Geum.ru

Рабочая программа, методические указания и контрольное задание для студентов специальностей 140204 Электрические станции

Вид материалаРабочая программа

Содержание


Общие указания
Тема 1. Внешняя и внутренняя электрическая изолция
Вопросы для самопроверки
Вопросы для самопроверки
Подобный материал:

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ОТКРЫТЫЙ

УНИВЕРСИТЕТ


Энергетический факультет

Кафедра электрических систем


ИЗОЛЯЦИЯ И ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ

В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ



Рабочая программа, методические указания

и контрольное задание


для студентов специальностей


140204 – Электрические станции

140211- Электроснабжение


Москва, 2010


В.Д. Кириченко-Мишкин

Т.А. Афанасьева


 МГОУ, 2010


ОБЩИЕ УКАЗАНИЯ


Методические указания составлены применительно к программе дисциплины «Электроизоляция и перенапряжения в электрических системах» для студентов специальностей 140204 – Электрические станции и 140211 – Электроснабжение заочной формы обучения.

Программой рекомендуется следующая литература:


Основная


1. Богатенков И.М. и др. Техника высоких напряжений / Под ред. Кучинского Г.С. С.-Пб, Энергоатомиздат, 2003.

2. Базуткин В.В. и др. Техника высоких напряжений. Изоляция и перенапряжения в электрических системах / Под редакцией В.П. Ларионова. М.: Энергоатомиздат, 1996.


Дополнительная


3. Халилов Ф.Х. и др. Защита сетей 6  35 кВ от перенапряжений С-Пб.: Энергоатомиздат, 2002.

4. ПУЭ, седьмое издание, гл. 1.9; 2.5; 4.2. М.: 2008.

5. Аронов М.А. и др. Лабораторные работы по технике высоких напряжений. / М.: Энергоатомиздат, 1982.

5. Кужехин И.П., Ларионов В.П., Прохоров Е.Н. Молния и молниезащита. М.: Изд-во «Знак», 2003.


По данной дисциплине предусматривается самостоятельная работа студентов и работа с преподавателем в объеме 100 час, в том числе: 16 часов лекций, 4 часа лабораторных работ и выполнение 2-х контрольных работ для студентов полного срока обучения (6 лет) и 12 час лекций, 4 час лабораторных работ и одной контрольной работы для студентов сокращенного срока обучения (4 года 10 мес.).


Тема 1. Внешняя и внутренняя электрическая изолция

электроустройства высокого напряжения


Внешняя изоляция.

Атмосферный воздух. Разряд и вольтсекундные характеристики воздушных промежутков при грозовых и коммутационных импульсах.

Особенности развития разряда в длинных воздушных промежутках и с учетом атмосферных условий.

Изоляторы, их назначение и типы. Разряд по поверхности изоляторов. Влияние атмосферных условий на разрядные напряжения. Выбор гирлянд изоляторов ВЛ при рабочих напряжениях и по условию работы под дождем при внутренних перенапряжениях.

Использование изоляции ВЛ деревянных опор ВЛ.

Внутренняя изоляция.

Основные виды внутренней изоляции: твердая, жидкая и газовая (вакуумная изоляция). Комбинированная изоляция. Основные свойства внутренней изоляции.

Зависимость электрической прочности внутренней изоляции от длительности воздействия напряжения.

Пробой жидких и твердых диэлектриков. Пробой газовой и воздушной изоляции.


Методические указания


Изоляция электроустановок подразделяется на 2 типа: внешнюю и внутреннюю.

Изоляцию, находящуюся в воздухе, принято называть внешней. Ее прочность определяется изоляционными свойствами воздуха. К внешней изоляции прежде всего относится непосредственно воздух между соседними фазами ВЛ, трансформаторов и других элементов, систем электроснабжения, а также между каждой фазой и заземленными корпусами электрооборудования и землей. К внешней изоляции относятся и изоляторы этих элементов, находящиеся в воздухе.

Воздух, так же как и газы, является хорошим изолятором. Возникновение разрядов в воздухе под воздействием электрического поля, обусловливается следующим. В воздухе обычно имеется некоторое количество свободных ионов и электронов, создаваемых внешними ионизаторами - различного вида. Под действием электрического поля эти свободные заряженные частицы придают газу свойства электропроводности, при этом протекает незначительный электрический ток.

Если электрон под воздействием электрического поля приобретает большую скорость и энергию, то при столкновении с нейтральными молекулами или атомами он может выбить из них свободные электроны и ток увеличивается, то есть возникает разряд. Такой процесс называется ударной ионизацией. Разряд, вызываемый движением частиц, созданных внешними ионизаторами называется несамостоятельным разрядом.

При усилении электрического поля вновь образующиеся электроны уже сами могут вызывать ударную ионизацию. Такой разряд не зависит от внешних ионизаторов и называется самостоятельным. При резком увеличении свободных зарядов в воздушном промежутке с однородным полем возникают лавины электронов и происходит пробой.

В таких промежутках как провода линий электропередачи – земля, электрическое поле сильно неоднородно и самостоятельный разряд может возникнуть в зоне высокой напряженности поля (около электродов с небольшим радиусом). С удалением от этих электродов (провода) напряженность поля быстро снижается и ионизация ограничивается небольшой зоной вблизи провода. Пробой в этой зоне может вызывать свечение, связанное с ионизацией и рекомбинацией ионов. Такой процесс получил название короны. Напряженность поля, при которой возникает корона, называется начальной. При повышении напряжения зона короны расширяется, ток разряда увеличивается и с дальнейшим увеличением зоны короны может наступить пробой.

Следует отметить, что для воздушных промежутков с однородным полем (например между двумя полусферами), разрядное напряжение Uр совпадает с начальным. В промежутках с резконеоднородным полем, например, провод – земля, в которых максимальная напряженность поля превышает среднее значение поля в промежутке в четыре и более раз, возникновение короны приводит к тому, что разрядное напряжение может значительно превышать начальное. При этом значения разрядного напряжения воздушного промежутка в резконеоднородном поле в 3 5 раз меньше, чем в однородном, или слабонеоднородном (соответственно порядка 5  10 и 25  30 кВ/см). Образование объемного заряда в поле с резкой неоднородностью, который снижает пробивное напряжение, ведет к увеличению времени для его завершения.

