Размещено на http://www.allbest.ru/

1

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

"КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”

Автореферат дисертації

на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Високовольтні малогабаритні вводи з повітряно-комбінованою ізоляцією для мобільних лабораторій

Спеціальність 05.09.13 - Техніка сильних електричних та магнітних полів

Троценко Євгеній Олександрович

Київ - 2011

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі техніки і електрофізики високих напруг Національного технічного університету України "Київський політехнічний інститут” (м. Київ)

Науковий керівник:

доктор технічних наук, професор Бржезицький Володимир Олександрович, Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут”, м. Київ, в. о. завідувача кафедри техніки і електрофізики високих напруг

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, старший науковий співробітник Подольцев Олександр Дмитрович, Інститут електродинаміки НАН України, м. Київ, головний науковий співробітник відділу електроживлення технологічних систем;

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Копшин Володимир Володимирович, Державне підприємство "Укрметртестстандарт", м. Київ, провідний науковий співробітник науково-дослідного відділу №29.

Захист відбудеться "15" березня 2011 р. о 15 год.00 хв. на засіданні спеціалізованої вченої ради К26.002.06 в Національному технічному університеті України "Київський політехнічний інститут” за адресою: 03056, м. Київ-56, пр. Перемоги, 37, корп. № 20, ауд. № 3.

З дисертацією можна ознайомитись в науково-технічній бібліотеці Національного технічного університету України "Київський політехнічний інститут” за адресою: 03056, м. Київ-56, пр. Перемоги, 37.

Автореферат розіслано "03" лютого 2011 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, доцент, к. т. н. В.О. Шостак

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Вирішенням задачі повірки крупногабаритних високовольтних вимірювальних трансформаторів напруги (ЗНОМ-35; НОМ-35; НКФ-110 та інших), які на період повірки не можуть бути демонтовані і передані в діючі служби Держспоживстандарту, є створення мобільних повірочних лабораторій (МПЛ) для повірки вимірювальних трансформаторів на місцях їх експлуатації, в тому числі з реальним навантаженням у вторинному колі.

При наявних значних досягненнях у створенні МПЛ, одним з основних недоліків існуючих на даний час МПЛ класів напруги до 110 кВ включно, є їх конструкція, яка забезпечує їх працездатність у так званому "розгорнутому" варіанті, який потребує виносу з автомобіля еталонного, навантажувального та іншого устаткування та "ручного" монтажу високовольтної схеми поряд з об'єктом повірки, при цьому значно обмежуються можливості та умови експлуатації МПЛ.

Для забезпечення працездатності МПЛ без виносу устаткування, вони повинні бути оснащені високовольтними малогабаритними вводами, що забезпечують введення високої напруги крізь кузов автомобіля до високовольтного відсіку.

В даний час в країнах СНД комплект устаткування МПЛ для повірки трансформаторів напруги (ТН) до 110 кВ монтується переважним чином на шасі автомобіля ГАЗ-27057, або подібних автомобілів вантажопідйомністю близько 1300 кг та довжиною близько 5,5 м. Використання типових високовольтних вводів (таких, як маслобар'єрні, паперово-масляні прохідні ізолятори з конденсаторними обкладками або маслонаповнені вводи вагою 380-470 кг та довжиною 2,6-3,1 м) на робочу напругу 110 кВ для даного випадку є неприйнятним, оскільки їх розміри та вага стають порівняними з автомобілем. Тому актуальною є розробка високовольтних малогабаритних вводів, що представляють собою новий тип високовольтного електрообладнання, який не має порцелянової покришки, та в якому в якості внутрішньої ізоляції використовується повітряно-комбінована ізоляція.

Представлена дисертаційна робота, у певній мірі, є розвитком вітчизняних досягнень у споріднених галузях колективів академіка НАНУ Стогнія Б.С. (м. Київ), члена-кореспондента НАНУ Щерби А.А. (м. Київ), провідних фахівців ВАТ ЕК "Хмельницькобленерго" та інших.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалась на кафедрі техніки і електрофізики високих напруг факультету електроенерготехніки та автоматики Національного технічного університету України "Київський політехнічний інститут" відповідно до планів науково-дослідних робіт "Підготовка та проведення випробувань вузлів повірочної лабораторії напругою 35 кВ" та "Модернізація та випробування мобільної повірочної лабораторії класу 110 кВ" (державні реєстраційні номери 0103U000007; 0109U004111), в яких здобувач був виконавцем окремих розділів.

Мета і завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи є розробка високовольтних малогабаритних вводів МПЛ з повітряно-комбінованою ізоляцією та розвиток методів моделювання і аналізу їх неоднорідних електричних полів.

Для досягнення цієї мети були вирішені наступні завдання:

- обґрунтування актуальності створення та застосування нового типу високовольтного обладнання - високовольтних малогабаритних вводів з повітряно-комбінованою ізоляцією;

- отримання математичних виразів для обчислення основних параметрів високовольтних малогабаритних вводів та розробка програм чисельного розрахунку електричного поля в їх міжелектродному проміжку;

- розрахунок траєкторії розвитку стримера в повітряно-комбінованій ізоляції високовольтного малогабаритного вводу;

високовольтний малогабаритний ввід електричне поле

- розробка методики проведення експериментальних досліджень та обробки їх результатів при випробуваннях повітряно-комбінованої ізоляції високовольтних малогабаритних вводів;

- розробка та реалізація експериментальних зразків високовольтного малогабаритного вводу з повітряно-комбінованою ізоляцією в мобільній повірочній лабораторії класів напруги 0,22 … 110 кВ.

Об'єкт дослідження - високовольтні малогабаритні вводи з повітряно-комбінованою ізоляцією.

