Испытательные трансформаторы. Испытательные трансформаторы, как правило, изготовляются однофазными. Обмотки высокого напряжения выполняются преимущественно слоевыми. Изоляция между слоями из кабельной бумаги и цилиндров из изолирующего материала. В отличие от силовых они работают обычно непродолжительное время, в течение которого напряжение трансформатора повышается до разряда на объекте, после чего трансформатор отключается.
Для защиты обмотки трансформатора от сверхтоков при разряде и ограничения перенапряжений последовательно с обмоткой включают внешний защитный резистор R, сопротивление которого берут порядка 1 Ом на 1 В номинального напряжения трансформатора. Запас электрической прочности изоляции испытательных трансформаторов невелик и обычно не превышает 20-30%.
Испытательные трансформаторы выполняются с одним или двумя выводами. В схеме с одним выводом ВН второй конец обмотки соединяется с сердечником и баком трансформатора непосредственно через прибор (амперметр).
Эта схема (рисунок 29) позволяет производить испытания объектов в условиях, близких к эксплуатационным, т.е. с одним заземленным полюсом.
Рисунок 29 - Испытательный трансформатор с одним выводом
Но по этой схеме необходима изоляция одного из выводов обмотки на полное напряжение, что требует больших и сложных проходных изоляторов и приводит к увеличению габаритов трансформаторов. По такой схеме обычно изготавливают трансформаторы до 500 кВ.
В схеме с двумя выводами (рисунок 30), с сердечником и баком соединяется средняя точка обмотки. Изоляция вводов должна быть рассчитана на половинное напряжение.
В такой схеме один вывод ВН также может быть заземлён. Но т.к. при этом сердечник и бак трансформатора приобретают потенциал U/2 по отношению к земле и обмотке НН, то обмотка НН должна быть изолирована на указанное напряжение от корпуса, а сам трансформатор – от земли и заземлённого оборудования, что требует большего места для установки. Изготавливаются такие трансформаторы на U=750 кВ.
Рисунок 30 - Испытательный трансформатор с двумя выводами
Наиболее распространенной схемой и надежной, а для наружных установок единственной является конструкция с масляной изоляцией в металлическом баке. Однако она связана с необходимостью применения дорогих и сложных проходных изоляторов ВН, что намного увеличивает размеры установки и затрудняет ремонт трансформатора. Поэтому определенный интерес представляют сухие трансформаторы, которые были созданы на напряжение до 1000 кВ. Их преимуществом является небольшой вес и габариты, легкий доступ к обмотке и элементам изоляции, простота ремонта. Основным недостатком сухих трансформаторов является опасность увлажнения изоляции и значительные повреждения дугой при пробое изоляции обмотки.
Для получения напряжений 500-1500 кВ применяют каскадные схемы включения испытательных трансформаторов.
Регулирование напряжения испытательных трансформаторов.Регулирование напряжения испытательных трансформаторов осуществляется со стороны первичной обмотки трансформаторов. Регуляторы напряжения должны удовлетворять следующим основным требованиям:
а) регулирование напряжения должно быть плавным, в регуляторах со скользящими контактами искрение должно отсутствовать;
б) регулятор должен подавать на вход испытательного трансформатора напряжение от нуля до U1пнеискаженной синусоидальной формы;
в) мощность регулятора напряжения должна быть не меньше мощности испытательного трансформатора.
Наиболее совершенным устройством для регулирования напряжения является двигатель-генератор. Этот способ питания обеспечивает плавность регулирования и практически синусоидальную форму кривой напряжения. Недостатком является – высокая стоимость.
Более простым и дешёвым устройством являются индукционные регуляторы, которые выполняются в виде трансформаторов с перемещающейся обмоткой или в виде заторможенного асинхронного двигателя с фазным ротором (потенциал-регуляторы).
Трансформаторы и автотрансформаторы, в которых напряжение регулируется при помощи скользящих контактов плавно или ступенями, относятся к простым и дешёвым регуляторам напряжения. Применяются до 50-100 кВт.