Время пробоя намного меньше времени нарастания напряжения при промышленной частоте (1/4 периода), однако оно приобретает существенное значение при кратковременных (импульсных) воздействиях, характерных для грозовых и коммутационных перенапряжений.

В однородном поле время пробоя мало, и пробой успевает завершиться даже при импульсах. В неоднородном поле пробой происходит сравнительно медленно, и время запаздывания завершения пробоя может быть больше длительности импульса. Время запаздывания пробоя уменьшается с ростом напряжения на промежутке.

Для определения напряжения и времени пробоя служат вольт-секундные характеристики, представляющие зависимость максимального напряжения разряда от времени действия импульса. Поскольку начало и скорость развития ионизационных процессов зависит от значения напряжения, вольт-секундная характеристика зависит от формы импульса.

С целью унификации испытаний изоляционных конструкций установлен стандартный грозовой импульс 1,2/50 мкс. Ход вольт-секундных характеристик в однородных и резконеоднородных полях существенно отличен. В однородном поле величина Uр практически не зависит от времени разряда (несколько возрастает при уменьшении времени от 1 мкс). В резконеоднородном поле, когда время формирования разряда возрастает и разрядное напряжение превышает начальное напряжение и существенно возрастает при малых временах, вольт-секундная характеристика имеет достаточно большую крутизну. Отношение величины разрядного при грозовых импульсах и переменного напряжения промышленной частоты (Up/U­~) называется коэффициентом импульса Кимп. В резконеоднородном поле Кимп > 1 и связан с временем разряда.

При коммутационных импульсах, длительность фронта волны которых превышает длительность фронта грозового разряда, разряд происходит на фронте импульса. Это определяет некоторое отличие хода вольт-секундной характеристики - она может иметь минимум, т.е. с ростом tр, начиная с определенного значения, снова наблюдается подъем разрядного напряжения. При коммутационных импульсах коэффициент импульса Кимп может быть меньше 1, что должно учитываться при определении изоляционных расстояний в электроустановках.

При рассмотрении разряда на поверхности твердого диэлектрика (изолятора) следует отметить, что он искажает электрическое поле воздушного промежутка, оно усиливается в местах касания электрода с поверхностью твердого диэлектрика, особенно при конденсации на ней влаги. Это приводит к снижению пробивного напряжения. Следует уяснить влияние формы диэлектрика, расположения электродов на возникновение нормальной составляющей напряженности электрического поля к изоляционной поверхности и ее влияние на пробивное напряжение по поверхности. При больших размерах изоляционных конструкций (гирлянд изоляторов, вводов и т.д.) распределение напряжения оказывается неравномерным по длине. Следует оценить возможности выравнивания напряжения с помощью экранов и использования барьеров, устанавливаемых для повышения пробивного напряжения в неоднородном поле.

Внутренней изоляцией называют те элементы или системы электрической изоляции установки, в которых изоляционные промежутки заполнены газообразными, жидкими или твердыми диэлектрическими материалами или их комбинациями, но не атмосферным воздухом. Жидкие и твердые диэлектрики без примесей в электрическом поле характеризуются очень малыми токами проводимости или утечки. Но они значительно возрастают при появлении примесей, которые одновременно снижают пробивные напряжения (Uпр).

Следует разобраться в особенностях процесса электропроводности жидких и твердых диэлектриков и влиянием на этот процесс и, следовательно, на электрическую прочность изоляции различных факторов: примесей газа, влаги, температуры, длительности воздействия поля.

Жидкие диэлектрики бывают природными (нефтяное и касторовое масло) и синтетические (хлорированные углеводороды и кремнийорганические жидкости). Наиболее распространены изоляционные масла, после перегонки и очистки которых получают трансформаторное, кабельное и конденсаторное масла.

Величина разрядного напряжения в технически чистом масле, как и в газах, с увеличением степени неоднородности электрического поля уменьшается. При малых временах разряда (до 1000 мкс) пробой масла является чисто электрическим. При больших временах на электрическую прочность существенное влияние оказывают влага и другие примеси и изменение температуры.

Твердые диэлектрики бывают неорганические (электрофарфор, стекло, слюда, асбест и др.), органические на основе целлюлозы (бумага и картон, фибра, гетинокс и теастонит, пропитанная древесина) и синтетические (термопластичные – полиэтилен, полистирол, фторопласт и др.); и эпоксидные компаунды.

Электрический пробой твердых диэлектриков при кратковременном приложении напряжения имеет электрический характер, а при большой длительности пробой может быть тепловым. При неоднократном воздействии грозовых и коммутационных импульсов небольшой амплитуды (недостаточной для пробоя) в большинстве твердых диэлектриков наблюдается кумулятивный эффект, когда последующий разряд развивается по пути предыдущего. Это ведет к снижению величины Uпр с ростом числа приложенных импульсов. При длительном воздействии напряжения в изоляции возникают диэлектрические потери, что приводит к нагреву изоляции.

Если мощность потерь превышает мощность отвода тепла, т.е. тепловой баланс нарушается, происходит тепловой пробой.

При конструировании внутренней изоляции важнейшее значение имеет комбинирование изоляционных материалов, в частности, твердых и жидких, что позволяет наиболее полно использовать их положительные качества и создать высокотехничные и надежные конструкции в целом. К таким сочетаниям относятся маслобарьерная и бумажно-масляная изоляция, а также газовая и вакуумная в сочетании с твердыми диэлектриками. При конструировании внутренней изоляции должны решаться не только вопросы повышения электрической прочности, но и теплоотвода, снижения потерь и т.д. Только с учетом всех этих условий может быть создано оборудование с высокими эксплуатационными показателями.