Предмет дослідження - розподілення тривимірного електричного поля в повітряно-комбінованій ізоляції високовольтного малогабаритного вводу з урахуванням впливу конструктивних елементів вводу складної форми та розвитку стримера.

Методи дослідження засновані на використанні теорії електромагнітного поля для аналізу електричних складових взаємодії елементів, теорії електроізоляційних матеріалів, високовольтної ізоляції та техніки високих напруг, електричних вимірювань та високовольтних випробувань, методів розрахунку електричних полів на персональному комп'ютері, математичної статистики та апроксимації функцій, а також проведенні основних видів вимірювань з високовольтними трансформаторами та подільниками напруги.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному:

1. Удосконалені формули для визначення максимальної напруженості електричного поля на струмоведучому стрижні високовольтних вводів з тороїдальним і протяжним фланцем, результати застосування яких адекватно відповідають картині електричного поля в розглянутих проміжках та характеризуються зменшенням похибки.

2. Вперше одержано універсальні аналітичні вирази для визначення максимальної напруженості електричного поля на заземленому фланці вводів з тороїдальним і протяжним фланцем.

3. Дістали подальший розвиток співвідношення між геометричними параметрами вводів, при виконанні яких максимальні напруженості на струмоведучому стрижні і заземленому фланці рівні, що забезпечує наближене до рівномірного розподілення електричного поля в міжелектродному проміжку ізоляційної конструкції.

4. На основі обширних експериментальних досліджень та статистичної обробки результатів вперше показано, що дані розрядної напруги повітряно-комбінованої ізоляції з використанням гідрофобного діелектрику (фторопласту-4) можуть бути представлені єдиними залежностями з використанням в якості вихідного параметру довжини шляху розвитку стримера в міжелектродному проміжку.

5. Удосконалена методика визначення просторової траєкторії розповсюдження електричного стримера у високовольтному малогабаритному вводі, яка враховує його тривимірну конструкцію.

Практичне значення одержаних результатів:

1. Використання одержаних виразів для визначення максимальної напруженості та забезпечення наближеного до рівномірного розподілення електричного поля в проміжках "струмоведучий стрижень - заземлений фланець" значно зменшує час на стадії проектування, оскільки усуває необхідність застосування багаторазових "точкових" розрахунків електричних полів та дозволяє використовувати подальшу оптимізацію.

2. Встановлена можливість розрахункового визначення електричної міцності повітряно-комбінованої ізоляції високовольтних малогабаритних вводів з використанням методики розрахунку просторової траєкторії розповсюдження електричного стримера.

3. Застосування високовольтних малогабаритних вводів дозволяє суттєво розширити сферу використання існуючих високовольтних мобільних повірочних лабораторій - не тільки для повірки трансформаторів на частоті 50 Гц, але і для визначення показників якості електричної енергії у високовольтних трифазних системах.

4. Реалізовано технологію створення високовольтних малогабаритних вводів з повітряно-комбінованою ізоляцією класів напруги до 110 кВ включно, яку впроваджено в МПЛ класів напруги 0,22…110 кВ ("МПЛ-110") Державного підприємства "Донецькстандартметрологія" (м. Донецьк).

Особистий внесок здобувача. Результати, викладені в дисертаційній роботі, одержано автором особисто. В наукових працях, що написані у співавторстві та особисто, авторові належить: обґрунтування необхідності оснащення МПЛ високовольтними малогабаритними вводами для забезпечення працездатності МПЛ без виносу електроустаткування; визначення розподілення напруженості електричного поля в міжелектродному проміжку високовольтного вводу МПЛ; проведення дослідження впливу оточуючих конструкцій на електричне поле високовольтного малогабаритного вводу та в виборі моделі розрахунку; проведення моделювання розвитку стримера в реальній конструкції високовольтного малогабаритного вводу і виконання експериментальної перевірки можливості перекриття його ізоляції; проведення експериментальних досліджень для визначення витримуваної напруги високовольтного малогабаритного вводу.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи доповідались на:

- на Міжнародних симпозіумах "Проблеми удосконалення електричних машин і апаратів. Теорія і практика" (м. Харків, 2006 р., 2009 р.);

- на 6-й та 7-й Науково-практичних конференціях "Метрологічне забезпечення обліку електричної енергії в Україні" (м. Київ, 2007 р., 2009 р.);

- на Загальноуніверситетській науково-технічній конференції молодих учених, аспірантів і студентів "Сучасні проблеми електроенерготехніки та автоматики" (м. Київ, 2007 р.);

- на Міжнародних науково-технічних конференціях молодих учених, аспірантів і студентів "Сучасні проблеми електроенерготехніки та автоматики" (м. Київ, 2008 р., 2009 р.);

- на 11-й Міжнародній науково-технічній конференції "Проблеми сучасної електротехніки-2010" (м. Київ, 2010 р.).

Публікації. Результати дисертації опубліковані в 11 наукових роботах, серед них 7 статей у наукових фахових виданнях, затверджених ВАК України.

Структура і об'єм дисертації. Дисертація складається зі вступної частини, 4-х розділів, висновків, списку використаних джерел зi 104 найменувань і 11 додатків. Обсяг дисертації 167 сторінок, з них 118 сторінок основного тексту, 11 сторінок списку використаних джерел, 38 сторінок матеріалів додатків, дисертація ілюстрована 49 рисунками та 5 таблицями за текстом.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовані мета і завдання дослідження, визначені об'єкт і предмет дослідження, встановлені методи досліджень, показані наукова новизна і практичне значення одержаних результатів, приведено відомості про апробацію і наявні наукові публікації.

