МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ
По выполнению домашней контрольной работы по дисциплине
ТЕХНИКА ВЫСОКИХ НАПРЯЖЕНИЙ
Направление подготовки
Электроэнергетика и электротехника»
Направленность образовательной программы (профиль)
«Менеджмент в электроэнергетике и электротехнике»
является единой для всех форм обучения
Челябинск, 2016
Техника высоких напряжений: Методические рекомендации по выполнению домашней контрольной работы / Савиновских А.Г. – Челябинск: ОУ ВО Южно-Уральский институт управления и экономики, 2016. – 51 с.
Техника высоких напряжений: Методические рекомендации по выполнению домашней контрольной работы: Предназначены для 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника». Является единой для всех форм обучения.
Автор: кА.Г. Савиновских, к.т.н., доцент.
Рецензенты:
© Издательство ОУ ВО «Южно-Уральский
институт управления и экономики», 2016
СОДЕРЖАНИЕ
| Введение……………………………………………………………………. | |
| Методические рекомендации по выполнению контрольных заданий…. | |
| Задания для домашней контрольной работы……………………………. | |
| Рекомендуемый список литературы…………………………………… |
Введение
Рабочая программа дисциплины «Техника высоких напряжений» предназначена для реализации Федерального государственного образовательного стандарта высшего образования (далее ФГОС ВО) по направлению 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника» и является единой для всех форм и сроков обучения.
2 Перечень планируемых результатов обучения по дисциплине, соотнесенных с планируемыми результатами освоения образовательной программы
Таблица 1 − Перечень планируемых результатов обучения по дисциплине
| Код компетенции | Наименование компетенции | Вид деятельности и профессиональные задачи | Планируемые результаты | Уровень освоения компетенции | |
| ПК-3 | способностью принимать участие в проектировании объектов профессиональной деятельности в соответствии с техническим заданием и нормативно-технической документацией, соблюдая различные технические, энергоэффективные и экологические требования | Проектно-конструкторская деятельность: - сбор и анализ данных для проектирования; - проведение обоснования проектных расчетов; | Знать: - требования, предъявляемые к условиям эксплуатации изоляции линий электропередачи и аппаратов, обеспечивающих их безаварийную работу; - физические процессы электрического пробоя в различных средах; - современные методы профилактического контроля состояния изоляции; уметь: - использовать методы анализа, моделирования и расчетов режимов сложных систем, изделий, устройств и установок электроэнергетического и электротехнического назначения с использованием современных компьютерных технологий и специализированных программ; владеть: - навыками работы со справочной литературой и нормативно–техническими материалами; | Пороговый | |
| Знать: - требования, предъявляемые к условиям эксплуатации изоляции линий электропередачи и аппаратов, обеспечивающих их безаварийную работу; - физические процессы электрического пробоя в различных средах; - современные методы профилактического контроля состояния изоляции; уметь: - использовать методы анализа, моделирования и расчетов режимов сложных систем, изделий, устройств и установок электроэнергетического и электротехнического назначения с использованием современных компьютерных технологий и специализированных программ; владеть: - - навыками работы со справочной литературой и нормативно–техническими материалами; | Базовый | ||||
| Знать: - требования, предъявляемые к условиям эксплуатации изоляции линий электропередачи и аппаратов, обеспечивающих их безаварийную работу; - физические процессы электрического пробоя в различных средах; - современные методы профилактического контроля состояния изоляции; уметь: - использовать методы анализа, моделирования и расчетов режимов сложных систем, изделий, устройств и установок электроэнергетического и электротехнического назначения с использованием современных компьютерных технологий и специализированных программ; владеть: - навыками работы со справочной литературой и нормативно–техническими материалами; | Продвинутый | ||||