Следует отметить значение выравнивания электрического поля в изоляционных конструкциях для повышения их технико-экономических показателей и возможную эффективность использования для этого материалов с различной диэлектрической проницаемостью, полупроводниковых покрытий и специальных экранов. Для надежной работы внутренней изоляции особое значение имеет ее долговечность. Необходимо уяснить возможные процессы старения изоляции в эксплуатации и мероприятия, позволяющие его избежать, особое значение требований к ограничению частичных разрядов при заводских испытаниях.

Следует отметить, что при очень большой длительности воздействий, определяемой многими месяцами и годами, возможно развитие местных ионизационных процессов в толще изоляции, которые постепенно развиваясь, могут привести к пробою и выходу оборудования из строя. Предотвращение подобных явлений достигается очень тщательным выполнением изоляционных конструкций, исключающим возникновение сколько-нибудь заметных частичных разрядов. Это требование контролируется весьма жесткими испытаниями выпускаемого оборудования. Тем самым возможно предотвратить старение изоляции в эксплуатации.

Газовая и вакуумная внутренняя изоляция имеет ряд преимуществ по сравнению с твердой и жидкой изоляцией. В качестве газовой изоляции применяются воздух, азот и элегаз. Газовая изоляция отличается очень малыми диэлектрическими потерями и практически не изменяет своих свойств в процессе эксплуатации за счет своей инертности, химической стойкости. Кроме того они обладают высокой теплопроводностью, не горючи, не токсичны и допускают их работу при высоких давлениях. Все это позволяет резко снизить размеры и массу конструкций и обеспечить высокую надежность оборудования. Если газовая изоляция используется при очень большой степени разряжения, то такая изоляция называется вакуумной. Для вакуумной изоляции характерны весьма большие разбросы пробивных напряжений за счет микроструктуры поверхности электродов и их частотой, а также технические трудности обеспечения высокого вакуума.

Электрическая прочность высоковольтного оборудования должны быть скоординирована с напряжениями во всем диапазоне возможных воздействий в эксплуатации от кратковременных грозовых импульсов (в пределах десятков микросекунд и даже меньше) до многолетних воздействий рабочего напряжения.


Вопросы для самопроверки


1. Охарактеризуйте процессы в газах под действием ионизаторов в слабом электрическом поле.

2. Опишите явление ударной ионизации и развитие самостоятельного разряда.

3. Охарактеризуйте различие пробоя в однородном и неоднородном полях.

4. Как определяется пробивное напряжение в неоднородном поле?

5. Почему изменение температуры, давления и плотности воздуха влияет на начальное и пробивное напряжения?

6. Время запаздывания пробоя в однородном и неоднородном поле. Вольт-секундные характеристики.

7. Особенности пробоя воздуха по поверхности изолятора. Влияние на разрядное напряжение диэлектрической проницаемости диэлектрика и увлажнения его поверхности.

8. Охарактеризуйте процесс прохождения электрического тока в жидких и твердых диэлектриках и как влияют на него различные примеси?

9. С чем связаны процессы поляризации и токи абсорбации?

10. Причины возникновения потерь в жидких и твердых диэлектриках.

11. Тангенс угла потерь и его значение для характеристики работы диэлектриков.

12. Условия электрического и теплового пробоя твердых диэлектриков.

13. Как изменяется пробивное напряжение трансформаторного масла при увлажнении?

14. Каковы способы повышения электрической прочности жидких диэлектриков в сильно неоднородном поле?

15. Какие применяются способы выравнивания электрического поля в изоляционных конструкциях?

16. Как выполняются маслобарьерная изоляция у трансформаторов?

17. В каких электроустановках используются бумажно-масляная изоляция?

18. Области применения газов под давлением и вакуума в электроустановках.

19. Перечислите основные причины, вызывающие старение изоляции.

Тема 2. Грозовые перенапряжения на ВЛ и ПС

высокого напряжения


Молния как источник грозовых перенапряжений. Характеристики грозовой активности. Пути воздействия грозового разряда. Параметры волны тока молнии. Методы и средства защиты электроустановок и объектов от грозовых перенапряжений. Принципы действия традиционных и активных молниеотводов, грозозащитных тросов, защитных промежутков, трубчатых и вентильных разрядников, нелинейных ограничителей перенапряжений, длинно-искровых разрядников, мультикамерных разрядников (МКР) и изоляторов-разрядников (ИРМК) и их основные характеристики. Расчет импульсного сопротивления заземляющих устройств грозозащитного назначения.

Шаровая молния.

Коронный разряд на проводах ВЛ и его влияние на потери энергии и окружающую среду. Способы снижения воздействия короны на потери энергии и экологию.


Методические указания


Электрические станции, подстанции, воздушные линии электропередачи занимают значительные площади и в силу этого подвержены ударам молнии. Молния - это грозовой разряд при большой длине искры обычно в несколько километров.

Следует рассмотреть механизм образования зарядов в облаке и процесса развития разряда, форму импульса грозового разряда и его количественные характеристики.

Основными количественными характеристиками, используемые при расчетах грозоупорности электроустановок и объектов являются: амплитуда тока молнии Iм [кА], длина фронта импульса ф [мкс] и средняя крутизна на фронте [кА/мкс]. Значения указанных параметров имеют вероятностный характер.

Грозовой разряд оказывает электромагнитное, тепловое и механическое воздействия.

Протекание тока молнии при прямом ударе в объект приводит к возникновению перенапряжений, достигающих сотен тысяч и даже миллионов вольт. Разряд молнии в землю вблизи проводов и проводящих конструкций индуцирует на них напряжение до сотен тысяч вольт [кВ]. Перенапряжения прямого удара молнии в объект и индуцируемые на нем объединяются под общим названием атмосферных перенапряжений. Такие перенапряжения могут быть опасными для изоляции электроустановок даже высокого и сверхвысокого напряжения.

Протекание тока молнии Iм до 100 кА и более (хотя и кратковременно в течение 3-5 мкс) сопровождается выделением тепла и это следует учитывать при определении сечений проводников.

