние, в свою очередь, можно подразделить на погрешности прогрессивного характера, периодического или изменяющегося по сложному закону. Прогрессивные погрешности – это те, которые в процессе измерения изменяются в сторону увеличения или уменьшения, например, в результате нестабильности режима цепи.

Общим приемом исключения систематических погрешностей является их изучение, внесение поправок, устранение источника.

2. Случайные погрешности. Это погрешности, возникающие при профилактических испытаниях:

–воздействие температуры (нагрева) на испытуемую изоляцию и измерительные устройства;

–дополнительные паразитные емкостные связи испытуемых объектов;

–влияние высших электромагнитных полей на измерительные устройства и объект испытания;

–ошибки наблюдения при отсчете;

–погрешности метода или теоретические ошибки.

Наиболее существенными случайными помехами являются помехи электромагнитного поля между различными частями схемы, между схемой и окружающими предметами. Как показывает практика измерений, в условиях действующих электроустановок эти помехи вносят значительные искажения, создают невоспроизводимость результатов измерения, приводят к зависимости полученных результатов от местоположения измерительного устройства и испытуемого объекта относительно полей.

Величины паразитных емкостных внутренних и внешних связей определяются геометрическими размерами и пространственным расположением отдельных частей схемы и испытуемого оборудования. Емкостные связи в первую очередь оказывают шунтирующее действие на отдельные элементы комплекса измерительной схемы и объекта. При воздействии внешнего поля паразитные токи главным образом протекают по схеме измерительного устройства.

7

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

Основными принципами, исключающими случайные погрешности, являются электростатическое экранирование схемы и фиксирование потенциала схемы по отношению к земле (заземление), а также уравнивание действия токов (компенсация).

Электрические испытания изоляции электрооборудования должны проводиться специально обученным персоналом с учетом следующих положений.

Профилактические испытания должны, как правило, совмещаться с текущими и капитальными ремонтами электрооборудования.

Испытаниям должен предшествовать комплекс подготовительных мероприятий: изучение электрической части испытуемой электроустановки, заводской технической документации, касающейся конструктивных особенностей оборудования, браковочных нормативов, объема и методики испытаний; наблюдений эксплуатационного персонала и результатов предыдущих испытаний; подготовка парка приборов и приспособлений и т. д.

Проведению испытаний должен предшествовать тщательный наружный осмотр испытуемого объекта. Если в результате осмотра будут обнаружены дефекты, которые могут вызвать повреждение оборудования или испытательной аппаратуры, испытание разрешается проводить лишь после устранения этих дефектов.

Измерение характеристики изоляции объектов должно производиться при температуре изоляции не ниже +5 °С, а в условиях эксплуатации желательно при рабочих температурах и по однотипным схемам измерения.

Перед проведением измерений наружная поверхность изоляционных конструкций должна быть очищена от пыли и грязи.

Испытание высоковольтной изоляции должно производиться в электрическом поле, близком при работе в условиях эксплуатации.

Во время испытаний должно производиться непрерывное наблюдение за состоянием объекта.

Заключение о пригодности оборудования к эксплуатации производится на основании сравнения данных, полученных при испытании, с браковочными нормами и анализа результатов всех проведенных эксплуатационных испытаний и осмотров.

Изоляция считается выдержавшей испытания, если:

–не произошло пробоя или перекрытия изоляции;

–не было отмечено частичных нарушений изоляции, выявленных по показаниям приборов или наблюдений (разряды в баке, выделение газа или дыма, сильные скользящие разряды по поверхности и т.п.);

–не было отмечено местного нагрева изоляции;

–измеренные значения характеристик не превосходят установленных величин.

Результаты измерения заносятся в протокол испытания или контрольные карты оборудования, одна из которых хранится на подстанции или участке, а вторая – в управлении электрических сетей.

8

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

2.ОПИСАНИЕ АППАРАТА АИД-70, ИСПОЛЬЗУЕМОГО ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ ИЗОЛЯЦИИ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ УСТРОЙСТВ ПОВЫШЕННЫМ НАПРЯЖЕНИЕМ

2.1. Назначение и технические характеристики аппарата АИД-70

Аппарат типа АИД-70 предназначен для испытания изоляции силовых кабелей и твердых диэлектриков выпрямленным электрическим напряжением, а также для испытания твердых диэлектриков синусоидальным электрическим напряжением частотой 50 или 60 Гц.

Технические характеристики аппарата указаны в табл. 2.1.

2.2. Устройство и принцип работы

Конструкция аппарата выполнена в виде переносного пульта управления и источника испытательного напряжения.

Источник испытательного напряжения (рис. 2.1) включает в себя высоковольтный трансформатор, высоковольтный выключатель, высоковольтные резисторы и выпрямительные столбы, помещенные в бак, заполненный трансформаторным маслом. Испытательное напряжение из

9

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

бака выводится посредством специального высоковольтного изолятора, к которому присоединяется испытываемый объект. Под кожухом источника испытательного напряжения находятся электромагнит замыкателя, конденсаторы и разрядники.

Для соединения источника испытательного напряжения аппарата АИД-70 с пультом управления используются зажимы крепления, показанные на рис. 2.1.

Рис. 2.1. Источник испытательного напряжения аппарата АИД-70: 1 – зажим для подсоединения испытательного объекта; 2 – замыкатель высоковольтного ввода; 3 – уплотнительное кольцо; 4 – гайка крепления ручки и кожуха; 5 – клемма заземления; 6 – кожух

Пульт управления (рис. 2.2) включает в себя регулятор испытательного напряжения, печатную плату, разъемы для подсоединения сетевого кабеля и кабелей источника испытательного напряжения, компенсационный трансформатор, предохранители и другие элементы электрической схемы. Передняя и задняя шторки пульта сделаны откидывающимися для удобства ремонта и регулировки.

На лицевой панели пульта (рис. 2.2) расположены:

–микроамперметр 2;

–миллиамперметр 4;

–киловольтметр 3;

–зеленая сигнальная лампа (включение сети) 5;

–красная сигнальная лампа (включение испытательного напряжения) 6;

–кнопка включения испытательного напряжения 7;

–кнопка выключения испытательного напряжения 8;

–ручка регулятора испытательного напряжения 9;

–тумблер переключения градуировки киловольтметра 10;

–кнопка 11, шунтирующая микроамперметр.

10

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com