Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

на тему «Получение, применение и измерение высоких переменных напряжений»

Введение

Электрическое напряжение - это физическая величина, значение которой равно отношению работы эффективного электрического поля, совершаемой при переносе пробного электрического разряда из точки А в точку Б.

Высоких напряжений техника, раздел электротехники, охватывающий изучение и применение электрических явлений, протекающих в различных средах при высоких напряжениях. Высоким считается напряжение 250 в и выше относительно земли. Экономически целесообразно строить мощные электрические станции вблизи мест добычи топлива или на больших реках и получаемую электрическую энергию передавать в промышленные районы, иногда значительно удалённые от основных источников энергии. Передача больших электрических мощностей на далёкие расстояния при низком напряжении из-за потерь практически невозможна, поэтому с развитием электрификации растут и рабочие (номинальные) напряжения электрических сетей. В СССР особенно быстро номинальные напряжения росли в период осуществления ГОЭЛРО, при создании Единой высоковольтной сети (ЕВС) Европейской части страны [1].

В развитии высоких напряжений большую роль сыграли советские и русские ученые. Первая Российская высоковольтная лаборатория была основана при Петербургском политехническом институте в 1911 году профессором М.А. Шателеном. В нашей стране работают различные лаборатории при научно-исследовательских институтах, заводах и вузах, изучающих проблемы высоких напряжений.

Методы и устройства получения высоких напряжений

амплитудный вольтметр высокий трансформатор

Основным методом получения высокого напряжения переменного тока промышленной частоты является преобразование низкого напряжения в высокое с помощью повышающих трансформаторов. В высоковольтной технике используются различные трансформаторы, которые можно условно классифицировать по конструктивному исполнению:

трансформаторы в металлическом и изоляционном корпусе с масляной изоляцией. Изоляционной и одновременно охлаждающей средой является трансформаторное масло. В качестве продольной изоляции применяется бумага, стеклоткань, полимерная пленка. Вывод высокого потенциала осуществляется фарфоровыми или бумажно - бакелитовыми изоляторами (выводами);

сухие трансформаторы с твердой изоляцией. Это бескорпусные трансформаторы, залитые компаундом, выполняющим роль основной изоляции;

сухие трансформаторы с газовой изоляцией. Эти трансформаторы в настоящее время практически не используются.

По способу включения вторичной обмотки трансформаторы бывают однофазные с одним высоковольтным выводом или с двумя высоковольтными выводами и средней точкой, соединенной с корпусом. Обмотки трехфазных трансформаторов включаются треугольником и звездой.

По назначению трансформаторы подразделяются на:

силовые, используемые в энергосистемах. Эти трансформаторы должны обладать высокой надежностью, противостоять атмосферным перенапряжениям. Мощность достигает десятки - сотни мегавольтампер. Выполняются трехфазными, реже однофазными.

трансформаторы напряжения (измерительные). Имеют небольшую мощность, но очень надежны в работе. Могут быть использованы как источники высокого напряжения при испытании изоляции.

Рис.1. Принципиальное устройство испытательного трансформатора с металлическим и изоляционным корпусами: а - схема; б - с металлическим корпусом; в - с изоляционным корпусом. 1 - сердечник; 2 - первичная обмотка; 3 - обмотка высокого напряжения; 4,6 - корпус; 5 - вывод высокого напряжения

Основными требованиями предъявляемые к испытательным трансформаторам это:

минимальное искажение кривой тока

отсутствие частичных разрядов в изоляции при испытательном напряжении

изоляция должна быть рассчитана на крутые срезы напряжения при замыкании на стороне высокого напряжения.

Суммарный вклад высших гармоник в кривой тока и напряжения не должен превышать 5%. Это достигается использованием сердечников из холоднокатаной стали с ориентированными зернами, дополнительной обработкой поверхности листа.

Чтобы достичь снижения градиентных напряжений в изоляции при крутых срезах напряжения и предотвратить внутренние частичные разряды применяют экраны и емкостные кольца при конструктировании высоковольтной обмотки.

Современные изоляционные материалы в совокупности с технологиями позволяют исключить появление частичных разрядов с кажущимся зарядом 10?-11 К даже при очень высоких напряжениях. В испытательных трансформаторах применяется слоевая цилиндрическая обмотка (рис. 1). Выбор мощности трансформатора осуществляется в зависимости от вида нагрузки. Нагрузка испытательных трансформаторов носит емкостный характер (рис.2.)

Рис. 2. Принципиальная электрическая схема испытания изоляции: Т трансформатор; Rз - защитное сопротивление; Cоб - емкость объекта; R1 - R2 - делитель напряжения; N - осциллограф

Общая мощность тр-ра может быть оценена как

где - емкостный ток, а -испытательное напряжение. Емкость объекта зависит от типа электрооборудования и лежит в пределах единиц - сотен тысяч пикофарад [1]. При выборе трансформатора и регулятора необходимо соблюдать условия Sт > Sн,

Sр > Sн и номинальный ток трансформатора и регулятора должен быть больше испытательного тока Iс.