Механическое воздействие молнии связано с прохождением тока по проводникам и по путям с повышенной проводимостью, т.е. там, где больше влаги. Это может приводить к разрыву токоотводов, к расщеплению в частности деревянных стоек опор.

Следует отметить, что грозовая активность на территории страны неодинакова. В центральных областях она колеблется и составляет порядка 40-60 часов в год, что приводит для указанной активности в среднем к 3-5 ударам молнии в 1 км2 поверхности земли. Так как разряды молнии обладают свойством избирательности и поражают в первую очередь возвышающие над землей объекты, то ВЛ и подстанции собирают удары молнии с площади, превышающие их территорию.

Защита от прямых ударов осуществляется с помощью молниеотводов, обеспечивающих для защищаемого объекта зону защиты, вероятность попадания молнии в которую маловероятно и обеспечивающих безопасное стекание тока молнии в землю. Применяют стержневые (одиночные и групповые) и тросовые молниеотводы.

Следует усвоить принцип построения зон защиты традиционных (стержневых, тросовых), а также активных молниеотводов и области их применения, а также конструкции и расчет сопротивлений заземляющих устройств, предназначенных для стекания тока молнии.

Волны атмосферных перенапряжений, возникающие на ЛЭП при ударах молнии, представляют опасность для линейной и тем более для подстанционной изоляции, значительно более слабой. С целью защиты ВЛ и ПС наряду с защитой от прямых ударов используется защита от набегающих волн. Для этого параллельно защищаемой изоляции устанавливается искровой промежуток (ИП) с более низкой вольт-секундной характеристикой. Это позволяет вызывать пробой ИП и резкое снижение импульсного напряжения на изоляции. При этом импульсный пробой ИП может сопровождаться током короткого замыкания (КЗ) – возникает сопровождающий ток, обусловленный напряжением промышленной частоты. В открытых защитных промежутках (ПЗ) дуга сопровождающего тока КЗ приводит к отключению электроустановки выключателями по концам линий. Чтобы избежать этого применяют защитные разрядники, в которых ИП снабжен дугогасящим устройством, обеспечивающим гашение дуги сопровождающего тока в течение времени значительно меньшего времени действия релейной защиты.

Различают трубчатые разрядники (РТ), в которых дуга гаснет за счет продольного дутья, и вентильные разрядники (РВ), в которых сопровождающий ток снижается с помощью сопротивления, включенного последовательно с ИП. Кроме того применяются нелинейные ограничители перенапряжений (ОПН), в которых ИП отсутствует, а сопровождающий ток снижается до предельно малых значений на сопротивлении, имеющем еще большую чем у РВ нелинейную вольт-амперную характеристику.

В последние годы в нашей стране успешно разрабатываются принципиально новые разрядники, а также совершенствуются традиционные средства защиты, в частности нелинейные ограничители перенапряжений (ОПН).

К новым типам разрядников относятся длинно-искровые разрядники (ДРИ) для защиты сетей 6  20 кВ от прямых ударов молнии и наведенных перенапряжений. Эти разрядники исключают возникновение дуги сопровождающего тока в сетях с изолированной нейтралью. Разрабатываются также разрядники с мультикамерной системой (МКС) двух типов: РМК и ИРМК. Разрядники типа РМК предназначены для защиты сетей 6  20 кВ от прямых ударов молнии и наведенных напряжений. Разрядники типа ИРМК представляют собой по сути обычную гирлянду изоляторов, тарелки которых снабжены системой МКС. Это позволяет обеспечивать защиту сетей 35, 110, 220 кВ и выше.

Снижение веса и габаритов ОПН позволило использовать их и для защиты ВЛ.

Некоторую опасность, в том числе и для электроустановок, представляет и так называемая шаровая молния, проявление которой совершенно отлично от обычной линейной молнии. Однако шаровая молния - достаточно редкое явление.

В данной теме следует рассмотреть практические вопросы, связанные с возникновением коронного разряда на проводах ВЛ и конструкциях ОРУ ПС.

Корона на проводах и конструкциях вызывает потери энергии и создает помехи радио- и телевизионному приему, а также акустический шум.

Чтобы снизить потери энергии на корону, а также и радиопомехи, необходимо обеспечить, чтобы величина начального напряжения коронного разряда превышала наибольшее рабочее напряжение линии относительно земли. Это обеспечивается только для сухой погоды путем выбора соответствующего диаметра проводов. При атмосферных осадках исключить коронирование проводов невозможно.

Наименьшие диаметры проводов, при которых исключается корона в сухую погоду, составляет для ВЛ 110 и 220 кВ соответственно 1,2 и 2,4 см. Для ВЛ 330 кВ и выше диаметр, исключающий корону, может значительно превышать диаметр, принятый по условиям передачи мощности. В таких случаях применяется расщепленные провода. Однако появление общей короны в плохую погоду и даже в сухую погоду на отдельных элементах крепления (местная корона) приводит к годовым потерям энергии на корону, которые могут достигать до 40 % от потерь на нагрев провода.

Следует также ознакомиться с рекомендациями по снижению радиопомех и акустического шума.


Вопросы для самопроверки


1. Опишите процесс формирования молнии и ее стадии.

2. Как характеризуется интенсивность грозовой деятельности?

3. Проанализируйте кривые распределения амплитуды и крутизны токов первого и последующего импульсов молнии.

4. На чем основано защитное действие молниеотводов?

5. Как определяется защитная зона одиночных и многократных стержневых молниеотводов?

6. Поясните принцип действия активных молниеотводов и их преимущества по сравнению с стержневыми молниеотводами.

7. От каких параметров зависит эффективность экранирующего действия тросов?

8. Как выполняются заземлители опор и подстанций, от чего зависит величина импульсного сопротивления?

9. Поясните принципы защиты изоляции ВЛ и ПС от набегающих волн атмосферных перенапряжений.