У першому розділі проведений аналіз існуючих мобільних та пересувних повірочних високовольтних лабораторій та реалізацій схем повірки (рис. 1).

За результатами огляду в першому розділі встановлено, що одним з основних недоліків існуючих високовольтних МПЛ є їх працездатність лише у так званому "розгорнутому положенні", при якому для роботи на місці повірки необхідно виносити з автомобіля еталонне, навантажувальне та інше устаткування (рис.1, а) для "ручного" монтажу високовольтної схеми поряд з місцем розташування об'єкта повірки.

Тому актуальною є задача розробки та оснащення МПЛ високовольтними малогабаритними вводами, які забезпечують введення високої напруги крізь кузов автомобіля, на якому змонтовано лабораторію, до відсіку силового та високовольтного устаткування, і усувають необхідність виносу електроустаткування із МПЛ та його подальшого монтажу (рис.1, б).

У другому розділі проведений огляд публікацій з предмету дослідження з урахуванням тенденцій розвитку наукових досягнень в галузі. Зокрема встановлено, що для розрахунку тривимірного електричного поля високовольтного малогабаритного вводу найбільш доцільним є використання методу кінцевих елементів, що обумовлено наявністю розробленого на його основі прикладного програмного забезпечення (зокрема Femlab), яке характеризується зручністю комп'ютерного моделювання і візуалізації одержаних результатів. На цій основі в роботі удосконалені формули для визначення максимальної напруженості електричного поля на струмоведучому стрижні високовольтних вводів з тороїдальним (рис.2) і протяжним (рис.3) фланцем; одержані універсальні аналітичні вирази для визначення максимальної напруженості електричного поля на заземленому фланці вводів з тороїдальним і протяжним фланцем; розвинуті співвідношення між геометричними параметрами вводів, при виконанні яких максимальні напруженості на струмоведучому стрижні і заземленому фланці рівні, що забезпечує наближене до рівномірного розподілення електричного поля в міжелектродному проміжку високовольтної ізоляції У даних конструкціях напруженість електричного поля максимальна в двох точках, що лежать на центральній силовій лінії: в точці 1 на струмоведучому стрижні і у точці 2 на заземленому фланці. Проміжок струмоведучий стрижень-протяжний фланець представляє більший практичний інтерес, оскільки протяжний фланець моделює стінки кузова автомобіля МПЛ. В розрахунках використовувалась система відносних одиниць, в якій відносні напруженість електричного поля, радіус фланця, радіус стрижня (труби) мають вид, відповідно:

E^* = E/E₀ = ER₀/U, = R_ф/R₀, = R_т/R₀.

Відомі в літературі (Колечицкий Е.С. Расчет электрических полей устройств высокого напряжения. - М.: Энергоатомиздат, 1983. - 168 с.) формули засновані на припущенні, що залежності відносної максимальної напруженості електричного поля в точці 1 (рис.2,3), при різних значеннях сімейств кривих = const, = var мають характерну U-подібну форму з мінімумом при = 1/e = 0,368. Це ствердження сумнівно, оскільки відноситься до системи двох коаксіальних циліндрів. Розрахунки електричного поля методом кінцевих елементів в Femlab та методом інтегральних рівнянь підтвердили, що залежності при = const, = var мають мінімум при різних значеннях , що відрізняються від значення 1/e, що показано на рис.4, а і рис.4, б:

а) для вводу з тороїдальним фланцем; б) для вводу з протяжним фланцем

1 - = 0,10; 2 - = 0, 20; 3 - = 0,25; 4 - = 0,30; 5 - мінімуми

Тому в відомі вирази для було внесено поправкові коефіцієнти k₁ і k₂, визначені на підставі проведених розрахунків поля і апроксимації розрахункових залежностей за методом найменших квадратів. Зокрема, для конструкції, зображеної на рис.2 відносна максимальна напруженість в точці 1 визначається виразом (1), а для конструкції, зображеної на рис.3 - виразом (2).

, де . (1)

, де . (2)

На основі моделювання електричного поля в Femlab було встановлено, що для конструкції, зображеної на рис.2 відносна максимальна напруженість в точці 2 може бути апроксимована виразом (3), а для конструкції, зображеної на рис.3 - виразом (4).

. (3)

. (4)

На співвідношення між значеннями напруженостей в точках 1 і 2 впливають радіус струмоведучого стрижня (труби) R_т, радіус скруглення фланця R_ф і радіус отвору в заземленому фланці R₀. При виконанні умови = отримаємо наближене до рівномірного розподілення електричного поля в зазначених проміжках. Використання цієї умови дозволить зменшити загальні масогабаритні показники високовольтних малогабаритних вводів.

За розрахунками встановлено, що для конструкції на рис.2 співвідношення = виконується при = 0,465 - 0,001395 (при фіксованому значенні ) або = 2,151+ 0,003 (при фіксованому значенні ).

Аналогічно для конструкції, зображеної на рис.3 співвідношення = виконується при = 0,688 - 0,1134 (при фіксованому значенні ) або = 1,453+ 0,1647 (при фіксованому значенні ).

У третьому розділі розглянуті питання визначення електричної міцності високовольтного малогабаритного вводу МПЛ на основі знаходження просторової траєкторії стримеру, що розповсюджується в його ізоляції.

Для забезпечення введення високої напруги крізь кузов автомобіля, на якому змонтовано лабораторію до її високовольтного відсіку, запропоновано будову високовольтного малогабаритного вводу, зображену на рис.5.