Реостаты со скользящим контактом, включаемые в сеть как потенциометры, применяются до мощностей 1-2 кВт.
Генератор импульсных напряжений (ГИН). ГИН представляет собой установку, предназначенную для генерирования импульсных напряжений, аналогичных атмосферным перенапряжениям.
Впервые ГИН был предложен и выполнен профессором Московского университета в 1914 г. В. Аркадьевым и через 10 лет немецким физиком Э. Марксом (рисунок 31).
Работа ГИНа слагается из двух стадий:
а) заряда;
б) разряда (рабочий режим).
Конденсатор С1 заряжается от выпрямительного устройства, содержащего трансформатор Т, вентиль В и резистор R ( Ом). Этот резистор защищает вентиль В, трансформатор Т от перегрузки и ограничивает толчки тока в первые моменты зарядки конденсаторов.
При зарядке все конденсаторы С подключены к источнику напряжения через зарядные резисторы R1- R6 параллельно.
Так как R1,6 << R/, то считаем, что через некоторое время, определяемое постоянной цепи заряда (секунды, минуты),
.
Рисунок 31 - Генератор импульсных напряжений: а – принципиальная схема; б – схема замещения при разряде. Потенциалы слева от электродов соответствуют концу зарядки, справа разряду ГИН
Все конденсаторы С оказываются заряженными до одинакового напряжения Umax.
Разряд ГИН (рисунок 38 б) начинается в тот момент, когда зарядное напряжение в точке 1 достигает величины пробивного напряжения запального разрядника Р1 (пробой Р2 и Р3 исключен, т.к. расстояние между шарами больше, чем у Р1).
После пробоя Р1 точка 1 соединяется с землёй через демпферное сопротивление rg1 и сопротивление дуги, ее потенциал мгновенно снижается до нуля и начинается разряд конденсатора С1 по контуру C1→rg1→P1→R2→C1. Напряжение на электродах конденсатора в каждый момент времени будет равно падению напряжения от разрядного тока на резисторе R2.
Так как потенциал верхнего электрода конденсатора С1 (точка 1) перед пробоем был равен +U, а после пробоя стал равен нулю, то потенциал его нижнего электрода (точка 2) изменяется от 0 до –U. Такой же потенциал приобретает и нижний электрод P2.
Конденсатор С//2 представляет собой емкость элементов ГИН относительно земли, не может разрядиться по контуру С//2→R3→r2→P1→земля→ С//2, поэтому потенциал точки 3 и верхнего электрода разрядника Р2сохраняется равным +U. В результате под действием разности потенциалов 2U разрядник Р2 пробивается и точка 3 оказывается соединенной с точкой 2 через сопротивление искры и резистор rg2.
В итоге потенциалы верхнего и нижнего электродов конденсатора С3 изменяются до значений –U и 2U, разрядник Р3 под действием разности потенциалов 3U пробивается и все три конденсатора ГИН оказываются соединенными последовательно. Под действием напряжения 3U пробивается отсекающий разрядник ОР, который разъединяя цепь объекта и измерительных устройств от собственного ГИН до его срабатывания, оказывается приложенным к выходной цепи (точка 7).
Параметрами ГИН являются номинальное напряжение , емкость в ударе Сv, энергия в ударе
,
и коэффициент использования . Для современных ГИН . Имеются ГИНы на напряжения 3000-5000 кВ, 7500 кВ, 10000 кВ.
Шаровые разрядники.Длина воздушного промежутка между электродами какой-либо формы может служить мерой напряжения, которое вызвало пробой промежутка. Поскольку пробой воздушного промежутка определяется амплитудным значением приложенного напряжения, то искровые промежутки относятся к группе амплитудных приборов.
Существуют таблицы МЭК и ГОСТ 1516.1, составленные на основании сравнения результатов исследований в различных странах. При пользовании таблицами нужно учитывать ряд особенностей. На практике возможны две схемы включения шарового разрядника: а) симметричная; б) несимметричная (рисунок 32).