10. Какие устройства применяются для грозозащиты ВЛ и ПС, их устройство и параметры?

11. Поясните принцип действия длинно-искровых разрядников.

12. Поясните принцип действия мультикамерных разрядников и изоляторов-разрядников с мультикамерной системой.


Тема 3. Изоляция и грозозащита воздушных

линий электропередачи и подстанций


Структура изоляции ВЛ и ПС и особенности ее работы при воздействии перенапряжений.

Изоляция ВЛ на металлических (железобетонных) и деревянных опорах. Практический выбор изоляторов в гирлянде на ВЛ с учетом атмосферных условий и меры по повышению надежности их работы.

Общие принципы грозозащиты ВЛ. Применение грозозащитных тросов и защитной аппаратуры. Расчет числа грозовых отключений ВЛ. Показатели грозоупорности ВЛ. Анализ грозоупорности ВЛ без троса и с тросом. Область применения грозозащитных средств - тросов, защитных промежутков, трубчатых и вентильных разрядников, ОПН и и современных разрядников типа РДИ, МКР И ИРМК.

Изоляция электрооборудования станций и подстанций - твердая (изоляторы и изоляция обмоток трансформаторов и электрических машин), жидкая (трансформаторное масло) и газовая (воздушная, элегазовая и вакуумная).

Общие принципы грозозащиты станций и подстанций от прямых ударов молнии и набегающих по ВЛ грозовых перенапряжений.

Выбор оптимального числа, высоты и расположения молниеотводов. Требования к заземляющему устройству ОРУ ПС грозозащитного назначения. Защита от обратных перекрытий при ударе молнии в молниеотвод.

Защита изоляции станций и подстанций от набегающих по ВЛ волн перенапряжений с помощью вентильных разрядников, нелинейных ограничителей перенапряжений. Применение грозозащитных подходов на ВЛ без троса и определение его длины. Применение каскадных схем защиты ОРУ ПС с использованием вентильных разрядников и ОПН.

Показатель грозоупорности ПС.

Методические указания


Изоляцией ВЛ служат гирлянды изоляторов и воздушные промежутки между фазами и относительно земли. На ВЛ с деревянными опорами дополнительной изоляцией служат деревянные стойки и траверсы.

Внешняя изоляция подстанций аналогична изоляции ВЛ. В качестве внутренней изоляции служит твердая (изоляция обмоток трансформаторов и электрических машин), жидкая (трансформаторное масло) и газовая (воздушная, элегазовая и вакуумная). Следует представлять отличие уровней изоляции ВЛ и ПС.

При изучении материала по данной теме, должна быть рассмотрена методика практического выбора изоляторов в гирлянде и воздушных промежутков в условиях тумана, росы и моросящего дождя в сочетании с загрязнением поверхности изоляторов. Значения влагоразрядного напряжения определяются с учетом отрыва разряда от поверхности изолятора и реальной неравномерности ее загрязнения, т.е. эффективная длина утечки может отличаться от геометрической в несколько раз в меньшую сторону. При выборе изоляторов в загрязненных районах увеличивают число изоляторов в гирлянде или применяют специальные грязестойкие изоляторы.

К эксплуатационным мероприятиям, повышающим надежность работы внешней изоляции ВЛ и ПС, относятся отмыв или очистка изоляторов и применение гидростойких покрытий в виде твердых пленок или вязких типа вазелинов.

В отличие от перекрытия воздушного промежутка и по поверхности изолятора пробой внутри изолятора происходит в результате появления трещин и ведет к разрушению изолятора, т.е. в этом случае изоляция не самовосстанавливается. С целью снижения числа аварийных отключений необходимо осуществлять эксплуатационный и профилактический контроль.

Уровень грозозащиты ВЛ определяется числом грозовых отключений, которые определяются с учетом вероятности импульсного перекрытия изоляции линии и вероятности возникновения устойчивой дуги сопровождающего тока короткого замыкания. При этом необходимо обеспечить, чтобы число отключений ВЛ не превышало допустимое по условиям надежности электроснабжения, число отключений, связанное с требованиями к работе выключателей, с учетом наличия и отсутствия резервирования. Снижение числа грозовых отключений линии до допустимого значения обеспечивается либо за счет уменьшения вероятности импульсных перекрытий путем подвески тросов и создания малого импульсного сопротивления заземления опор, либо уменьшением вероятности перехода импульсного перекрытия в устойчивую дугу короткого замыкания путем удлинения пути перекрытия. Последнее эффективно осуществляется за счет использования изоляционных свойств дерева для ВЛ на деревянных опорах.

Грозоупорность линий без тросовой защиты рассматривается по критическому значению тока молнии, который определяется из условий равенства воздействующего напряжения и импульсного разрядного напряжения изоляции. При этом следует различать пути перекрытий на ВЛ с металлическими и деревянными опорами.

На ВЛ 110 кВ и выше с металлическими опорами импульс напряжения воздействует на изоляцию провода на опоре, т.е. на гирлянду изоляторов, что ведет к перекрытиям даже при малых значениях тока молнии порядка 5-10 кА, т.е. в большинстве грозовых разрядов в линию. Также ВЛ следует защищать тросами по всей длине. На ВЛ 35 кВ на металлических опорах, работающих в системе с изолированной нейтралью, однофазные перекрытия изоляции, как правило, не ведут к отключению ВЛ, особенно если в ней применены дугогасящие катушки. Здесь отключения могут происходить только при двухфазных или трехфазных перекрытиях.

Следует отметить, что для ВЛ 35 кВ на металлических опорах, целесообразно снижать величину импульсного сопротивления Rи заземлителей опор. В этом случае величина импульсного напряжения между соседними фазами снижается и, следовательно, критический ток молнии увеличивается.

Грозовые отключения ВЛ с тросовой защитой могут происходить по трем причинам: 1) удар молнии в трос в середину пролета и перекрытие промежутка трос-провод; 2) прорыв молнии через тросовую защиту и 3) удар молнии в опору и обратное перекрытие изоляции с опоры на провод.