В якості струмоведучого елементу - стрижня вводу використано дюралюмінієву трубу (1) довжиною 1 м зовнішнім діаметром 45 мм. Використовуючи отриману в розділі 2 умову найбільш рівномірного розподілу електричного поля в проміжку "струмоведучий стрижень - заземлений тороїдальний фланець" визначено R_т=22,5 мм; R_ф=10 мм; R₀=135 мм. У верхній частині ввода, яка знаходиться всередині високовольтного відсіку, труба жорстко з'єднана з алюмінієвим фланцем (6). За допомогою 3 склотекстолітових стрижнів (5), прикріплених з одного кінця до верхнього фланця, а з іншого до заземленого фланця (3) у трьох точках під кутом 120 забезпечується концентричне розташування труби відносно алюмінієвого заземленого фланця і утворюється проміжок "струмоведучий стрижень - заземлений фланець". В центральній частині труби, яка проходить крізь фланець, на ній закріплено діелектричну фторопластову втулку (4) для збільшення напруги перекриття проміжку "струмоведучий стрижень - заземлений фланець". В кузові автомобіля (2) виконано отвір, до країв якого через заземлений фланець прикріплюється ввод (загальною масою 25 кг) за допомогою трьох кріпильних гвинтів, кожен з яких екранується металевою профільованою головкою (розташовуються під кутом 120 один до одного).

Наступним етапом було визначення діапазону характерних значень напруженості поля, що відповідають стримерному розряду в повітрі. Апроксимуючи сплайнами літературні дані, щодо до транспортного перетину розсіювання електронів на молекулах азоту і кисню, залежність середньої відносної втрати енергії, обумовленої зіткненнями електронів, що мають певну швидкість, з молекулами азоту та кисню та інші параметри було розраховано функцію розподілення електронів за швидкостями v у молекулярній плазмі (рис.6) для різних значень напруженості електричного поля Е (В/м) згідно наступного виразу:

, (5)

де m = 9,1093897Ч10^-31 кг, е = 1,602177Ч10^-19 Кл - відповідно, маса й заряд електрона; E - напруженість електричного поля, В/м; l (v) - довжина вільного пробігу електрона в плазмі залежно від швидкості. Функція , де - функція втрат, а - частота зіткнення електронів з молекулами азоту та кисню в повітрі. В якості верхньої границі інтегрування у виразі (5) було обрано швидкість, що відповідає 8 еВ: м/с.

Використовуючи отриману функцію розподілення (5) для напруженостей електричного поля Е = 1; 2; 3; 4; 5; 6 кВ/см вперше було розраховано (в комплексі) швидкість дрейфу v_д, ефективну електронну температуру Т_е, температуру повітря в каналі стримера Т_П, різницю між температурою електронів і температурою повітря (табл. 1).

Таблиця 1

Результати розрахунків при різних значеннях напруженості електричного поля

Е, кВ/см	vд, м/с	Те, К	ТП, К	T, К
1	1,213Ч104	5,058Ч103	0,534Ч103	4,524Ч103
2	1,817Ч104	6,767Ч103	0,990Ч103	5,777Ч103
3	2,328Ч104	7,555Ч103	1,566Ч103	5,989Ч103
4	2,767Ч104	8,060Ч103	2, 203Ч103	5,857Ч103
5	3,154Ч104	8,435Ч103	2,766Ч103	5,669Ч103
6	3,501Ч104	8,737Ч103	3,152Ч103	5,585Ч103

Порівнюючи отримані результати (табл. 1) для електронної температури в діапазоні Е = 1…3 кВ/см, а також Е = 4…6 кВ/см можна відзначити, що в першому діапазоні відбувається значне зростання електронної температури з ростом Е на ~ 2500 K, у той час, як для другого діапазону, електронна температура змінюється порівняно повільно, зростаючи всього лише на ~ 700 К. Це говорить про те, що саме в другому діапазоні різко зростають втрати енергії електронів на непружні зіткнення.

Проводячи аналогічні порівняння для температури розігріву повітря в стримері можна відзначити, що зростання розігріву повітря з ростом Е як у першому діапазоні (Е = 1…3 кВ/см), так і в другому діапазоні (Е = 4…6 кВ/см) відбувається практично на те саме значення 1000 К. При цьому в діапазоні Е = 4…6 кВ/см стабілізується (і навіть дещо зменшується) відрив електронної температури від температури повітря. При цьому підвищення температури повітря в каналі стримера, наприклад, до 2766 К (Е = 5 кВ/см) є досить істотним для розвитку іонізації. Отримані розрахункові дані пояснюють відомі експериментальні дані про нагрівання повітря в стримері в діапазоні 2500…3100 К, що відповідає діапазону розрядної напруженості електричного поля 4,5…6 кВ/см (судячи з даних табл. 1).

Представлені результати демонструють можливості теоретичного розрахунку функції розподілу електронів по швидкостях у повітрі, що є важливим для подальших досліджень електричного розряду в повітрі на підставі вирішення кінетичного рівняння з урахуванням розподілення електронів по швидкостях.

Пропозицією даної роботи є те, що в зв'язку з невирішеністю загального питання моделювання стримерного процесу в ізоляційній конструкції, можливо замінити цю складну задачу двома спрощеними завданнями:

1) розрахунком траєкторії перекриття стримером міжелектродного проміжку малогабаритного вводу МПЛ та 2) визначенням можливості розвитку розряду по визначеній вище траєкторії стримера. В якості першої може бути прийнята просторова траєкторія, яку залишає за собою скруглений циліндр фіксованої довжини l₀ і радіусу r₀, що починає свій "рух" з найбільш напруженої точки (знаходиться на заземленому електроді) в напрямку високовольтного електроду.