При необходимости разгрузки регулятора и трансформатора (при больших Iс) осуществляют компенсацию емкостного тока индуктивным. В случае разгрузки регулятора необходимая мощность может быть оценена как:

где кт - коэффициент трансформации испытательного трансформатора; L - индуктивность компенсирующего реактора, включаемого на выходе регулятора. В случае разгрузки трансформатора мощность оценивается как

где L1 - индуктивность реактора, включаемого параллельно нагрузке (Соб).

Существенное снижение массы и стоимости источника высокого напряжения можно достигнуть, используя резонансные схемы.

Достигнутый прогресс в технологии и конструировании трансформаторов позволяет изготавливать их на напряжение до 1,0?1,2 МВ. Дальнейшее повышение напряжения единичного трансформатора становится нецелесообразным и с технической, и с экономической точки зрения. Поэтому испытательное напряжение свыше 750 кВ целесообразней получать от нескольких трансформаторов, соединенных последовательно в каскад.

При создании каскадов одной из проблем является питание первичных обмоток второго и последующих трансформаторов в схеме. Это связано с тем, что потенциалы корпусов в зависимости от места расположения трансформатора в схеме каскада значительно превышают уровни изоляции вторичных и первичных обмоток относительно корпуса и друг друга.

Поэтому получить высокое напряжение с помощью каскадного включения трансформаторов удается только при использовании специальных схем питания первичных обмоток.

Существует всего 3 способа каскадного включения:

каскадное включение трансформаторов с питанием первичных обмоток от отдельных изолированных генераторов;

каскадное включение трансформаторов с питанием первичных обмоток от отдельных изолированных (разделительных) трансформаторов:

каскадное включение трансформаторов с автотрансформаторным питанием первичных обмоток.

Обычно при каскадном соединении первичные обмотки последующих трансформаторов питаются по автотрансформаторному способу (рис. 3). В таких схемах (рис. 3, б) каждый трансформатор, помимо первичной низковольтной обмотки (1) и вторичной высоковольтной обмотки (2), имеет дополнительную обмотку возбуждения (3), по параметрам одинаковую с первичной и используемую для питания первичной обмотки последующего трансформатора. Средняя точка обмотки (2) соединяется с сердечником (4) и корпусом. Мощности трансформаторов в такой схеме не одинаковы и равны

Sк = к?S0

где S0 - мощность трансформатора, ближайшего к нагрузке, а к - порядковый номер трансформатора в схеме, считая от нагрузки. Каждый трансформатор в такой схеме должен быть изолирован от земли на напряжение

Uк = Uн (n -к + 0,5)

где Uн - номинальное напряжение высоковольтной обмотки трансформатора, а n - число трансформаторов в каскадной схеме.

а) б)

Рис. 3. Каскад из трех трансформаторов а) - общий вид; б) - схема соединения обмоток

Существенным недостатком каскадных схем является большая величина индуктивности рассеяния каскада в целом. Она растет быстрее, чем произведение индуктивности рассеяния одного трансформатора на их число в каскаде. Также серьезным недостатком каскадов является то, что они занимают огромную площадь и имеют низкий коэффициент использования установленной мощности.

Основное преимущество каскадных схем заключается в том, что, используя трансформаторы на относительно небольшое напряжение, можно получить большое напряжение на выходе каскада. Это достигается за счет использования внешней, простой и дешевой, изоляции относительно земли каждого последующего трансформатора в каскаде.

Кроме этого, каскадные схемы обеспечивают многообразие и эксплуатационную гибкость проведения испытаний объектов на различные классы напряжения, различной мощности.

Созданные в настоящее время каскады позволяют получать переменное напряжение до 2,5 МВ при мощности до 5 МВА.

Измерения высоких напряжений

Для проведения в лабораториях испытаний изоляции и экспериментальных исследований в области изоляции и разрядных процессов в изоляционных средах необходимы не только источники высоких напряжений и больших токов, но и разнообразные измерительные устройства. Для высоковольтных измерений используются шаровые разрядники, делители напряжений, амплитудные вольтметры, токовые шунты, а также широко - и узкополосные трансформаторы тока и т.п.

Между электродами измерительной системы. Под воздействием приложенного напряжения к электродам, образующих высоковольтный конденсатор, между ними возникает сила F, стремящаяся сблизить их. Перемещение подвижной пластины 3 уравновешивается механической силой системы ее крепления. Эта сила пропорциональна квадрату напряжения

F=К

где К - коэффициент пропорциональности, зависящий от параметров электродной системы. Металлическое зеркало, соединенное с подвижной системой пластины 3, позволяет регистрировать величину отклонения светового луча от лампы 6 на шкале 4, отградуированной в киловольтах. К этому классу киловольтметров относятся, например, С-96, С-100, С-101. [2].

Рассмотренные приборы имеют относительно малую погрешность измерения, небольшую входную емкость и позволяют измерять действующее значение напряжения и постоянное напряжение в пределах до 300 кВ.