В первом случае (удар в трос в середину пролета) напряжение между тросом и проводом определяется с учетом отражения импульса на тросе от соседних опор и индуктированного напряжения на провода. Он зависит только от крутизны фронта тока молнии (а) и не зависит от амплитуды (Iм). Поэтому требуемую электрическую прочность промежутка трос-провод можно определить задаваясь вероятностью прибоя, т.е. значением крутизны а. На практике вероятность пробоя в промежутке трос-провод пренебрежительно мала, если длина этого промежутка составляет не менее 2 % длины пролета.

В случае удара молнии в опору напряжение на линейной изоляции Uиз определяется разностью потенциалов вершины опоры и индуктированного потенциала на проводе (с учетом рабочего напряжения). Потенциал опоры определяется падением напряжения на импульсном сопротивлении заземления и индуктивности опоры, а также индуктивной связью канала молнии с током i(t) с опорой. Потенциал провода (Uпр) имеет также три составляющие: рабочее напряжение; напряжение индуцированное на провода зарядом лидера молнии (электростатическая составляющая) и напряжение, индуцированное на провода в результате распространения по тросам импульсов напряжения.

Напряжение на изоляции (­Uиз) необходимо сравнить с напряжением перекрытия гирлянды при предразрядном времени, равном длительности фронта импульса тока молнии ф. Так как значение Uиз зависит от крутизны а, то при заданном времени ф можно определить значения тока молнии Iн = аф­. Это дает возможность построить так называемую кривую опасных параметров, т.е. сочетаний крутизны а и тока молнии Iм, при которых происходит перекрытие изоляции линии. Эта кривая проходит по точкам пересечения зависимости напряжения на изоляции от времени Uиз(t) при разных крутизнах фронта а с вольт-секундной характеристикой изоляции.

По кривой опасных параметров строится кривая вероятности опасных параметров.

Вероятность перекрытия изоляции можно определить и упрощенно по значению критического тока.

Следует рассмотреть вопросы практического выполнения грозозащиты ВЛ - установку защитных промежутков и трубчатых разрядников и подвеску грозозащитных тросов, а также использование более эффективных современных средств молниезащиты – нелинейных ограничителей перенапряжений (ОПН) на напряжении 6-20 кВ и выше, длинно-искровых разрядников РДИ на напряжения, разрядников с мультикамерной системой МКС на направление до 35 кВ и изоляторов-разрядников типа ИРМК.


Необходимо представлять, что к защите подстанционного оборудования от перенапряжений предъявляются более высокие требования, чем к защите линий. Это обусловливается тем, что перекрытие внешней изоляции как правило, ведет к дуговому короткому замыканию вблизи сборных шин, а пробой внутренней изоляции - это в большинстве случаев необратимый процесс и ведет к выходу из строя всего аппарата.

Перекрытие и повреждение изоляции ПС могут быть вызваны тремя причинами: прорывом молнии через зону защиты молниеотводов, обратного перекрытия при возникновении высокого потенциала на заземлении при ударе молнии в молниеотвод и возникновении высоких потенциалов под воздействием волн, приходящих по ВЛ. Поэтому необходимо обеспечить правильный выбор зон защиты молниеотводов, параметров заземляющих устройств и грозозащитной аппаратуры с учетом уровня изоляции для ПС различного номинального напряжения.

Высокая надежность защиты от прямых ударов молнии достигается выбором числа и высоты стержневых молниеотводов. Особое внимание следует обратить на мероприятия, обеспечивающие уменьшение вероятности обратных перекрытий - снижение величины импульсного сопротивления заземляющего устройства молниеотводов, подсоединенных к общему заземляющему устройству ПС, и использованию отдельностоящих молниеотводов с обособленным заземлителем.

Так как уровень подстанционной изоляции по экономическим соображениям значительно ниже уровня линейной изоляции, то набегающие по ВЛ волны импульсных перенапряжений могут представлять опасность для подстанционного оборудования. Основным аппаратом защит от набегающих волн является вентильный разрядник при условии, что разрядное напряжение искрового промежутка и остающееся напряжение при токах координации не менее чем на 10 ниже прочности защищаемой изоляции. Эффективность защиты с помощью вентильного разрядника обеспечивается двумя путями - ограничением тока через разрядник величиной тока координации (от 5 до 14 кА в зависимости от номинального напряжения и типа разрядника) и ограничением крутизны волны, набегающей на разрядник. Для ВЛ без троса с этой целью выполняются грозозащиты с подходом длиной 1-3 км, исключающие близкие удары молнии в ВЛ.

В последние годы появилась тенденция снимать грозозащитные тросы на ВЛ 110 и 220 кВ из-за их износа и отсутствия средств на их замену. С целью сохранения уровня молниезащиты стали устанавливать на опорах ВЛ ОПН. Альтернативой установки на ВЛ ОПН может быть применение изоляторов-разрядников (ИРМК), снабженных мультикамерной системой.

При изучении этого раздела следует уяснить требования к координации изоляции защищаемого оборудования и характеристикам защитных средств, связь между крутизной набегающей на ПС волны и длиной защитного подхода, требования к ограничению токов в защитных аппаратах.

При защите нейтралей трансформаторов и вращающихся машин в связи с низкой импульсной прочностью их изоляции требуется более глубокое ограничение перенапряжений. Следует уяснить совокупность применяемых для этого мероприятий.

Уровень грозоупорности ПС определяется числом их безаварийной работы, которое определяется с учетом вероятности прорывов молнии через зону защиты молниеотводов, вероятности обратных перекрытий и вероятности возникновения высоких потенциалов под влиянием волн, набегающих по ВЛ. Для обеспечения надежной грозозащиты оборудования подстанции необходимо, чтобы число их безаварийности более чем на порядок превышало нормальный срок службы оборудования, т.е. составляло сотни лет.


Вопросы для самопроверки


1. Как выбирается число изоляторов в гирлянде?

2. Укажите мероприятия по повышению надежности работы изоляторов.