| ПК-8 | способностью использовать правила техники безопасности, производственной санитарии, пожарной безопасности и нормы охраны труда | Производственно-технологическая деятельность: - расчет схем и параметров элементов оборудования; - расчет режимов работы объектов профессиональной деятельности; | знать: - принципы выполнения и испытания изоляции высокого напряжения; - электрофизические процессы, происходящие в изоляции и определяющие её длительную и кратковременную электрическую прочность; - требования, предъявляемые к условиям эксплуатации изоляции линий электропередачи и аппаратов, обеспечивающих их безаварийную работу; - современные методы профилактического контроля состояния изоляции; - физическую природу возникновения перенапряжений и способах защиты от них. Уметь: - применять, эксплуатировать изоляцию электрооборудования электрических станций, электрических систем и сетей; Владеть: - навыками работы со справочной литературой и нормативно–техническими материалами; - методами эксплуатации и испытаний изоляции высокого напряжения.; | Пороговый | |
| знать: - принципы выполнения и испытания изоляции высокого напряжения; - электрофизические процессы, происходящие в изоляции и определяющие её длительную и кратковременную электрическую прочность; - требования, предъявляемые к условиям эксплуатации изоляции линий электропередачи и аппаратов, обеспечивающих их безаварийную работу; - современные методы профилактического контроля состояния изоляции; - физическую природу возникновения перенапряжений и способах защиты от них. Уметь: - применять, эксплуатировать изоляцию электрооборудования электрических станций, электрических систем и сетей; Владеть: - навыками работы со справочной литературой и нормативно–техническими материалами; - методами эксплуатации и испытаний изоляции высокого напряжения.; | Базовый | ||||
| знать: - принципы выполнения и испытания изоляции высокого напряжения; - электрофизические процессы, происходящие в изоляции и определяющие её длительную и кратковременную электрическую прочность; - требования, предъявляемые к условиям эксплуатации изоляции линий электропередачи и аппаратов, обеспечивающих их безаварийную работу; - современные методы профилактического контроля состояния изоляции; - физическую природу возникновения перенапряжений и способах защиты от них. Уметь: - применять, эксплуатировать изоляцию электрооборудования электрических станций, электрических систем и сетей; Владеть: - навыками работы со справочной литературой и нормативно–техническими материалами; - методами эксплуатации и испытаний изоляции высокого напряжения.; | Продвинутый | ||||
| ПК-11 | способностью к участию в монтаже элементов оборудования объектов профессиональной деятельности | Монтажно-наладочная деятельность: монтаж, наладка и испытания объектов профессиональной деятельности; | знать: - принципы выполнения и испытания изоляции высокого напряжения; - электрофизические процессы, происходящие в изоляции и определяющие её длительную и кратковременную электрическую прочность; - требования, предъявляемые к условиям эксплуатации изоляции линий электропередачи и аппаратов, обеспечивающих их безаварийную работу; - современные методы профилактического контроля состояния изоляции; - основные фундаментальные процессы возникновения и исчезновения заряженных частиц в диэлектрических средах и механизмы пробоя различных диэлектриков; Уметь: - применять, эксплуатировать изоляцию электрооборудования электрических станций, электрических систем и сетей; Владеть: - навыками работы со справочной литературой и нормативно–техническими материалами; - методами эксплуатации и испытаний изоляции высокого напряжения. | Пороговый | |
| Базовый Продвинутый | |||||
| знать: - принципы выполнения и испытания изоляции высокого напряжения; - электрофизические процессы, происходящие в изоляции и определяющие её длительную и кратковременную электрическую прочность; - требования, предъявляемые к условиям эксплуатации изоляции линий электропередачи и аппаратов, обеспечивающих их безаварийную работу; - современные методы профилактического контроля состояния изоляции; - основные фундаментальные процессы возникновения и исчезновения заряженных частиц в диэлектрических средах и механизмы пробоя различных диэлектриков; Уметь: - применять, эксплуатировать изоляцию электрооборудования электрических станций, электрических систем и сетей; Владеть: - навыками работы со справочной литературой и нормативно–техническими материалами; - методами эксплуатации и испытаний изоляции высокого напряжения. | |||||