Рисунок 32 - Схемы включения шаровых разрядников
При симметричном включении пробивные напряжения одинаковы для всех его видов и обеих полярностей; при несимметричном включении сказывается эффект полярности, но учёт его производится только для импульсных напряжений, так как при постоянных напряжениях разброс пробивных напряжений из-за большой погрешности измерений превышает разницу, вызванную эффектом полярности. В связи с этим, данные о пробивных напряжениях шаровых разрядников сгруппированы в три таблицы: для симметричного включения шаров; для переменного и постоянного напряжений и отрицательных импульсов; для положительных импульсов при несимметричном включении.
Пробивные напряжения приводятся для нормированных диаметров шаров от 2 до 200 см. Каждому диаметру соответствует определенный диапазон расстояний, в котором обеспечивается минимальная погрешность измерений. Наибольшее расстояние между шарами не должно превышать 0,75 Д. При S>0,75 Д сильно возрастает погрешность. Производить измерения при S<0,1 Д также не рекомендуется вследствие затруднений при отсчёте S.
Все данные для t=20 С, Р=760 мм рт. ст. Для иных температур и давлений воздуха необходимо вводить поправку на плотность воздуха
,
.
Для однородного поля k=1, неоднородного поля k=0,8-1,2.
Так как поле шаров при измерениях остаётся слабо неоднородным, то влияние влажности воздуха незначительно (<1%) и его не учитывают.
Для уменьшения погрешности при измерениях необходимо, чтобы поверхность шаров была гладкой, полированной, без следов грязи и пыли. Отклонения по диаметру допускаются не более 1%.
Близость земли (пол лаборатории), а также различных заземленных или находящихся под напряжением предметов и проводников искажают картину поля между шарами и вызывают дополнительную погрешность, поэтому нормами предусматриваются определенные расстояния от измерительных шаров до земли и посторонних предметов. При измерении напряжений 50 Гц и постоянного тока последовательно с шарами разрядника включают защитный резистор R для ограничения перенапряжений и тока КЗ испытательной установки при разряде, а также защиты поверхности шаров от повреждения дугой (R 1Ом/В).
Величина пробивного напряжения подчинена статистическим закономерностям, поэтому при нескольких измерениях одного и того же напряжения имеет место разброс результатов.
Недостатком шаровых разрядников при измерении напряжений 50 Гц и постоянного тока является невозможность вести наблюдение за изменением напряжения во время опыта и необходимость отключать установку после каждого пробоя. Поэтому шаровые разрядники применяются для построения градуировочных кривых высоковольтных установок и измерения напряжения при испытаниях под дождём.
Электростатические вольтметры.Электростатическими называют приборы, в которых электроды перемещаются под действием сил поля. Из теоретической электротехники известно, что механическая сила взаимодействия двух электродов, находящихся под разностью потенциалов U, в общем виде определяется соотношением
,
где - сила, действующая в направлении х;
С – емкость электродов.
Из этого выражения следует, что с помощью электростатических вольтметров можно измерять действующие значения постоянного и переменного напряжений.
Если действующее на неподвижный электрод поле однородно, перемещение электрода незначительно или исключено возвращением его в первоначальное положение, емкость С может быть достаточно точно рассчитана, а сила измерена, то напряжение U можно рассчитать в соответствии с вышеописанным выражением. Вольтметры, удовлетворяющие этим условиям, называют абсолютными.
Абсолютные вольтметры служат для измерения напряжений до 300-400 кВ, для уменьшения габаритов их обычно располагают в баке с повышенным давлением газа. Погрешность вольтметров при измерении составляет 0,01-0,4%, поэтому они применяются в качестве эталонных приборов при градуировке технических вольтметров высокого напряжения.
