Федеральное агентство железнодорожного транспорта

Федеральное агентство железнодорожного транспорта

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

«ПЕТЕРБУРГСКИЙ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ»

Кафедра «Электромеханические комплексы и системы»

ТЕХНИКА ВЫСОКИХ НАПРЯЖЕНИЙ

Методические указания

К лабораторным работам по курсу

«Техника высоких напряжений и электротехнические материалы»

Санкт-Петербург

ПГУПС

2012

Федеральное агентство железнодорожного транспорта

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«ПЕТЕРБУРГСКИЙ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ»

Кафедра «Электромеханические комплексы и системы»

ТЕХНИКА ВЫСОКИХ НАПРЯЖЕНИЙ

Методические указания

к лабораторным работам по курсу

«Техника высоких напряжений и электротехнические материалы»

 

 

Санкт-Петербург

ПГУПС

2012

 

Егоров В. В., Петров А. Ф.

Техника высоких напряжений: метод. указания / В. В. Егоров, А. Ф. Петров. – СПб.: Петербургский гос. ун-т путей сообщения, 2012. – 35 с.

 

 

Методические указания включают в себя краткие теоретические сведения из курса «Техника высоких напряжений и электротехнические материалы», программу и порядок выполнения работы, содержание отчета по лабораторным работам.

Предназначены для студентов электромеханического, механического, вечернего и заочного факультетов.

К выполнению лабораторных работ допускаются студенты, сдавшие зачет по правилам техники безопасности при работе с высоковольтными установками.

 

 

© Егоров В. В., Петров А. Ф., 2012

© Петербургский государственный

университет путей сообщения, 2012

Лабораторная работа 8

 

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ ВЫСОКИХ НАПРЯЖЕНИЙ

Цель работы – ознакомление с некоторыми методами из­мерений постоянных, переменных и импульсных высокихна­пряжений.

Общие сведения. Постоянное высокое напряжение можно измерить стрелочным прибором – микроамперметром, при этом последовательно с ним должна быть включена цепочка высокоомных резисторов R (рис. 1а). Величина сопротив­ления подсчитывается по формуле

 

R = ,

 

где U – максимальное напряжение, для которого разрабаты­вается регистрирующий прибор;

I _пр– максимальный ток микроамперметра;

R _пр – внутреннее сопротивление микроамперметра.

Несколько большую точность обеспечивает схема, изобра­женная на рис. 1б. В качестве регистрирующего прибора ис­пользуется электростатический вольтметр. Величина измерен­ного напряжения

 

,

 

где К _д = R _общ/ R ₂;

U _в – напряжение, измеренное вольтметром.

 

а) б) в)

 

 

Рис. 1. Схемы измерения высокого напряжения с помощью микроампер­метров (а, в)

и низковольтного электростатического вольтметра (б)

 

Применение добавочных резисторов R или делителей напря­жения в сочетании с микроамперметрами или электростати­ческими вольтметрами позволяет достаточно точно изме­рять постоянное напряжение, однако при измерении пере­менного напряжения возникает угловая погрешность. Для уменьшения погрешности резисторы помещают внутрь экра­на и подключают его параллельно высоковольтным конденсаторам С. Схема замещения приведена на рис. 1в.

Для измерения высокого напряжения используют высоко­вольтные электростатические вольтметры. Принцип их работы основан на действии сил электрического поля. Эти силы можно измерить с помощью указателя на подвижном элек­троде:

 

.

 

Конструкция электростатического вольтметра показана на рис. 2. Так как емкость между двумя электродами вольт­метра составляет 5...50 пФ, а сопротивление утечки – более 10¹³ Ом, электростатические вольтметры не подвержены влия­нию на источник питания.

