Распределение напряжения по элементам высоковольтных изоляционных конструкций

Размещено на http://www.allbest.ru/

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ ПО ЭЛЕМЕНТАМ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ИЗОЛЯЦИОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Распределение напряжения на опорной и подвесной изоляции.

При выборе и расчете изоляционных конструкций руководствуются обеспечением надежности и долговечности работы высоковольтных аппаратов. Переменное и импульсное напряжения распределяются по изоляционным конструкциям по продольным и поперечным паразитным емкостям его элементов относительно земли или других конструкций. Емкости элементов изоляции образуют емкостные делители (рис. 1).

Рис. 1. - Продольная емкость (К) и емкость на землю (С₁) изоляционной конструкции:

Неравномерность распределения приводит к тому, что на части изоляции напряженность электрического поля выше порога начала коронного разряда. Корона на высоковольтной конструкции является причиной радиопомех, ускоренного старения изоляции и коррозии арматуры, а также дополнительных потерь электрической энергии. Данная проблема весьма актуальна при выборе подвесной изоляции - гирлянд линий электропередачи. Распределение напряжения по изоляторам гирлянды можно определить с помощью схемы замещения, показанной на рис. 2.

Рис. 2. - Гирлянда изолятора (а) и схема замещения гирлянды (б):

На этой схеме:

К - собственные емкости изоляторов;

С₁ - емкости металлических элементов изоляторов относительно заземленных частей сооружения (опоры, заземленных тросов и т. д.);

С₂ - емкости этих же элементов относительно частей установки, находящихся под напряжением (провода, арматуры);

R - сопротивления утечки по поверхности изоляторов.

Обычно гирлянды комплектуются из однотипных изоляторов, поэтому их собственные емкости, лежащие в пределах К = 30 - 70 пФ имеют одинаковую величину. При чистой и сухой поверхности изоляторов:

R >> 1 / К

Поэтому распределение напряжений зависит только от емкостей К, С₁ и С_2. Если бы емкости С₁ и С₂ отсутствовали, напряжение по изоляторам распределялось равномерно.

В реальных условиях емкости С₁ = 4 - 5 пФ и С₂ = 0,5 - 1,0 пФ, т. е. не равны нулю, поэтому величина тока, протекающая через емкости К изоляторов, не остается постоянной. На рис. 3 приведена схема замещения для случая С₁ 0 и С₂ =0 и условно показано распределение токов.

Рис. 3. - Влияние емкости С₁ на распределение вдоль гирлянды:

Через собственную емкость ближайшего к высоковольтному проводу изолятора протекает наибольший ток, а через емкость изолятора, ближайшего к “земле” - наименьший. При этом напряжение вдоль гирлянды распределяется неравномерно.

В реальных условиях на распределение напряжения вдоль гирлянды оказывают влияние как емкости С_1, так и емкости С_2. При этом изоляторы, расположенные в средней части гирлянды, оказываются менее нагруженными по напряжению, чем изоляторы у концов гирлянды. Вследствие того, что С₁ > C_2, наибольшее напряжение приходится на изоляторы, ближайшие к проводу.

Выравнивание распределения напряжения вдоль гирлянды способствует применение специальной арматуры в виде колец, которые укрепляются в месте подвески провода. Такая арматура увеличивает емкость С₂ изоляторов, ближайших к проводу, и тем самым уменьшает долю напряжения, приходящуюся на эти изоляторы.

При сильном загрязнении и увлажнении поверхностей изоляторов:

R << 1 / К

Поэтому распределение напряжения вдоль гирлянды определяется главным образом сопротивлениями утечки. Если изоляторы гирлянды загрязнены и увлажнены одинаково и равномерно по всей поверхности, то происходит выравнивание распределения напряжения.

Распределение напряжения в обмотках трансформаторов.

При воздействии на трансформаторы импульсов перенапряжений в обмотках возникают переходные процессы, сопровождающиеся значительными импульсными перенапряжениями в главной (по отношению к “земле”) и продольной (между соседними витками и катушками) изоляции, величина которых в значительной степени определяется начальным распределением напряжения вдоль обмотки, которое зависит от емкостей на землю и продольной емкости. Наиболее простой для анализа и наиболее тяжелый для изоляции случай соответствует падению на обмотку трансформатора бесконечно длинного импульса с амплитудой U₀ и прямоугольным фронтом (длина фронта _и = 0), при воздействии которого токи через индуктивности в начальный момент времени будут равны нулю. Поэтому начальное распределение напряжения вдоль обмотки, как и для гирлянды изоляторов, будет определяться из цепочечной схемы, включающей продольные емкости К между соседними витками и катушками, а также поперечные емкости С₁ относительно земли (рис. 3). Емкостями С₂ можно пренебречь, т. к. при отсутствии специальных мер у трансформаторов С₂, C₁. Без специальных мер по выравниванию распределения напряжения начальное распределение напряжения вдоль обмотки трансформатора получается сильно неравномерным. Напряжения между первыми витками обмотки могут в 10 - 20 раз превышать те, которые соответствуют равномерному распределению. Это вызвано тем, что в отличии от гирлянды, где К > C₁ почти в 20 раз, в трансформаторах из-за близости обмоток к заземленным баку и магнитному проводу это соотношение не превышает 8 раз. Для выравнивания начального распределения напряжения в трансформаторах выполняют специальную внутреннюю защиту, часто в виде емкостных экранов, электрически соединенных с началом обмотки. Эти экраны создают дополнительные емкости между витками или катушками обмотки и началом обмотки (рис 4) и тем самым частично выравнивают начальное распределение напряжения (как и емкости С₂ в гирлянде изоляторов).