В літературі розглядаються дві моделі стримерного процесу, засновані на крайніх припущеннях: про "абсолютну" ізоляцію стримерної головки і про ідеальну провідність стримерного каналу. В реальності реалізується якийсь проміжний варіант і стример має проміжну провідність. В роботі були визначені ці обидві просторові траєкторії розвитку стримера за допомогою програми Femlab для умов МПЛ-110 (рис. 7). Перша траєкторія - це просторова траєкторія стримера з малою провідністю, що співпадає із силовою лінією початкової картини поля довжиною 14,8 см (рис. 7, №4), яка проведена з точки максимальної напруженості (3). Для розрахунку другої траєкторії рух головки стримера моделювався запропонованим в роботі "методом циліндра, що рухається". Це дозволило отримати криву №5 на рис.7 довжиною 15,5 см.

Оскільки стример все-таки має деяку проміжну провідність, його реальна траєкторія перебуває між цими двома лініями. Побудована еквідистантна крива (рис.7, №6) має довжину 15,2 см. Положення цієї кривої вказує, що стример рухається в напрямку до краю діелектричної втулки (2), де електричне поле найбільш спотворене. При досягненні цієї області фотони і електрони, що виникають при проростанні стримера ініціюють розряд по поверхні діелектрика (тобто по кривій №7 на рис.7). Тому загальний шлях розряду з фланця може бути виражений сумою кривих 6 і 7 на рис.7, що становить 25,8 см.

Приймаючи цю траєкторію за шлях перекриття було обчислено, що середня напруженість вздовж цієї кривої дорівнює кВ/см (при випробувальній напрузі частоти 50 Гц, рівній 90 кВ). Хоча дане значення на 8,8% перевищує нижню границю відомого з літератури діапазону розрядної напруженості електричного поля 4,5…6 кВ/см, це не може однозначно свідчити про можливість перекриття даного проміжку по даній траєкторії. Проведене експериментальне випробування показало, даний проміжок витримує випробувальну напругу кВ (ампл.). Тому ввод з даною втулкою було використано в МПЛ-110.

За цими результатами було встановлено що, при досягненні значень середньої напруженості електричного поля вздовж траєкторії стримера, близьких до діапазону розрядної напруженості електричного поля 4,5…6 кВ/см, отримати однозначну відповідь про перекриття ізоляційного проміжку вводу не можливо, і тому після вирішення першого завдання задачі визначення електричної міцності - знаходження довжини шляху перекриття стримера, необхідно перейти до другого завдання - визначення витримуваної напруги по даному шляху (розглядається в 4 розділі).

У четвертому розділі описані експериментальні дослідження комбінованих проміжків "струмоведучий стрижень з діелектричною втулкою - заземлений фланець", що проводилися в системі електродів з діелектричними втулками різних діаметрів та довжини з метою визначення витримуваної напруги високовольтного малогабаритного вводу МПЛ.

Відеоспостереження процесу розряду показало, що незалежно від діаметра та відступу діелектричної втулки відносно заземленого фланця, розряд в таких проміжках відбувається як розряд в повітрі вздовж траєкторії l₁ (рис.8), яка співпадає з центральною силовою лінією, і при досягненні поверхні втулки переходить в розряд вздовж поверхні діелектрика по траєкторії l₂. При досягненні краю діелектричної втулки розвиток розряду продовжується вздовж траєкторії l₃ до досягнення струмоведучого стрижня. Таким чином сумарний шлях розряду являє собою ламану лінію S = l₁ + l₂ + l₃ (рис.8).

Експерименти проводились при відносній вологості навколишнього повітря 53-68 % і окремо при 100%.

Для кожного досліджуваного діаметра втулки і кожної досліджуваної відстані між електродами S проводилась серія з 30 випробувань, за результатами яких проводилась статистична обробка результатів та згідно ГОСТ 1516.2 було визначено значення витримуваної напруги.

При виконанні роботи було встановлено, що результуючу криву витримуваної напруги зручно виразити у відсотках від відомої залежності розрядної напруги проміжку "стрижень - площина" в повітрі при нормальних атмосферних умовах в залежності від відстані між електродами при частоті 50 Гц.

Дана залежність з високою точністю (коефіцієнт кореляції r = 0,99963) була апроксимована виразом:

U = 15,872S^0,6355, (6)

де U - амплітуда середньої розрядної напруги, кВ; S - відстань між електродами, см.

За результатами проведеної статистичної обробки експериментальних даних та розрахунку витримуваних напруг було визначено, що при відносній вологості повітря 53-68% значення кривої витримуваної напруги (при нормованій ГОСТ 1516.2 ймовірності витримування 90%) становлять 0,98 від залежності (6) і, відповідно, визначають залежність:

U_в1 = 0,9815,872S^0,6355 = 15,555S^0,6355. (7)

Оскільки МПЛ-110 має працювати при непогоді, тимчасових атмосферних опадах, тобто при максимальній вологості повітря, були проведені експериментальні дослідження розрядних характеристик комбінованих проміжків при відносній вологості навколишнього повітря 100%, за результатами яких встановлено, що значення витримуваної напруги в цьому випадку становлять 0,90 від залежності (6) і, відповідно, визначають залежність:

U_в2 = 0,9015,872S^0,6355 = 14,285S^0,6355. (8)

В розділі 3 за пропонованою методикою було розраховано траєкторію довжиною 25,8 см перекриття стримером ізоляції для вводу зі втулкою, що витримав випробування напругою амплітудою 128 кВ. Підставивши значення цієї довжини у формулу (7) отримаємо, що витримувана напруга становить 122,7 кВ. Тобто, повітряно-комбінована ізоляція високовольтного малогабаритного вводу забезпечує розрахункову електричну міцність 122,7 кВ.