 

 

Рис. 2. Конструкция электростатического вольтметра:

1, 2 – электроды; 3 – флажок; 4 – ось; 5 – держатель; 6 – зеркало; 7 – успокоитель

 

Для измерения пульсирующего, переменного и импульсно­го напряжений применяются приборы с различными схемами включения конденсаторов и диодов. Схема простейшего пик-вольтметра показана на рис. 3.

 

 

Рис. 3. Схема простейшего пиквольтметра: U – приложенное напряжение

Наиболее распространен метод измерения высокого напряжения с помощью шарового раз­рядника (ШР), основанный на следующем принципе. При заданных размерах элек­тродов и одинаковых внешних условиях пробой воздушного промежутка происходит при определенной напряженности электрического поля Е _проб = Е _max:

 

,

 

где U – напряжение, приложенноек электродам;

а – расстояние между шарами;

f – коэффициент неравномерности электрического поля.

Следовательно, величина пробивного напряжения U _проб = E _пр а является функцией расстояния между шарами.

Определение величины U _проб производится по стандарт­ным таблицам (табл. 1), при использовании которых необходимо учи­тывать:

1) данные таблиц различаются в соответствии со схемой подключения ШР – симметричной или несимметричной;

2) таблицы составлены для нормальных атмосферных ус­ловий (давление Р = 760 мм рт. ст., температура воздуха Т = 293 °К). Для определения действительного пробивного напряжениянеобходимо ввести поправочный коэффициент δ:

 

; ;

 

3) при определении импульсных высоких напряжений таб­лицы справедливы только для случаев воздействия импульс­ного напряжения в виде полной стандартной волны с учетом ее полярности. При иных формах импульсных волн разброс величин пробивных напряжений существенно увеличивается.Напряжение, при котором вероятность пробоя промежутка ШР составляет 50 %, носит название пятидесятипроцентного пробивного напряжения. Практически допускается определе­ние U _проб. 50 % из опыта, в котором из 10 импульсов, подан­ных на ШР, будет отмечено 4...6 пробоев его промежутка.

Применение ШР как измерительного устройства с гаран­тируемой точностью производимых измерений порядка 3...5 % допустимо только при следующих соотношениях длины его промежутка ак диаметру шаров:

 

; .

 

Таблица 1

Зависимость разрядной характеристики от диаметра шаров

Расстояние между шарами, см	Диаметр шаров, см
6,25	12,5
0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0	14,2 17,2 20,2 23,2 26,2 29,1 31,9	16,8 19,9 23,0 26,0 28,9 31,7
1,2 1,4 1,5 1,6 1,8 2,0	37,5 42,9 45,5 48,1 53,5 58,5	37,4 42,9 45,5 48,1 53,5 59,0
2,2 2,4 2,6 2,8 3,0	63,0 67,5 72,0 76,0 79,5	64,5 70,0 75,5 80,0 85,0	64,5 70,0 75,5 81,0 86,0
3,5 4,0 4,5 5,0	87,5 95,0 101,0 107,0		99,0
5,5 6,0 6,5 7,0 7,5 8,0 9,0 10,0		154 / 164 161 / 173 168 / 181 174 / 189 185 / 203 195 / 215

 

Для устранения факторов, влияющих на точность из­мерений, необходимо:

· использовать шары точной геометрической формы;

· протирать поверхность шаров перед измерениями;

· не учитывать первый пробой промежутка.

Программа работы

1. С помощью ШР проградуировать на высокое напряжение вольтметр в первичной цепи высоко­вольтного трансформатора;

2. Измерить импульсное напряжение и напряжение промышленной частоты, вызывающее перекрытие поверхности изоляторов разных типов;

3. С помощью микроамперметра, низко- и высо­ковольтного электростатических вольтметров, осциллографа, пикового вольтметра и шарового разрядника измерить высокое напряжение:

● на выводах испытательного трансформатора;

● на выходе одно- и двухполупериодного выпрямителя;

● на выходе генератора импульсных напряжений.