Рис. 4. - Схема замещения обмотки трансформатора:

К - продольная емкость между катушками;

С₁ - поперечная емкость катушек относительно земли;

С₂ - емкость катушек относительно экрана.

Изоляция вращающихся машин.

Во вращающихся электрических машинах высокого напряжения (3 - 20 кВ) в месте выхода обмотки из паза статора электрическое поле получается резко неоднородным. Сталь статора, т. е. заземленный электрод, имеет здесь угол с острой кромкой, напряженность у которой даже при рабочем напряжении получается настолько высокой, что на поверхности изоляции могут возникнуть скользящие разряды. Эти разряды разрушают изоляцию и резко сокращают ее срок службы. Для того, чтобы сделать электрическое поле на этом участке более однородным, на поверхность изоляции наносят покрытие, удельное сопротивление которого (на единицу длины слоя) на 3 - 4 порядка меньше, чем поверхностное сопротивление _s самой изоляции. Благодаря этому напряженность электрического поля вдоль поверхности изоляции в месте выхода обмотки из паза значительно снижается и разряды в этом месте устраняются, но появляется острая кромка в месте окончания покрытия (точка В на рис. 5).

Рис. 5. - Конструкция и схемы замещения изоляции в месте выхода обмотки электрической машины из паза статора:

А - без регулирования электрического поля;

Б - с регулированием поля с помощью проводящего покрытия;

1 - сталь ротора;

2 - токоведущий стержень;

3 - изоляция;

4 - проводящее покрытие.

Однако протекающие вдоль покрытия емкостные токи (через С₁ ) создают падение напряжения, и разность потенциалов между токоведущим стержнем обмотки и покрытием с увеличением x постепенно снижается. При правильном выборе длины покрытия l_п и его удельного сопротивления разность потенциалов между токоведущим стержнем и краем покрытия оказывается сниженной настолько, что, несмотря на неоднородность поля в этом месте, разряд по краю покрытия не возникает.

Строгий расчет трехмерного электрического поля в месте выхода обмотки из паза статора с учетом геометрической формы токоведущих стержней обмотки и стали статора, различия диэлектрических проницаемостей воздуха и твердой изоляции, учет объемной и поверхностной проводимости изоляции представляет весьма сложную задачу. Удовлетворительная для инженерных расчетов точность достигается при следующих упрощениях:

- электрическое поле предполагается плоскопараллельным, т. е. принимается, что в любом сечении, параллельным чертежу (рис. 5), форма поля сохраняется;

- емкость между сталью статора и поверхностью твердой изоляции (С₂ на рис. 5) не учитывается;

- объемное сопротивление твердой изоляции не учитывается;

- изменение потенциала вдоль поверхности изоляции обусловлено протеканием токов вдоль поверхности изоляции (удельное поверхностное сопротивление _s), которые замыкаются затем на стержень обмотки через распределенные емкости изоляции.

При указанных упрощениях расчет электрического поля в месте выхода обмотки из паза сводится формально к определению распределения напряжения в емкостно-омической цепочечной схеме с распределенными параметрами (см. схемы замещения на рис. 5).

Распределение напряжения в цепочечной схеме.

Для решения рассмотренных выше задач необходимо провести анализ цепочечной схемы с равномерно распределенными параметрами (рис. 6). Схема замещения для гирлянды изоляторов состоит из конечного числа сосредоточенных емкостей и сопротивлений.

Однако удобнее заменить сосредоточенные параметры равномерно распределенными и считать их постоянными по длине гирлянды, хотя на самом деле емкости С₁ и С₂ (см. 2) зависят от положения изолятора. Такое допущение упрощает решение и позволяет получить результаты, достаточно близкие к опытным.

Рис. 6. - Емкостно-омическая схема с распределенными параметрами:

В схеме на рис. 6 емкости и сопротивление на единицу длины обозначены.

На этой схеме случай замкнутого рубильника Р соответствует схеме замещения гирлянды или трансформатора (начальное распределение) с глухой заземленной нейтралью.

Разомкнутого рубильника Р - схеме замещения трансформатора с изолированной нейтралью Для участка схемы длиной dx уравнения для и имеют вид:

 (1)

На основании (1) дифференциальное уравнение, описывающее распределение напряжения вдоль цепочечной схемы, будет:

(2)

Решение уравнения (2) имеет вид:

(3)

Где:

- частное решение неоднородного уравнения.

Тогда общее решение при замкнутом рубильнике:

(4)

Цепочечная схема с замкнутым рубильником является схемой замещения для гирлянды и обмоток трансформатора с заземленной нейтралью. Рассмотрим этот случай.