Експериментальні дослідження дозволили уточнити дане значення електричної міцності: ізоляція високовольтного малогабаритного вводу фактично забезпечує електричну міцність не тільки при напрузі 122,7 кВ, а і при 128 кВ (на 4,3% більше розрахованої).

Розділивши (6) на S, отримаємо вираз залежності розрядної напруженості електричного поля від відстані між електродами:

кВ/см,

графік якої наведено на рис. 9.

Як видно з рис. 9 при відстані між електродами 14,5…30 см діапазон розрядної напруженості електричного поля дійсно становить 4,5…6 кВ/см.

Одним з перспективних шляхів підвищення точності обліку електроенергії і вимірювання показників її якості є створення мобільних повірочних лабораторій, які забезпечують не тільки повірку вимірювальних трансформаторів на частоті 50 Гц, але і визначення показників якості електроенергії в високовольтних електричних мережах.

За результатами проведеного в роботі експериментального дослідження масштабного перетворення вищих гармонічних складових напруги високовольтним малогабаритним еталонним трансформатором напруги класу 110 кВ в широкому діапазоні його первинної напруги було встановлено, що воно наближається до високовольтного еталонного подільника напруги в області максимального значення магнітної проникності магнітопроводу при 100…120% від номінальної напруги U_н.

Таким чином, мобільна повірочна лабораторія МПЛ-110, доукомплектована додатково двома еталонними високовольтними малогабаритними трансформаторами напруги, і, відповідно, двома високовольтними малогабаритними вводами може бути покладена в основу прототипу МПЛ (рис. 10), який забезпечує не тільки повірку трифазних трансформаторів напруги на частоті 50 Гц (наприклад, класу 35 кВ), а і визначення основних показників якості електроенергії в високовольтних електричних мережах. Для фіксації малогабаритних вводів в транспортному положенні мобільна повірочна лабораторія доукомплектовується двома додатковими кожухами (рис. 10, а), які забезпечують концентричне розташування стрижнів вводів відносно їх фланців при транспортуванні.

Висновки

В дисертаційній роботі наведене теоретичне узагальнення і нове вирішення важливої науково-практичної задачі, що виявляється в розвитку методів моделювання та аналізу електричних полів високовольтних вводів з повітряно-комбінованою ізоляцією і забезпеченні різкого зниження їх розмірів та матеріалоємності.

1. На основі аналізу існуючих високовольтних мобільних повірочних лабораторій обґрунтована актуальність застосування в їх конструкціях високовольтних малогабаритних вводів, що забезпечують введення високої напруги крізь кузов автомобіля, на якому змонтовано лабораторію, до її високовольтного відсіку, і усувають необхідність виносу еталонного, навантажувального та іншого устакування із МПЛ та "ручного" монтажу високовольтної схеми поряд з об'єктом повірки.

2. Удосконалені формули для визначення максимальної напруженості електричного поля на струмоведучому стрижні високовольтних вводів з тороїдальним і протяжним фланцем, результати застосування яких адекватно відповідають картині електричного поля в розглянутих проміжках та характеризуються зменшенням похибки.

3. Вперше одержано універсальні аналітичні вирази для визначення максимальної напруженості електричного поля на заземленому фланці вводів з тороїдальним і протяжним фланцем.

4. Дістали подальший розвиток співвідношення між геометричними параметрами вводів, при виконанні яких максимальні напруженості на струмоведучому стрижні і заземленому фланці рівні, що забезпечує наближене до рівномірного розподілення електричного поля в міжелектродному проміжку ізоляційної конструкції.

5. Удосконалена методика визначення просторової траєкторії розповсюдження електричного стримеру у малогабаритному високовольтному вводі, яка враховує його тривимірну конструкцію.

6. На основі обширних експериментальних досліджень та статистичної обробки їх результатів вперше показано, що дані розрядної напруги повітряно-комбінованої ізоляції з використанням гідрофобного діелектрику (фторопласту-4) можуть бути представлені єдиними залежностями з використанням в якості вихідного параметру довжини шляху розвитку стримера в міжелектродному проміжку.

7. Вперше проведено експериментальні дослідження зразків проміжків повітряно-комбінованої ізоляції типу "струмоведучий стрижень з діелектричною втулкою - заземлений фланець", за результатами яких визначено залежності витримуваної напруги проміжків при відносній вологості навколишнього повітря 53…68 % та 100 %, використання яких дозволяє прогнозувати електричну міцність при розробці високовольтних малогабаритних вводів.

8. Застосування високовольтних малогабаритних вводів дозволяє суттєво розширити сферу використання існуючих високовольтних мобільних повірочних лабораторій - не тільки для повірки трансформаторів на частоті 50 Гц, але і для визначення показників якості електричної енергії у високовольтних трифазних системах.

9. Ефективність розроблених теоретичних положень підтверджено впровадженням результатів дисертаційної роботи в Державному підприємстві "Донецькстандартметрологія" (м. Донецьк) в мобільній повірочній лабораторії класів напруги 0,22…110 кВ (МПЛ-110).

Перелік опублікованих праць за темою дисертації

1. Результати дисертації опубліковані в 11 наукових роботах, серед них 7 статей у наукових фахових виданнях, затверджених ВАК України.

2. Бржезицкий В.А., Маслюченко И.Н., Троценко Е.А. К расчету электрического поля ввода с газовой изоляцией // Електротехніка і електромеханіка. - 2007. - № 5 - С.71-72.

Здобувачем уведені удосконалені формули для визначення максимальної напруженості електричного поля на струмоведучому стрижні високовольтних вводів з тороїдальним і протяжним фланцем.