3. Каковы принципы грозозащиты ВЛ?

4. Что является показателем грозоупорности ВЛ?

5. Каковы пути снижения числа грозовых отключений ВЛ?

6. Поясните понятие критического тока молнии и как оно используется при оценке грозоупорности ВЛ.

7. Какова оценка уровня грозоупорности ВЛ на металлических опорах без троса и пути ее повышения?

8. Почему удар молнии в вершину опоры на ВЛ с тросом является более тяжелым, чем удар в трос в середине пролета?

9. Как снизить вероятность прорыва молнии через тросовую защиту?

10. Поясните, как выбираются трубчатые разрядники на ВЛ.

11. Как осуществляется координация изоляции оборудования подстанций с характеристиками разрядников?

12. Что является показателем грозоупорности подстанции?


Тема 4. Внутренние перенапряжения

в электрических системах


Общая характеристика внутренних перенапряжений и условия их возникновения. Коммутационные перенапряжения и перенапряжения установившегося режима. Перенапряжения при включении разомкнутой линии и автоматическом повторном включении (АПВ). Перенапряжения при перемежающихся замыканиях на землю в сетях с незаземленной нейтралью. Установившиеся перенапряжения при КЗ и неполнофазных режимах. Феррорезонансные перенапряжения. Ограничение внутренних перенапряжений.


Методические указания


При изучении внутренних перенапряжений особое внимание следует обратить на процессы их формирования и коммутационные операции, обусловливающие возникновение таких перенапряжений.

Необходимо ясно представить переходные процессы при включении колебательного контура: возникновение колебаний с собственной частотой контура, накладывающихся на установившееся напряжение. Это приводит к значительным перенапряжениям на изоляции. Важно уяснить влияние начального напряжения на емкости (в момент включения) на перенапряжения и особую опасность коммутации, когда напряжение источника находится в противофазе с начальным напряжением на емкости.

Такие перенапряжения типичны при включении разомкнутых линий, при АПВ и отключении конденсаторов и линий, сопровождающихся повторными зажиганиями дуги в выключателях.

При изучении дуговых перенапряжений важно уяснить, что их величина непосредственно связана с остающимся напряжением в момент погасания дуги, которое определяется восстанавливающейся прочностью промежутка. Последняя сравнительно невелика, что и ограничивает величину дуговых перенапряжений.

Установившиеся перенапряжения возникают на длинных линиях в силу их большой емкости. Они имеют относительно небольшую величину, но опасны из-за своей длительности.

Феррорезонансные перенапряжения связаны с нелинейным изменением индуктивности при последовательном соединении со стальным сердечником. При последовательном соединении емкости и индуктивности возрастание тока в цепи с преобладающей индуктивной составляющей может привести при ее снижении к преобладанию емкостного сопротивления, большим токам и перенапряжениям.

Внутренние перенапряжения непосредственно связаны с рабочим напряжением сети, поэтому их часто характеризуют кратностью к амплитуде рабочего напряжения. Нужно знать, какая кратность характерна для различных видов перенапряжений, встречающихся на практике.

Уровень изоляции сети до 220 кВ достаточен, чтобы выдерживать коммутационные перенапряжения, поэтому защита от них предусматривается только для трансформаторов со сниженным уровнем изоляции.

В сетях 330 кВ и выше применяются мероприятия по эффективному ограничению внутренних перенапряжений.

Необходимо оценить действия разрядников, ограничителей перенапряжений и резисторов в выключателях как средств защиты от коммутационных перенапряжений, предъявляемые к ним требования.

Защита от перенапряжений при замыканиях на землю в сетях с изолированной нейтралью может быть достигнута с помощью дугогасящего реактора в нейтраль трансформатора.


Вопросы для самопроверки


1. Какие виды коммутационных перенапряжений возникают в энергосистемах?

2. С чем связаны более высокие перенапряжения при АПВ по сравнению с плановым включением линии?

3. Объясните принцип работы дугогасительных катушек.

4. Почему ограничиваются перенапряжения при установке резисторов в выключателях?

5. Какие значения имеют допустимые кратности внутренних перенапряжений?

6. Какие средства применяются для ограничения внутренних перенапряжений?


Тема 5. Изоляция электроустановок высокого

напряжения, ее координация и контроль.


Разрядные напряжения и выбор внешней изоляции на линиях и в открытых распределительных устройствах при воздействии напряжения промышленной частоты, грозовых и коммутационных импульсов. Выбор изоляционных расстояний на линиях и подстанциях. Определение числа изоляторов в гирляндах в районах с чистой и загрязненной атмосферой.

Экологическое влияние установок высокого напряжения и проведение работ в зоне их влияния.

Основные сведения об изоляции трансформаторов, реакторов, электрических машин и аппаратов, вводов и силовых конденсаторов. Герметизированные распределительные устройства. Конструкции кабелей высокого напряжения.

Координация изоляции по уровню грозовых и внутренних перенапряжений.

Методы и средства испытания изоляции грозовыми импульсами и повышенным перенапряжением.

Методы и средства профилактического контроля внутренней изоляции.


Методические указания


Студенту следует ознакомиться с экспериментальными зависимостями разрядных напряжений воздушных промежутков, причинами их нелинейности при больших расстояниях между электродами и влиянием длины фронта на разрядные напряжения. Уяснить основные положения выбора изоляции линий и открытых распределительных устройств в чистых и загрязненных районах, классификацию интенсивности загрязнений при выборе изоляционных расстояний на линиях и подстанциях; следует обратить внимание на важность учета требований безопасности и экологического влияния высокого напряжения.

При ознакомлении с изоляцией электрооборудования высокого напряжения необходимо представлять ее характеристики и виды воздействия на нее, знать виды проводимых испытаний изоляции и требования к ее эксплуатации. Понимать, что во многих изоляционных конструкциях большое значение имеет задача теплоотвода.