| знать: - принципы выполнения и испытания изоляции высокого напряжения; - электрофизические процессы, происходящие в изоляции и определяющие её длительную и кратковременную электрическую прочность; - требования, предъявляемые к условиям эксплуатации изоляции линий электропередачи и аппаратов, обеспечивающих их безаварийную работу; - современные методы профилактического контроля состояния изоляции; - основные фундаментальные процессы возникновения и исчезновения заряженных частиц в диэлектрических средах и механизмы пробоя различных диэлектриков; Уметь: - применять, эксплуатировать изоляцию электрооборудования электрических станций, электрических систем и сетей; Владеть: - навыками работы со справочной литературой и нормативно–техническими материалами; методами эксплуатации и испытаний изоляции высокого напряжения. | |||||
| ПК-13 | способностью участвовать в пуско-наладочных работах | Монтажно-наладочная деятельность: монтаж, наладка и испытания объектов профессиональной деятельности; | знать: - принципы выполнения и испытания изоляции высокого напряжения; - электрофизические процессы, происходящие в изоляции и определяющие её длительную и кратковременную электрическую прочность; - требования, предъявляемые к условиям эксплуатации изоляции линий электропередачи и аппаратов, обеспечивающих их безаварийную работу; - современные методы профилактического контроля состояния изоляции; - основные фундаментальные процессы возникновения и исчезновения заряженных частиц в диэлектрических средах и механизмы пробоя различных диэлектриков; Уметь: - применять, эксплуатировать изоляцию электрооборудования электрических станций, электрических систем и сетей; Владеть: - навыками работы со справочной литературой и нормативно–техническими материалами; методами эксплуатации и испытаний изоляции высокого напряжения. | Пороговый | |
| знать: - принципы выполнения и испытания изоляции высокого напряжения; - электрофизические процессы, происходящие в изоляции и определяющие её длительную и кратковременную электрическую прочность; - требования, предъявляемые к условиям эксплуатации изоляции линий электропередачи и аппаратов, обеспечивающих их безаварийную работу; - современные методы профилактического контроля состояния изоляции; - основные фундаментальные процессы возникновения и исчезновения заряженных частиц в диэлектрических средах и механизмы пробоя различных диэлектриков; Уметь: - применять, эксплуатировать изоляцию электрооборудования электрических станций, электрических систем и сетей; Владеть: - навыками работы со справочной литературой и нормативно–техническими материалами; методами эксплуатации и испытаний изоляции высокого напряжения. | Базовый | ||||
| знать: - принципы выполнения и испытания изоляции высокого напряжения; - электрофизические процессы, происходящие в изоляции и определяющие её длительную и кратковременную электрическую прочность; - требования, предъявляемые к условиям эксплуатации изоляции линий электропередачи и аппаратов, обеспечивающих их безаварийную работу; - современные методы профилактического контроля состояния изоляции; - основные фундаментальные процессы возникновения и исчезновения заряженных частиц в диэлектрических средах и механизмы пробоя различных диэлектриков; Уметь: - применять, эксплуатировать изоляцию электрооборудования электрических станций, электрических систем и сетей; Владеть: - навыками работы со справочной литературой и нормативно–техническими материалами; методами эксплуатации и испытаний изоляции высокого напряжения. | Продвинутый |
МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ КОНТРОЛЬНЫХ ЗАДАНИЙ
Таблица 1 – Номера задач для решения контрольной работы
| Последняя цифра зачетной книжки обучающегося | ||||||||||
| Номера решаемых задач | 1,7 | 2,5 | 3,6 | 4,7 | 2,6 | 1,5 | 5,7 | 4,2 | 3,1 | 4,3 |
Задача 1
На генератор, подключенный к воздушной линии, набегает волна перенапряжения с длиной la = 5 км и с амплитудой u=200 кВ. Волновое сопротивление линии Z1=400 Ом, а волновое сопротивление генератора Z2=1000 Ом. Уровень главной изоляции генератора равен 50 кВ. Определить величину емкости С, которую нужно включить на зажимах генератора для того чтобы при воздействии волны на генератор не была бы нарушена его главная изоляция.