3. Бржезицкий В.А., Маслюченко И.Н., Троценко Е.А., Хоминич В.И. Экспериментальное исследование электрической прочности высоковольтного ввода с комбинированной изоляцией // Електротехніка і електромеханіка. - 2007. - № 4 - С.66-67.

Здобувачем розроблена методика визначення результатів експериментів з дослідження характеристик ізоляційних конструкцій високовольтних вводів з комбінованою ізоляцією.

4. Бржезицький В.О., Троценко Є.О., Маслюченко І.М. Розрахунок максимальної напруженості електричного поля в проміжку струмоведучий стрижень - заземлений фланець // Новини енергетики. - 2008. - № 8 - С.34-39.

Здобувачем одержані вирази для визначення максимальної напруженості електричного поля на заземленому фланці вводів з тороїдальним і протяжним фланцем та розвинуті умови рівномірного розподілення електричного поля в їх ізоляції.

5. Бржезицький В.О., Гаран Я.О., Маслюченко І.М., Троценко Є.О. Оптимізація вводу малогабаритного еталонного трансформатора напруги класу 110 кВ // Новини енергетики. - 2008. - № 10 - С.45-48.

Здобувачем розроблена методика порівняння характеристик варіантів конструкцій високовольтного малогабаритного вводу.

6. Бржезицький В.О., Троценко Є.О., Маслюченко І.М. До розрахунку електричної міцності малогабаритного вводу мобільної повірочної лабораторії // Електротехніка і електромеханіка. - 2009. - № 6 - С.42-45.

Здобувачем розроблена методика визначення просторової траєкторії розвитку електричного стримера в малогабаритному високовольтному вводі мобільної повірочної лабораторії, яка враховує тривимірну конструкцію ввода.

7. Троценко Є.О. Дослідження малогабаритного високовольтного вводу мобільної повірочної лабораторії // Новини енергетики. - 2010. - № 5 - С.42-46.

Здобувачем проведені розрахунки траєкторій перекриття стримером повітряно-комбінованої ізоляції високовольтного малогабаритного вводу з різними діелектричними конструкціями.

8. Бржезицкий В.А., Троценко Е.А. Определение функции распределения электронов по скоростям для электрического разряда в воздухе // Технічна електродинаміка. Тематичний випуск "Проблеми сучасної електротехніки". - 2010. - Ч.2. - С.157-159.

Здобувачем визначено функцію розподілення електронів по швидкостям та похідні від неї параметри для електричного розряду в повітрі при різних значеннях напруженості електричного поля.

9. Бржезицький В.О., Бржезицький В.В., Ісаєв В.В., Кікало В.М., Лапченко А.М., Маслюченко І.М., Троценко Є.О. Мобільна повірочна лабораторія класів напруги 0,22.110 кВ // Метрологічне забезпечення обліку електричної енергії в Україні: Матер.6-ої наук. - практ. конф. / Уклад.: В.М. Кікало, С.В. Білоус. - К.: АВЕГА, 2007. - С. 202-204.

Здобувачем проведена експериментальна перевірка працездатності мобільної повірочної лабораторії без виносу електроустаткування.

10. Бржезицький В.О. Троценко Є.О., Куць А.А. Аспекти створення мобільних повірочних лабораторій для повірки трансформаторів напруги і струму // Доповіді за матеріалами Міжнародної науково-технічної конференції молодих учених, аспірантів і студентів "Сучасні проблеми електроенерготехніки та автоматики". - Київ: "Політехніка", 2008. - 482 с. - С.445-446.

Здобувачем проаналізовано недоліки існуючих мобільних повірочних лабораторій та обгрунтовано необхідність створення та застосування в їх конструкціях високовольтних малогабаритних вводів.

11. Бржезицький В.О., Троценко Є.О., Гудима М.Б. Розряд між стрижнем і фланцем // Доповіді за матеріалами Міжнародної науково-технічної конференції молодих учених, аспірантів і студентів "Сучасні проблеми електроенерготехніки та автоматики". - Київ: "Політехніка", 2009, том 2 - 453 с. - С.248-249.

Здобувачем проведено експериметальне дослідження розряду в проміжках повітряно-комбінованої ізоляції типу "струмоведучий стрижень з діелектричною втулкою - заземлений фланець".

12. Бржезицький В.О., Троценко Є.О., Цяпенко С.Б. Розряд вздовж поверхні діелектрика з малою питомою поверхневою ємністю // Доповіді за матеріалами Міжнародної науково-технічної конференції молодих учених, аспірантів і студентів "Сучасні проблеми електроенерготехніки та автоматики". - Київ: "Політехніка", 2009, том 2 - 453 с. - С.250-252.

Здобувачем проведено статистичну обробку експериментальних даних, визначено закон розподілення розрядних напруг та їх характеристики.

Анотації

Троценко Є.О. Високовольтні малогабаритні вводи з повітряно-комбінованою ізоляцією для мобільних лабораторій.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.13 - "Техніка сильних електричних та магнітних полів", Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут”, м. Київ, 2011.

В дисертації запропоновано новий тип високовольтного устаткування - високовольтні малогабаритні вводи з повітряно-комбінованою ізоляцією, використання яких забезпечує працездатність мобільних повірочних лабораторій без виносу електроустакування при підготовці повірки.

Запропоновані математичні вирази для обчислення основних параметрів високовольтних малогабаритних вводів та програми розрахунку на персональному комп'ютері електричного поля в їх міжелектродному проміжку.