Распределение напряжения по изоляторам гирлянды. Для гирлянды изоляторов с чистой сухой поверхностью уравнение (4) имеет вид:

Здесь:

i - номер изолятора, считая от провода; n - число изоляторов в гирлянде.

Это уравнение получено с учетом того, что для гирлянды изоляторов емкости на единицу длины определяются через реальные емкости изоляторов К, С₁ и С₂ (см. рис. 2):

Где:

h - строительная длина одного изолятора.

Кроме того учтено, что текущая координата х может принимать лишь дискретные значения:

x = i * h

Где:

i - порядковый номер изолятора, считая от провода.

Наибольшее значение n - число изоляторов в гирлянде;

hn = l - длина гирлянды.

Напряжение U_i, приходящееся на i - й изолятор гирлянды равно:

На изоляторе, ближайшем к проводу (i = 1), который работает в наиболее трудных условиях, напряжение U₁ будет:

(5)

При неограниченном увеличении числа изоляторов, т. е. при n :

Следовательно, на основании (4) при n:

(6)

Из (5) и (6) следует, что с ростом числа изоляторов n в гирлянде напряжение на ближайшем к проводу изоляторе уменьшается не обратно пропорционально n, как было бы при равномерном распределении, а в меньшей степени, и стремится к некоторому пределу. При n > 10 - 15 увеличение числа изоляторов в гирлянде практически не изменяет долю напряжения на ближайшем к проводу изоляторе. Это затрудняет выполнение изоляции для линий высокого и сверхвысокого напряжения (свыше 220 кВ), так как без специальных мер напряжение U₁ независимо от числа изоляторов в гирлянде растет почти пропорционально рабочему напряжению линии U₀.

Для создания более равномерного распределения напряжения вдоль гирлянды и снижения величины U₁ используют специальную арматуру в месте подвески провода.

С помощью этой арматуры увеличивают емкость С₂ изоляторов, ближайших к проводу, что приводит к снижению напряжения U₁. В случае расщепления проводов емкость С₂ значительно увеличивается. Поэтому применение расщепленных проводов, а также сдвоенных гирлянд, у которых К увеличивается в большей степени, чем С_1, способствует выравниванию распределения напряжения вдоль гирлянды изоляторов.

В случае, если R' (увлажненная или сильно загрязненная поверхность изоляторов), наличие продольного сопротивления выравнивает напряжение по изоляторам гирлянды, но при этом возрастают токи утечки и имеют место потери энергии.

Для трансформаторной обмотки с изоляцией без утечек () и без специальных выравнивающих экранов емкость , как правило, пренебрежимо мала, поэтому примем = 0. Тогда после преобразований уравнение (4) примет вид:

(7)

Формула (7) относится к обмотке трансформатора без внутренней защиты.

Рис. 7. - Высоковольтные обмотки трансформатора:

Емкости на единицу длины определяются из формул:

Где:

l - длина обмотки;

К_тр - так называемая “продольная” емкость всей обмотки;

С_1тр - полная емкость всей обмотки на землю (бак трансформатора).

Тогда:

(8)

Для трансформаторов l = 10 - 20. С учетом этого можно упростить формулы для U_x приняв в них (в гиперболических синусах) . Тогда независимо от режима нейтрали распределение напряжения U_x вдоль обмотки определяется приближенным выражением:

(9)

Из (9) следует, что наибольшие напряженности в продольной изоляции обмотки (между витками) будут иметь место в начале обмотки (х = 0):

(10)

При равномерном распределении:

высоковольтный изоляция электрический

Для выравнивания начального распределения используют емкостные экраны. Для объяснения их действия рассмотрим схему замещения обмотки трансформатора с емкостным экраном для t = 0 (см. рис. 4, рубильник Р - замкнут). Будем считать, что на этой схеме К, С₁ и С₂ - соответствующие емкости катушек обмотки, т. е. схема содержит конечное число сосредоточенных емкостей, причем все емкости С₁ катушек на землю одинаковы, а емкости С₂ можно выполнить разными.

Если емкостной экран распространяется на всю длину обмотки, то при определенном подборе величин емкостей С₂ начальное распределение напряжения будет строго равномерным.

Для этого необходимо, чтобы заряд на i-й емкости С₂ был равен заряду на емкости С₁ этой же катушки, т. е.:

i - номер катушки, считая от начала обмотки (от высоковольтного ввода);

m - число катушек в обмотке.

Отсюда следует, что емкости С_2i относительно экрана должны изменяться вдоль обмотки следующим образом:

(11)

Теоретически может быть достигнуто идеально равномерное распределение напряжения по катушкам обмотки трансформатора. Практически выполнять условие (11), т. е. изготовлять емкостный экран на всю длину обмотки и с требуемым изменением емкости С₂ нецелесообразно. Обычно с помощью емкостного экрана защищают лишь первые катушки обмотки, продольная изоляция которых при отсутствии экрана подвергается воздействию особенно высоких импульсных перенапряжений.

Размещено на Allbest.ru