Таблица 2 – Исходные данные к задаче 1
| Предпоследняя цифра зачетной книжки обучающегося | ||||||||||
| l | ||||||||||
| u | ||||||||||
| Z1 | ||||||||||
| Z2 |
Методические рекомендации:
Задача 2
Рассчитать число электронов в лавине, развивающейся в воздухе при различных атмосферных условиях под действием однородного электрического поля с напряжённостью Е, после прохождения лавиной пути х.
Таблица 3 – Исходные данные к задаче 2
| Предпоследняя цифра зачетной книжки обучающегося | ||||||||||
| t | ||||||||||
| p | ||||||||||
| E | ||||||||||
| x |
Методические рекомендации:
Дано: 
, 
, 
кВ/см, 
см.
Найти: n=?
· Допустим, что в лавине, прошедшей расстояние х, содержится n электронов. На пути 
каждый из них произведёт 
ионизаций, поэтому увеличение числа электронов в лавине на пути .
если электрическое поле однородное и напряжённость его всюду одинакова, то коэффициент свойства 
не зависит от координаты х, поэтому получаем 
Где: 
эффективный коэффициент ионизации;
х – путь, пройденный лавиной.
Коэффициент представляет собой разность между коэффициентом ударной ионизации и коэффициентом прилипания электронов 
, равным числу актов захвата на пути в 1см, т.е. 
· Величина для воздуха рассчитывается по эмпирической формуле 
,
- относительная плотность воздуха
Е – напряжённость электрического поля, кВ/см.
· Относительная плотность воздуха рассчитывается:
, 
Где 
и 
давление и температура при нормальных атмосферных условиях: 
; 
и 
давление и температура воздуха в расчётных условиях.
Решение:
· Рассчитываем величину 
· Рассчитываем коэффициент при напряжённости поля кВ/см
· Находим число электронов в лавине при см
Задача 3
Определить пробивное напряжение воздушного промежутка между электродами различной конфигурации при подаче на промежуток постоянного, переменного (промышленной частоты) и импульсного (стандартного) напряжений обеих полярностей.
Расстояние между электродами S. Вид прикладываемого прикладываемого напряжения – переменное 
, форма электродов cтержень-стержень и атмосферные условия t.
Примечание. Разрядные напряжение, определённое по формулам, таблицам и графикам, следует привести к реальным атмосферным условиям P.
Таблица 4 – Исходные данные к задаче 3
| Предпоследняя цифра зачетной книжки обучающегося | ||||||||||
| S | ||||||||||
| p | ||||||||||
| t |
Методические рекомендации:
Дано:
, вид прикладываемого напряжения – переменное ,
Стержень-стержень, 
ГПа, 
.
Найти:
Промежутки стержень-стержень, являются классическим примером симметричного резконеоднородного поля. Электрическая прочность промежутка между двумя проводами очень близка к прочности промежутка стержень-стержень.
Зависимость разрядного напряжения для промежутков с резконеоднородным полем от давления имеет своеобразный характер: с ростом давления разрядные напряжения увеличиваются, в случае положительного стержня происходит снижение разрядного напряжения. Это явление можно объяснить следующим образом. При увеличении давления газа уменьшается коэффициент диффузии электронов и ионов, и положительный объёмный заряд, созданный лавиной, располагается в меньшем объёме. Поэтому напряжённость 
, обусловленная этим зарядом, возрастает и условие образования стримера 
. Соответственно снижается и разрядное напряжение.
Очевидно, что в газе под давлением следует всячески избегать использование промежутков с резконеоднородным полем.
· Из рис.1 определяем 
амплитуда разрядного напряжения воздушного промежутка стержень-стержень, равного 50 см при переменном напряжении промышленной частоты и нормальных атмосферных условиях.
· Определяем разрядные напряжения для реальных условий.
- относительная плотность воздуха.
где 
- реальные давление и температура
где 
- давление и температура при нормальных атмосферных условиях 
, 
- разрядное напряжение, приведённое к реальным атмосферным условиям.
Задача 4
Дать общую характеристику короны как одного из видов самостоятельного разряда. Объяснить природу потерь энергии на корону при переменном напряжении, существования радиопомех и акустических шумов.