Измерение основано на использовании зависимости пробивного напряжения воздушного промежутка между шаровыми электродами от расстояния между ними. Для измерения следует использовать промежутки с однородным или слабонеоднородным полем, в которых напряжение пробоя имеет линейную зависимость от расстояния.

Шаровые разрядники позволяют измерять высокое напряжение в широком диапазоне величин - от единиц киловольт до нескольких мегавольт.

Шаровые разрядники устанавливаются вертикально или горизонтально. При вертикальном расположении нижний шар всегда заземляется. Чтобы погрешность измерения не превышала ± 3 % необходимо соблюдать условия:

S ? 0,5D

где D - диаметр шаров, а S - расстояние между ними.

Кроме этого, расстояние до окружающих предметов не должно быть меньше установленного норматива. Поэтому шаровые разрядники при больших диаметрах требуют значительного пространства. В связи с этим приходится отказываться от их применения в установках с напряжением выше 1000 кВ.

При измерении постоянных и переменных напряжений, с целью снижения эрозии поверхности шаров и для демпфирования колебаний в цепи разряда, последовательно с шарами включается сопротивление от 10 кОм до 1 Мом.

Методика измерения постоянных и переменных напряжений состоит в следующем. После подключения шаровых разрядников к источнику измеряемого напряжения изменяют расстояние между ними до возникновения пробоя промежутка.

Для измерения переменного и импульсного напряжения применяют емкостно-выпрямительные схемы.

При измерении переменного напряжения ток протекает в течение полупериода через вентиль и гальванометр, а в течение другого полупериода через вентиль. Средний ток через гальванометр за период будет равен

Iср = Q/T

где Q= 2СUm - интеграл тока за период Т.

Следовательно, величина амплитудного значения напряжения

Um = кIср

где к - коэффициент пропорциональности, зависящий от частоты и величины емкости конденсатора.

Погрешность измерения будет зависеть от точности измерения ве- личины емкости и частоты напряжения, а также от конечного значения сопротивления вентиля в открытом и закрытом состоянии. Кроме этого, погрешность зависит от наличия высших гармоник в кривой тока и напряжения.

Другой разновидностью устройства для измерения амплитудного значения переменного напряжения является схема амплитудного вольтметра (пик - вольтметра). Рассмотренные приборы имеют относительно малую погрешность измерения, небольшую входную емкость и позволяют измерять действующее значение напряжения и постоянное напряжение в пределах до 300 кВ.

Шаровой измерительный разрядник весьма широко используется для измерения высоких напряжений благодаря простоте устройства и приемлемой для практики точности, которую можно получить при правильной методике измерения с соблюдением определенных требований.

Параллельно плечу низкого напряжения емкостного делителя С1 - С2 подключается через вентиль V конденсатор Си. Напряжение на измерительном конденсаторе может быть измерено вольтметром электростатической системы или электронным вольтметром с большим входным сопротивлением.

При измерении амплитудными вольтметрами возникает погрешность, связанная с неидеальностью элементов измерительной схемы: конечное значение сопротивления вентиля в открытом и закрытом состоянии и конечное значение сопротивления Rу.

Кроме этого, возникает погрешность, связанная с влиянием схемы измерения на коэффициент деления делителя. Снижение этой погрешности можно добиться, соблюдая условие Си С2.

Применение высоких переменных напряжений

Высокое напряжение используется в электрофизических установках для решения задач мощной импульсной энергетики: ускорителях пучков заряженных частиц, мощных лазерах, установках управляемого термоядерного синтеза. Высокое напряжение применяется в технологических процессах, таких как электросепарация, электрофильтрация, электроокраска, магнитоимпульсная обработка, электрогидравлическая штамповка, плазмохимия, получение озона. Особая роль принадлежит такой быстроразвивающейся области нанотехнологии как синтез наноструктурных материалов с новыми свойствами. Синтез таких материалов проводится в специальных установках при воздействии концентрированных потоков энергии в виде потоков плазмы и пучков заряженных частиц, основным узлом которых является высоковольтный импульсный генератор.

Заключение

Высокие напряжения играют главную роль в современной энергетике. Ведь именно по ЛЭП высоких напряжений передается электроэнергия от станции к потребителю. Основное преимущество высокого напряжения при электропередаче состоит в увеличении передаваемой мощности, которая возрастает пропорционально квадрату номинального напряжения. В связи с этим, большое значение приобретают вопросы создания нового и совершенствования существующего комплекса высоковольтного оборудования, предназначенного для генерирования, передачи и распределения электрической энергии: генераторов, трансформаторов, конденсаторов, изоляции линий электропередачи и подстанций.

Список литературы

1. «Техника высоких напряжений» В.Ф. Важов, Ю.И.Кузнецов, Г.Е. Куртенков, В.Е. Лавринович, В.В.Лопатин, А.В.Мытников; Томский политехнических университет. - Томск: Издательство Томского политехнического университета,2010. - 208 с.

2. Техника высоких напряжений, под ред. Л. И. Сиротинского, ч. 1--3, М. -- Л., 1951--59

3. Иерусалимов М. Е., Орлов Н. Н., Техника высоких напряжений. К., 1967

Размещено на Allbest.ur