Рисунок 33 - Схемы технических электростатических вольтметров
Технические электростатические вольтметры высокого напряжения (ЭСВВ) применяются в тех случаях, когда при измерении допускается погрешность порядка 2-3%. На рисунке 33 показана схема устройства ЭСВВ с вращательным движением электрода, которая применяются во многих конструкциях. Измеряемое напряжение прикладывается к электродам 1 и 2, закрепленным на изоляторах. На выступающую часть подвижной системы (флажок 3), находящуюся перед вырезом в электроде, при этом действует сила , поворачивающая действующую систему на некоторый угол . Противодействующий момент создаётся или пружинкой, или закручиванием упругой растяжки (оси 4), на которой подвешена подвижная система. Показания прибора отсчитывается при помощи светового устройства, состоящего из шкалы 5 и зеркальца 6, а также осветителя 7. Демпферы 8 служат для успокоения колебаний подвижной системы.
Отечественной промышленностью изготавливаются электростатические вольтметры для измерения напряжения до 30, 100, 200 кВ, класс точности таких приборов 1,5 и 2,5.
Электронные осциллографы.Служат для изучения стационарных и переходных процессов в цепях высокого напряжения. Широко используется при изучении перенапряжений, индукционных явлений и при импульсных испытаниях. Для осциллографирования однократных, кратковременных процессов импульсных напряжений используются ЭО с горячим катодом.
Электронные осциллографы с анодным напряжением до 5 кВ и выше получили название высоковольтных. Напряжение на отклоняющих пластинах 1-2 кВ. Напряжение на модуляторе 50 В.
Делители напряжения.Делители напряжения бывают омические, емкостные и смешанные.
Омический делитель напряжения (рисунок 34) представляет собой два резистора R и R , соединенные последовательно. Напряжение для измерений снимается с низковольтного плеча делителя R . Коэффициент деления
.
Рисунок 34 - Омический делитель напряжения
Требования, предъявляемые к делителю напряжения, заключаются в следующем: он должен иметь устойчивый коэффициент деления K=U /U , не зависящий от режима его работы, температуры, времени, частоты и величины измеряемого напряжения; не должен искажать формы измеряемого напряжения, для этого его индуктивность и паразитная емкость должны быть минимальными; делитель не должен влиять на режим работы исследуемой цепи, т.е. должен обладать высоким входным сопротивлением; на делители недопустимы коронные разряды, и он должен быть защищён от влияния посторонних полей.
Выполнение этих требований затрудняется по мере повышения измеряемых напряжений, когда размеры делителей напряжений возрастают.
Для получения безиндукционных делителей напряжения с малой паразитной емкостью С/ резисторы R1 и R2 выполняются жидкостными, керамическими или проволочными с безиндукционной, например бифилярной намоткой. Применение манганина или константана диаметром 0,015-0,03 мм позволяет получить резисторы небольших размеров с сопротивлением в сотни килоом.
Погрешность при применении омических делителей напряжения определяется в основном наличием паразитных емкостей С/ элементов делителя на землю и окружающие предметы.
В начальный момент появления прямоугольной волны (t=0) распределение напряжения по делителю будет резко неравномерным вследствие значительных емкостей токов I/C, напряжение на пластинах явления при этом равномерно U2Н. Через некоторое время (условно при t= ) распределение напряжения станет равномерным и конечное напряжение поля на ПЯ будет U2К>U2Н.
Таким образом, коэффициент деления К омического делителя, равный в установившемся режиме примерно R /R , в переходном режиме, особенно при регистрации волн с крутым фронтом, не является величиной постоянной и зависит от времени.
Смешанный (емкостно-омический) делитель сочетает свойства обоих типов делителей напряжения, его коэффициент деления практически не зависит от частоты. Смешанные делители широко применяют при работе со сверхвысокими напряжениями.
Лекция 8. Грозовые и внутренние перенапряжения
Содержание лекции:
- молния, как источник грозовых перенапряжений, зона защиты молниеотводов, заземление в электроустановках высокого напряжения, общая характеристика внутренних перенапряжений.
Цели лекции:
- изучение характеристик грозовых и внутренних перенапряжений, молниеотводов и заземляющих устройств.