Рассчитать удельные потери энергии на корону и напряжение появление короны для линии электропередачи переменного напряжения, характеризуемой следующими параметрами: номинальное напряжение линии 
; расщеплённые фазы расположены горизонтально и расстояние между фазами равно а.
Таблица 5 – Исходные данные к задаче 4
| Предпоследняя цифра зачетной книжки обучающегося | ||||||||||
| U | ||||||||||
| n | ||||||||||
| r | 1,655 | 1,655 | 1,655 | 1,655 | 1,655 | 1,655 | 1,655 | 1,655 | 1,655 | 1,655 |
| D | ||||||||||
| a | 16,5 | 16,5 | 16,5 | 16,5 | 16,5 | |||||
| h | ||||||||||
| hxп | ||||||||||
| hcc | ||||||||||
| hизм | ||||||||||
| hд | ||||||||||
|
|
Методические рекомендации:
Каждая фаза имеет n проводов радиусом 
и шагом расщепления 
. Средняя высота подвеса проводов 
. Трасса ЛЭП проходит в регионе, метеорологические условия которого характеризуются продолжительностью (в часах) хорошей погоды 
, сухого снега 
, изморози 
, дождя и мокрого снега 
, относительной плотностью воздуха .
Расчёт производить согласно 
; 
Дано: 
, 
, 
, 
, 
, 
,
, 
, 
, 
, 
Теория:
Коронный разряд, или корона, - это самостоятельный разряд, возникающий в резконеоднородных полях, в которых ионизационные процессы могут происходить только в узкой области вблизи электродов. К такого рода полям относится и электрическое поле проводов воздушных линий электропередачи.
Начальная напряжённость коронного разряда
которая справедлива при отрицательной полярности провода, однако может использоваться и при положительной полярности, поскольку полярности невелико.
При малых радиусов проводов 
можно использовать Ф. Пика
- коэффициент гладкости провода.
На линиях электропередачи применяются провода, витые из большого числа проволок. Витые провода не имеют гладкой поверхности, поэтому при одинаковых с гладкими проводами напряжениях и внешних диаметрах напряжённость электрического поля вблизи их поверхности бывает выше и корона возникает при меньшем напряжении. При определении начальной напряжённости коэффициент гладкости учитывает форму поверхности витого провода. Для проводов различных марок коэффициент гладкости 
.
При коронном разряде в результате ионизации воздуха у поверхности провода образуется объёмный заряд того же знака, что и полярность напряжения на проводе.
Напряжённость поля у поверхности провода во время коронирования остаётся равной 
. Увеличение напряжения на проводе приводит к усилению ионизационных процессов, росту объёмного заряда и снижению напряжённости до . Вследствие увеличения объёмного заряда потери энергии на корону растут тем в большей степени, чем больше напряжение на проводе превосходит начальное напряжение
- высота одиночного провода над землёй.
Так как объёмный заряд при любой полярности провода перемещается от провода к земле, напряжённость поля у поверхности провода стремится увеличиться. Однако из-за усиления при этом ионизации воздуха объёмный заряд вблизи провода пополняется и напряжённость поля в итоге сохраняется равной . Таким образом, вследствие непрерывного удаления объёмного заряда от провода коронный разряд может поддерживаться неограниченно долго.
При больших диаметрах проводов напряженность электрического поля в окрестности провода уменьшается значительно медленнее, чем вблизи проводов малого диаметра. Поэтому зона ионизации- ‘чехол’ короны – имеет большие размеры, и даже при начальном напряжении лавины могут достигать критической длины. Корона в этом случае возникает сразу в стримерной форме; структура зоны ионизации дискретна, светятся многочисленные стримерные каналы.
На проводах малых диаметров (до 1 см) корона возникает в лавинной форме. Зона ионизации достаточно однородна, свечение сосредоточено в узком чехле. Однако при увеличении напряжения сверх начального размеры зоны ионизации возрастут и корона из лавинной переходит в стримерную.