Порядок выполнения работы

По п. 1. собрать схему (рис. 4). В соответствии с усло­виями соотношения а и D _ш определить допустимый интервал изменения длины воздушного промежутка между шарами.

 

 

Рис. 4. Схема подключения шарового разрядника:

ИТ – испытательный трансформатор; R₀ – токоограничивающий резистор;

ШР – шаровой разрядник

 

Определенный интервал разбить на 5–6 точек. Шары расположить на расстоянии, соответствующем не­которому напряжению U _2н, устанавливаемому по таблицам. За­тем плавно увеличивать напряжение испытательного трансформатора до пробоя воздушного промежутка, в момент ко­торого произвести отсчет напряжения в первичной цепи транс­форматора U ₁ по вольтметру V₁. При каждой длине проме­жутка у ШР производить три измерения. Полученные опыт­ные данные занести в табл. 2.

 

Таблица 2

Зависимость пробивного напряжения от расстояния
между электродами

а, см	U 1, В	U 2н, кВ	U 2, кВ	Примечание
			Среднее
							Р = … мм рт. ст. T = … °К D ш = … см σ=

 

По п. 2. 1 – к выходным зажимам генератора импульс­ных напряжений (ГИН) или 2 – к выводам высоковольтного трансформатора параллельно подключают испытуемый изо­лятор и ШР с дистанционным приводом. Расстояние между шарами ШР выбирают заведомо большим, чем то, при котором ожи­дается разряд.

Включив ГИН или высоковольтный трансформатор, за­дают напряжение, незначительное уменьшение которо­го уже не вызывает перекрытия по поверхности испытуемого изолятора. Это минимальное напряжение перекрытия необхо­димо измерить. Для этого уменьшают расстояние между ша­рами ШР до тех пор, пока за определенный промежуток вре­мени не сравняется число разрядов на изоляторе и в искро­вом промежутке ШР. Далее измеряют расстояние между ша­рами, по таблицам определяют напряжение перекрытия изо­лятора.

По п. 3. Собрать схемы, изображенные на рис. 1, 3 и 4, подключить параллельно источнику высокого напряжения. Данные измерений по каждому прибору для различных ис­точников высокого напряжения занести в табл. 3.

 

Таблица 3

Измерение высокого напряжения

Регистрирующий прибор	Высокое напряжение, В
Промышленной частоты	Однополу-периодное выпрямление	Двухполу-периодное выпрямление	Импульсное
1. Микроамперметр 2. Вольтметр низковольтный электростатический 3. Вольтметр высоковольтный статический 4. Вольтметр пиковый 5. Шаровой разрядник

Содержание отчета

1. Программа работы;

2. Схемы испытаний;

3. Конструкция высоковольтного электростатического вольтметра;

4. Таблицы наблюдений;

5. Градировочная кривая U ₂ – f (U ₁) для испытательно­го трансформатора;

6. Данные измерений напряжения перекрытия по поверх­ности различных типов изоляторов;

7. Выводы по работе.

Лабораторная работа 9

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ
ПО ЦЕПИ ИЗОЛЯТОРОВ

 

Цель работы – исследование неравномерности распределения напряжения по изоляторам гирлянд и опорных колонок; ознакомление со способами выравнивания распределения напряжения.

Общие сведения. В высоковольтных электрических сетях и установках с номинальным напряжением свыше 10 кВ токоведущие части крепятся с помощью изоляторов, собираемых в подвесные гирлянды и опорные колонки.

Распределение напряжения по изоляторам гирлянды можно установить с помощью схемы замещения (рис. 1). На этой схеме R – сопротивление утечки по поверхности изоляторов; K – собственные емкости изоляторов; C _з – емкости между промежуточными электродами изоляторов и землей; C _п – емкости между промежуточными электродами и линейным проводом.