Запропонована методика розрахунку траєкторії розвитку стримера в повітряно-комбінованій ізоляції високовольтного малогабаритного вводу (на основі розрахунку тривимірного електричного поля в ізоляції вводу методом кінцевих елементів). За результатами експериментальних досліджень визначено залежності витримуваної напруги, використання яких дозволяє прогнозувати електричну міцність при розробці високовольтних малогабаритних вводів.

Високовольтні малогабаритні вводи дозволяють розширити сферу використання існуючих високовольтних мобільних повірочних лабораторій - не тільки для повірки трансформаторів на частоті 50 Гц, але і для визначення показників якості електричної енергії в високовольтних трифазних системах.

Ключові слова: тривимірні електричні поля, високовольтні малогабаритні вводи, електрична міцність, траєкторія розвитку стримеру, мобільні повірочні лабораторії.

Троценко Е.А. Высоковольтные малогабаритные вводы с воздушно-комбинированной изоляцией для мобильных лабораторий.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.09.13 - Техника сильных электрических и магнитных полей. Национальный технический университет Украины "Киевский политехнический институт”, г. Киев, 2011.

В диссертации проведен анализ существующих мобильных поверочных лабораторий, предназначенных для поверки крупногабаритных высоковольтных измерительных трансформаторов напряжения (ЗНОМ-35; НОМ-35; НКФ-110 и других), на местах их эксплуатации, в том числе с реальной нагрузкой во вторичной цепи.

В работе показано, что при имеющихся значительных достижениях в создании мобильных поверочных лабораторий, одним из основных недостатков существующих на данное время мобильных поверочных лабораторий классов напряжения до 110 кВ включительно, остается их конструкция, которая обеспечивает их эксплуатацию в так называемом "развернутом" варианте, который требует выноса из автомобиля эталонного, нагрузочного и другого оборудования и "ручного" монтажа высоковольтной схемы рядом с объектом поверки, из-за чего значительно ограничиваются возможности и условия эксплуатации мобильных поверочных лабораторий.

Для обеспечения эксплуатации мобильных поверочных лабораторий без выноса оборудования, в диссертации обоснована актуальность создания и использования нового типа высоковольтного оборудования - высоковольтных малогабаритных вводов с воздушно-комбинированной изоляцией, которые обеспечивают введение высокого напряжения сквозь кузов автомобиля, на шасси которого смонтирована мобильная поверочная лаборатория, к ее высоковольтному отсеку.

Предложены математические выражения для вычисления основных параметров высоковольтных малогабаритных вводов и программы расчетов на персональном компьютере электрического поля в их межэлектродном промежутке.

Предложена методика расчета траектории развития стримера в воздушно-комбинированной изоляции высоковольтного малогабаритного ввода (на основе расчета трехмерного электрического поля в изоляции ввода методом конечных элементов).

Предложением данной работы есть то, что в связи с нерешенностью общего вопроса моделирования стримерного процесса в изоляционной конструкции, возможно заменить эту сложную задачу двумя упрощенными задачами:

1) расчетом траектории перекрытия стримером межэлектродного промежутка малогабаритного ввода мобильной поверочной лаборатории и 2) определением возможности развития разряда по определенной выше траектории стримера. В качестве первой может быть принята пространственная траектория, которую оставляет за собой закругленный цилиндр определенной длины и радиуса, который начинает свое "движение" из наиболее напряженной точки (находится на заземленном электроде) в направлении высоковольтного электрода.

В работе выполнены экспериментальные исследования комбинированных промежутков "токоведущий стержень с диэлектрической втулкой - заземленный фланец", которые проводилось в системе электродов с диэлектрическими втулками разных диаметров и длины при относительной влажности окружающего воздуха 53…68 % и 100 %. По результатам экспериментальных исследований определены зависимости выдерживаемого напряжения, использование которых позволяет прогнозировать электрическую прочность при разработке высоковольтных малогабаритных вводов.

Используя полученные зависимости выдерживаемого напряжения было установлено, что изоляция высоковольтного малогабаритного ввода обеспечивает электрическую прочность 122,7 кВ (амплитуда). Экспериментальные исследования позволили уточнить теоретическое значение электрической прочности: изоляция ввода фактически обеспечивает электрическую прочность не тольки при напряжении 122,7 кВ, а и при требуемом испытательном 128 кВ (на 4,3% больше расчетного), что демонстрирует хорошее согласование с данными экспериментальных исследований.

По результатам экспериментального исследования масштабного преобразования высших гармонических составляющих напряжения в высоковольтном эталонном трансформаторе напряжения класса 110 кВ в широком диапазоне его первичного напряжения, в работе было установлено, что оно приближается к высоковольтному эталонному делителю напряжения в области максимального значения магнитной проницаемости магнитопровода при 100…120% от номинального напряжения.

Использование высоковольтных малогабаритных вводов позволяет расширить сферу использования существующих высоковольтных мобильных поверочных лабораторий. Например мобильная поверочная лаборатория МПЛ-110 (Государственное предприятие "Донецкстандартметрология"), доукомплектованая дополнительно двумя эталонными высоковольтными малогабаритными трансформаторами напряжения, и, соответственно, дополнительно двумя высоковольтными малогабаритными вводами может быть положена в основу прототипа мобильной поверочной лаборатории, которая может использоваться не только для поверки однофазных и трехфазных трансформаторов напряжения на промышленной частоте, но и для определения показателей качества электрической энергии в высоковольтных трехфазных системах.

Эффективность разработанных теоретических положений подтверждается внедрением результатов диссертационной работы в Государственном предприятии "Донецкстандартметрология" (г. Донецк) в мобильной поверочной лаборатории классов напряжения 0,22…110 кВ ("МПЛ-110").

...