При рассмотрении герметизированных распределительных устройств важно понимать основные технические и эксплуатационные преимущества, обеспечивающие целесообразность их применения в условиях высокой плотности застройки (городской и промышленной) при неблагоприятных воздействиях окружающей среды и для подстанций очень высокого напряжения.

Рассматривая кабельные линии следует уяснить причины изменения их конструкций с повышением рабочего напряжения.

Очень важно четко представлять суть координации внешней и внутренней изоляции по уровню грозовых и внутренних перенапряжений и также методы и средства испытаний изоляции повышенным напряжением, грозовыми и коммутационными импульсами.

При изучении методов профилактического контроля важно рассмотреть принципы различных способов измерений и области их применения.


Вопросы для самопроверки


1. Чем объясняется нелинейность разрядных напряжений в больших промежутках при увеличении расстояний между электродами?

2. Как выбирается число изоляторов в гирляндах?

3. Что обеспечивает применение маслобарьерной изоляции в трансформаторах?

4. Перечислите виды испытания изоляции трансформаторов, которые должны проводиться на заводе.

5. Какие преимущества имеют герметизированные распределительные устройства?

6. Как осуществляется испытание изоляции повышенным напряжением промышленной частоты и коммутационными импульсами?

7. Поясните принцип работы генератора импульсных напряжений.

8. Какие профилактические испытания внутренней изоляции должны проводиться в эксплуатации?


Контрольная работа 1


1. Определить для тупиковой подстанции наибольшее допустимое расстояние l между трансформатором и защищающим его разрядником.

Входную емкость трансформатора ввиду ее малости принять равной нулю.

Волновое сопротивление ошиновки равно 400 Ом, форма приходящей волны – косоугольная.

Напряжение подстанции и параметры волн принимаются в соответствии с табл. 1 и 2.

При решении задачи используются данные, приведенные в учебнике [2]: типы разрядников по табл. 22.4, допустимые уровни грозовых перенапряжений на трансформаторе в соответствии с § 24.4.

Методика расчета описана в § 24.3, там же приведена расчетная схема (рис. 24.3а).

2. Выбрать тип и число изоляторов в гирлянде для следующих условий, указанных в табл. 3.

При выборе изоляторов руководствоваться данными и рекомендациями, приведенными в § 17.2, 31.1 [2].

При расчете надо учитывать, что при определении числа изоляторов необходимо принимать наибольшее рабочее напряжение.


Контрольные вопросы


1. Почему при определенном удалении вентильного разрядника (или ОПН) от защищаемого силового трансформатора величина импульсного напряжения на его изоляцию может оказаться больше величины разрядного напряжения.

2. Что означает термин «интервал изоляции».

3. По каким условиям определяется число изоляторов в гирлянде?


Контрольная работа 2


1. На территории ОРУ расставить молниеотводы для защиты электрооборудования от прямых ударов машин. Определить необходимое число молниеотводов и их высоту. Начертить вертикальные и горизонтальные сечения зоны защиты молниеотводов.

При расчете зон молниезащиты и выборе молниеотводов на ОРУ ПС ВН следует использовать следующие материалы: [2], § 21.1, 21.2, приняв вероятность прорыва 0,005. Данные для расчета приведены в табл. 4.


Контрольные вопросы»


1. Что означает термин «зона защиты молниеотвода»?

2. Чем объясняется увеличение общей зоны защиты двойного и многократного молниеотводов?

3. Поясните назначение заземляющего устройства молниеотвода и особенности стекания молнии на землю.


Таблица 1

Напряжения подстанции



Вариант

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0

Напряжение, кВ

110

35

220

110

110

220

110

330

220

35



Таблица 2

Параметры приходящей волны



Вариант

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0

Амплитуда,

кВ

600

300

750

450

550

650

500

950

700

350


Длина фронта, мкс


1,5


1,0


2,0


1,5


2,5


2,0


1,5


1,5


3,0


1,5


Таблица 3



Вариант

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0

Рабочее напряжение номинальное, кВ


110


220


330


220


110


330


500


220


110


750


Степень загрязненности


I


II


II


IV


IV


IV


III


V


V


II

Расчетная кратность перенапряжений


3


2,8


2,7


2,8


3


2,7


2,5


2,8


2,9


2,3


Таблица 4


Вари-

ант
Uн,

кВ
А,

м
В,

м
Н,

м
Степень

загрязнения

атмосферы
,

Омм
Дг,

ч/год

1
2
3
4
5
6
7
8


1

2

3

4

5

6

7

8

9

0

110

220

110

220

110

220

110

220

110

220

50

75

50

75

55

80

60

60

55

90

80

100

45

80

90

100

80

90

55

60

10,5

16,5

11,5

17,5

11,5

17,0

10,5

17,5

11,0

16,5

I

I

II

II

III

III

I

I

II

II

150

150

130

130

160

160

170

170

140

140

45

45

40

40

30

30

40

40

45

45



Исходные данные (табл. 4): номинальное напряжение Uн; длина А; ширина В территории ОРУ; наибольшая высота крепления гирлянд изоляторов на портале Н; степень загрязнения атмосферы, значение удельного сопротивления грунта ; число грозовых часов в году Дг в районе расположения подстанции; механическая нагрузка на изоляторы; подстанция расположена в равнинных районах.

2. Оценить эффективность защиты ОРУ от прямых ударов молнии. Укажите мероприятия, позволяющие увеличить эффективность защиты.

Для расчета следует использовать материалы [1], § 20.2, 20.3, 24,6.


* Студенты полного срока обучения выполняют указанное задание в полном объеме.

Студенты сокращенного срока обучения выполняют по одной первой задаче из указанных контрольных работ.

Вне зависимости от срока обучения следует дать письменные краткие ответы на все контрольные вопросы.


.


КИРИЧЕНКО-МИШКИН Виктор Дмитриевич

АФАНАСЬЕВА Тамара Александровна


ИЗОЛЯЦИЯ И ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ

В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ


Рабочая программа, методические указания

и контрольное задание


Отв. редактор

Редактор

Корректор