 

а) б) в)

 

Рис. 1. Гирлянда изоляторов (а), схемы замещения (б) и кривые
распределения напряжения по ее элементам (в):

1 – равномерное распределение напряжения;

2 – распределение напряжения с учетом С_з;

3 – реальная кривая распределения напряжения

 

Обычно гирлянды и опорные колонки комплектуются из однотипных изоляторов. Их собственные емкости К = 50…70 пФ имеют одинаковую величину. При чистой и сухой поверхности изоляторов R >> 1 / w K, поэтому распределение напряжения зависит только от емкостей К, C _з и C _п. Величины емкостей C _зи C _п зависят от места расположения изоляторов, в среднем емкость C _з = 2…5 пФ, а C _п = 0,5…1 пФ.Если предположить, что собственные емкости К равны между собой, а емкости C _з и C _правны нулю, то очевидно, что приложенное напряжение равномерно распределится по элементам цепочки (D U ₁ = D U ₂ =... = D U_n) (рис. 1, кривая 1). Наличие емкостей C _з и обусловленных ими поперечных токов смещения I _з влияет на величину продольных токов I _к. Продольные токи I _к уменьшаются по мере приближения рассматриваемого изолятора к земле, вследствие чего падение D U_i = 1 / j w K × I _{к i} на элементах цепочки также снижается и D U ₁ > D U ₂ >... > D U_n (рис. 1, кривая 2). Токи I _п, протекающие через емкости C _п, частично компенсируют поперечные токи I _з и тем самым способствуют выравниванию распределения напряжения по элементам цепочки (рис. 1, кривая 3). Однако идеального выравнивания напряжения не происходит, так как C _з> C _п. Это обусловливает неравномерность распределения напряжения, особенно на элементах, ближайших к линейному проводу. С увеличением числа изоляторов в гирлянде неравномерность возрастает. Если не принять специальных мер, то на ЛЭП высокого напряжения (220 кВ и выше) часть изоляторов в гирляндах может оказаться под таким напряжением, что на них уже при рабочем напряжении и нормальных атмосферных условиях возникает корона, которая является источником радиопомех и причиной ускоренной коррозии арматуры и вызывает дополнительные потери энергии.

Выровнять распределение напряжения вдоль цепочки изоляторов можно с помощью специальной арматуры в виде экранных колец, восьмерок и овалов, укрепляемых в месте подводки линейного провода. Такая защитная арматура увеличивает емкость C _пи тем самым уменьшает долю напряжения, приходящуюся на ближние к проводу изоляторы.

Если в гирлянде имеются поврежденные изоляторы, то распределение напряжения становится еще более неравномерным: на поврежденном изоляторе уменьшается до нуля, а на других возрастает. Своевременное выявление поврежденных изоляторов в линейной и подстанционной изоляции – важное условие безаварийной работы электроустановок. Периодическая проверка изоляторов в гирляндах и колонках производится с помощью специальных штанг.

При сильном загрязнении и увлажнении поверхностей изоляторов R << I / j w K, поэтому распределение напряжения вдоль гирлянды определяется, главным образом, сопротивлениями утечки. Если изоляторы загрязнены и увлажнены одинаково и равномерно по всей поверхности, то распределение напряжения выравнивается.

Распределение напряжения по изоляторам гирлянды для случая, когда поверхности изоляторов сухие и чистые, можно рассчитать по формуле

 

,

 

где U_x – напряжение в точке относительно земли;

U₀ – напряжение, приложенное ко всей гирлянде;

n – число изоляторов в гирлянде;

i – номер изолятора, считая от провода;

.

Программа работы

1. С помощью высоковольтного электростатического киловольтметра снять кривую распределения напряжения по гирлянде, состоящей из семи подвесных изоляторов типа ПФ6-А;

2. Измерить распределение напряжения вдоль гирлянды при наличии одного пробитого изолятора;

3. Измерить распределение напряжения вдоль гирлянды с защитной арматурой;

4. С помощью искрового промежутка снять кривую распределения напряжения по колонке, состоящей из опорных изоляторов.