Ток стримерной короны состоит из отдельных импульсов с очень крутым фронтом (длительность фронта – порядка десятков наносекунд). Это высокочастотная составляющая тока корона является источником интенсивного электромагнитного излучения с широким спектром частот, которое создаёт помехи радио- телевизионному приёму. При коронировании проводов линий сверхвысокого напряжений может также возникать звуковой эффект, особенно сильный при дожде.
Объёмный заряд короны, образовавшийся в один из полупериодов переменного напряжения, за время до изменения полярности провода может переместится на несколько десятков сантиметров. Вследствие этого объёмные заряды обоих знаков совершают возвратно-поступательное движение вблизи провода, медленно удаляясь от него в область слабого поля, и там рекомбинируют. Только несущественная часть объёмного заряда может дойти до проводов соседних фаз. Вследствие этого процессы коронирования каждой из фаз трёхфазной линии не влияют друг на друга (эффект биполярности отсутствует), и каждая фаза может рассматриваться изолированно от других.
Для того чтобы исключить потери энергии на корону, а также и радиопомехи, начальное напряжение короны должно быть не ниже наибольшего рабочего напряжения линии относительно земли. Обеспечить это соотношение надлежащим выбором диаметра проводов можно только для условий сухой погоды. При атмосферных осадках исключить коронирование проводов невозможно.
Условие исключения короны: 
принимая 
, 
и 
(характерное значение для линий 
), получаем 
Для линий электропередач 110кВ наименьшие диаметры проводов, при которых исключается корона в хорошую погоду, оставляют 
.
При номинальных напряжениях 330 кВ и выше необходимы провода ещё большего диаметра, во многих случаях превышающий диаметр, выбранный из условия передачи по линий заданной мощности. В таких случаях целесообразно иметь провода, площадь поперечного сечения которых по проводящему материалу и диаметру независимы. Это так называемые расширенные провода. Они имеют диаметр, при котором обеспечивается необходимое снижение напряжённости поля на их поверхности, а для сокращения площади поперечного сечения делаются полыми или со стеклопластиковой сердцевиной.
Другое решение, получившее в настоящее время широкое распространение, было предложено ещё в 1910 г. Акад. В.Ф. Миткевичем и состоит в применении расщепленных проводов фаз. В этом случае каждая фаза линии состоит вместо одного провода большого диаметра из нескольких параллельных проводов относительно малого диаметра. В такой конструкции фазы удаётся при требуемом суммарном сечении проводов существенно уменьшить максимальную напряжённость поля на их поверхности.
При переменном напряжении корона зажигается в момент, когда напряжённость поля у провода достигнет значения , и горит, пока напряжение не достигнет максимума. После этого напряжённость поля у провода становится ниже , и корона потухает.
· Годовые потери на корону, 
· Среднегодовая мощность потерь, 
где n – число проводов во всех трёх фазах с учётом расщепления;
r – радиус провода в расщеплённой фазе;
Р – потери мощности при различных погодных условиях, км;
h – продолжительность отдельных видов погоды, час.
· Одним из способов оценки потерь энергии на корону является расчёт с использованием обобщённых характеристик потерь для разных погодных условий [1].
Они представлены в координатах:
,
где – начальная напряжённость поля, 
;
– максимальная напряжённость на поверхности провода,
учитывающая влияние заряда соседних проводов расщеплённой
фазы, .
· Для расщеплённых проводов при радиусах проводов 
начальная напряжённость поля определяется по формуле:
- коэффициент гладкости провода
а максимальная – по соотношению
,
где 
– коэффициент, учитывающий усиление напряжённости поля
вследствие влияния зарядов на соседних проводах расщеплённой
фазы,
.
В этих формулах:
– средняя рабочая напряжённость электрического поля на поверхности
проводов расщеплённой фазы, ,
;
UФ – фазное напряжение провода, кВ;
rо – радиус провода расщеплённой фазы, см;
rр – радиус расщепления, см,
;
S – среднегеометрическое расстояние между фазами, м.
Для горизонтального расположения фаз с расстоянием между фазами а, величина